應(yīng)力型微懸臂梁生化傳感器響應(yīng)機(jī)理研究進(jìn)展*

楊天天

（1.江南大學(xué)，江蘇 無錫 214122;2.中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所傳感技術(shù)聯(lián)合國家重點(diǎn)實驗室，上海 200050）

0 引言

微納機(jī)電懸臂梁生化傳感器是自20世紀(jì)90年代后期逐漸興起的新型痕量檢測技術(shù)，它通過微納懸臂梁將吸附或結(jié)合產(chǎn)生的質(zhì)量、溫度、熱、磁和力等變量轉(zhuǎn)換為nm級的機(jī)械響應(yīng)，這種響應(yīng)通常具有超高靈敏度，尤其適合現(xiàn)場痕量快速檢測的需求。同時，該類傳感器還具有價格低廉、可實現(xiàn)微型化和批量生產(chǎn)、響應(yīng)時間短、易陣列化和系統(tǒng)集成等優(yōu)點(diǎn)，在生化傳感技術(shù)領(lǐng)域顯示了獨(dú)特的優(yōu)勢，例如:已見報道的應(yīng)用，對于生物分子如 DNA［1］，RNA［2］，蛋白質(zhì)［3］的檢測，以及在化學(xué)檢測方面對于揮發(fā)性有機(jī)化合物［4］、爆炸物［5］和水銀蒸氣的檢測［6］等。

在這樣的背景下，研究和開發(fā)基于微納機(jī)電懸臂梁的生化傳感器是一項既充滿挑戰(zhàn)又十分迫切的任務(wù)。與此同時，利用微機(jī)電懸臂梁采用不同的敏感層來實現(xiàn)不同生化物質(zhì)的特異性檢測只是研究者針對解決個性問題的應(yīng)用結(jié)果，對于生化敏感作用在懸臂梁微結(jié)構(gòu)上的信息轉(zhuǎn)換機(jī)制并無定論。近年來，隨著微懸臂梁生化傳感器的大力發(fā)展，相應(yīng)的基礎(chǔ)工作機(jī)理研究受到日益重視。

1 應(yīng)力型微懸臂梁生化傳感器的工作原理

應(yīng)力型微懸臂梁生化傳感器是通過在懸臂梁的一個表面固定一層具有特異性識別能力的敏感材料，被測化學(xué)氣體或生物分子經(jīng)擴(kuò)散被生化敏感層吸附或結(jié)合后，導(dǎo)致懸臂梁表面應(yīng)力發(fā)生變化，造成懸臂梁的彎曲，再通過電（或光）學(xué)信號記錄下來。此類微懸臂梁傳感器由于具有結(jié)構(gòu)簡單、制作容易、靈敏度高、可在線檢測、容易在溶液中使用等優(yōu)點(diǎn)，在生化檢測領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。

對于應(yīng)力型微懸臂梁生化傳感器來說，目標(biāo)分子在懸臂梁表面的吸附可以分為物理吸附和化學(xué)吸附，物理吸附和化學(xué)吸附都能在懸臂梁的表面產(chǎn)生表面應(yīng)力。物理吸附是通過范德瓦耳斯力的作用產(chǎn)生的，它的結(jié)合能一般較小，選擇性差;化學(xué)吸附是由于目標(biāo)分子和敏感層產(chǎn)生化學(xué)鍵結(jié)合而實現(xiàn)的，它的結(jié)合能通常較大。通?；瘜W(xué)吸附產(chǎn)生的表面應(yīng)力要強(qiáng)于物理吸附，且具有較強(qiáng)的選擇性。因此，傳感器的敏感層主要是通過化學(xué)吸附或結(jié)合來實現(xiàn)對目標(biāo)分子的特異性檢測。

在潔凈表面上，吸附導(dǎo)致表面應(yīng)力的變化是由于吸附過程引起表面原子和內(nèi)部原子的結(jié)構(gòu)重組，進(jìn)而引起的表面重構(gòu)和表面馳豫現(xiàn)象。本質(zhì)上，吸附導(dǎo)致的表面應(yīng)力變化可以歸結(jié)于和吸附過程相關(guān)的表面吉布斯自由能γ的變化。根據(jù)Shuttleworth方程，表面應(yīng)力σ的變化可表示為

其中，?ε為表面積的相對變化。對于在懸臂梁表面的吸附，式（1）中的第二項通常都很小，因而，表面應(yīng)力的變化可近似等于表面自由能的變化。當(dāng)表面吸附或結(jié)合引起表面張力發(fā)生變化后，懸臂梁的表面會產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力（壓應(yīng)力或張應(yīng)力），從而使懸臂梁的敏感表面面積有增加或縮小的趨勢。這種應(yīng)力如果沒有大小相等方向相反的力來補(bǔ)償，就將導(dǎo)致懸臂梁的彎曲。由表面應(yīng)力變化導(dǎo)致懸臂梁彎曲后的曲率半徑R可以由Stoney公式給出

其中，σ為表面應(yīng)力，ν為泊松比，E為楊氏模量，t為微懸臂梁的厚度。

2 微懸臂梁生化傳感器的響應(yīng)機(jī)制研究現(xiàn)狀與進(jìn)展

靜態(tài)微懸臂梁生化傳感器的特異性和敏感性都是通過敏感層與目標(biāo)分子的相互作用來實現(xiàn)的。由于表面應(yīng)力的產(chǎn)生牽涉到復(fù)雜的分子相互作用，研究者對表面應(yīng)力產(chǎn)生的機(jī)制的理解仍停留在初級階段。國內(nèi)外研究者提出了幾種可能的由特異性生化反應(yīng)產(chǎn)生的表面應(yīng)力變化的作用機(jī)制，如靜電力（偶極作用）［7］、范德華力［8］、構(gòu)型熵［9］以及表面電荷重構(gòu)［10］等，并提出了一些相應(yīng)的初步模型［8，11，12］和一種將特異性吸附過程劃分為縱向界面上以及橫向分子間進(jìn)行分別討論的方法［13］，為應(yīng)力型生化懸臂梁傳感器的響應(yīng)機(jī)制問題的解決打下了良好的基礎(chǔ)。

2.1 響應(yīng)機(jī)制的簡化模型

在響應(yīng)機(jī)制的研究中，為了簡化問題，假設(shè)懸臂梁的敏感層表面是均一的，吸附質(zhì)在懸臂梁敏感層表面的吸附從統(tǒng)計學(xué)角度也是均一的，2個吸附質(zhì)之間的距離為r，如圖1所示。同樣，假設(shè)懸臂梁表面的一級吸附是導(dǎo)致懸臂梁表面應(yīng)力變化的主要原因，二級及以上的吸附只起次要作用。

圖1 懸臂梁表面分子吸附示意圖Fig 1 Schematic diagram of molecules adsorption on cantilever surface

由于化學(xué)吸附而導(dǎo)致的表面應(yīng)力變化從微觀角度可以做如下理解:基底的表面層（本征表面層或者修飾的敏感層）處在一個表面應(yīng)力為σ0的平衡態(tài)，σ0取決于基底表面層的初始狀態(tài)和環(huán)境中吸附在基底表面層上的分子（氣/固界面為空氣分子，液/固界面為溶劑分子）。吸附分子將取代之前非特異性吸附在基底表面層上的分子，改變表面層狀態(tài)。表面應(yīng)力也會發(fā)生相應(yīng)變化，以達(dá)到新界面的平衡。吸附過程可以看做2個步驟:吸附質(zhì)與表面層分子的特異性結(jié)合;橫向作用引起的表面重構(gòu)。表面分子的特異性吸附，將從界面作用（縱向）和表面分子的分子間作用（橫向）2個方面對表面應(yīng)力產(chǎn)生影響，即

其中，Δσ為吸附導(dǎo)致的表面應(yīng)力變化，θ為吸附質(zhì)的表面覆蓋度，下標(biāo)ν和i為縱向和橫向分量。

2.2 縱向作用對表面應(yīng)力的影響

縱向作用發(fā)生于生化分子與懸臂梁表面的吸附界面，包含了與吸附質(zhì)結(jié)合的化學(xué)/生化過程。在縱向界面上，產(chǎn)生表面應(yīng)力的一個重要來源是表面自由能的降低。生化吸附是一個自發(fā)過程，通常這一過程總是傾向于降低表面自由能，使得表面張力減小，從而導(dǎo)致懸臂梁的彎曲。值得注意的是，自發(fā)吸附通常不會產(chǎn)生表面應(yīng)力，相反會使得表面應(yīng)力減小。因此，在大多數(shù)情況下懸臂梁的一個表面吸附或結(jié)合目標(biāo)分子后會導(dǎo)致表面應(yīng)力釋放，使得懸臂梁朝其背面方向彎曲，這就等效于在吸附表面產(chǎn)生了壓應(yīng)力。如圖2所示，化學(xué)吸附導(dǎo)致界面能降低，從而引起表面壓應(yīng)力，造成懸臂梁彎曲。相對較高的初始界面能將為生化檢測過程提供較高的能量下降空間，從而產(chǎn)生更大的表面應(yīng)力，這為優(yōu)化靜態(tài)微懸臂梁生化傳感器的敏感層設(shè)計，提高檢測性能提供了一種有效的方法。

除了界面能之外，由于目標(biāo)分子與懸臂梁敏感層表面特異性結(jié)合而導(dǎo)致的電荷重分布也是引起表面應(yīng)力變化的一個重要方面［14］。Godin M等人用特異性結(jié)合而導(dǎo)致的電荷重分布對不同鏈長巰基化合物的在金表面的吸附所產(chǎn)生的應(yīng)力與鏈長相關(guān)性不大進(jìn)行了解釋［10］。文獻(xiàn)報道中指出，特異性吸附所導(dǎo)致的懸臂梁表面層原子的電子結(jié)構(gòu)重分布將改變表面自由能，從而引起表面應(yīng)力的較大改變。

圖2 界面能變化導(dǎo)致的表面應(yīng)力變化示意圖Fig 2 Diagram of the interfacial energy change induced surface stress

在縱向界面上，敏感層與目標(biāo)分子特異性吸附反應(yīng)的強(qiáng)度一直被認(rèn)為是優(yōu)化靜態(tài)微懸臂梁生化傳感器的關(guān)鍵。對于超痕量檢測來說，特異性吸附所產(chǎn)生的表面應(yīng)力大小與吸附質(zhì)表面覆蓋度的大小有很大的關(guān)系，這種情況下，增加敏感層與目標(biāo)分子的特異性吸附反應(yīng)強(qiáng)度是優(yōu)化靜態(tài)微懸臂梁生化傳感器的有效途徑，尤其是在吸附質(zhì)表面覆蓋度低至可忽略分子間相互作用時，這種增加特異性吸附反應(yīng)強(qiáng)度帶來的傳感器性能優(yōu)化更為顯著。當(dāng)表面覆蓋度θ ＜0.2 ML時，表面應(yīng)力與其近似呈線性關(guān)系［14，15］。在靜態(tài)微懸臂梁生化傳感器對爆炸物TNT和沙林模擬劑DMMP進(jìn)行痕量檢測的研究中，對吸附質(zhì)濃度與相應(yīng)強(qiáng)度之間關(guān)系分析表明:吸附質(zhì)在微懸臂梁表面吸附引起的相應(yīng)與朗謬等溫吸附模型符合良好［4，16，17］。盡管敏感層與目標(biāo)分子特異性吸附反應(yīng)的強(qiáng)度在很大程度上決定了表面覆蓋度，特異性吸附的反應(yīng)強(qiáng)度與懸臂梁表面產(chǎn)生的應(yīng)力并無絕對關(guān)系。例如:對于同一吸附質(zhì)，使用類似結(jié)構(gòu)的敏感層對其進(jìn)行檢測（即特異性吸附反應(yīng)強(qiáng)度相近似）時，懸臂梁表面可產(chǎn)生相反方向的表面應(yīng)力［5，16，18］。使用同一敏感層特異性吸附反應(yīng)強(qiáng)度遞增的一組胺類同系物作為目標(biāo)檢測物進(jìn)行實驗并未獲得遞增的表面應(yīng)力響應(yīng)，表面應(yīng)力響應(yīng)反而依次遞減［13］。這些研究結(jié)果說明:界面上縱向作用并不是影響懸臂梁表面應(yīng)力產(chǎn)生的唯一因素，在有其他因素作用時，特異性反應(yīng)的強(qiáng)度往往不能作為所產(chǎn)生表面應(yīng)力大小的主要考量依據(jù)。

2.3 橫向作用對表面應(yīng)力的影響

在應(yīng)力響應(yīng)過程中，當(dāng)目標(biāo)分子吸附于表面時，鄰近的分子間將產(chǎn)生各種相互作用（包括空間體位、范德華力、靜電力、氫鍵等）以達(dá)到能量最低的平衡狀態(tài)，從而對表面應(yīng)力造成影響。

2.3.1 空間體位作用

空間體位作用是可以顯著影響特異性吸附所產(chǎn)生的表面應(yīng)力的一個重要因素，在某些情況中將決定所產(chǎn)生表面應(yīng)力的方向。據(jù)報道，單鏈DNA（SsDNA）雜交所導(dǎo)致的構(gòu)型熵的變化可用于控制靜態(tài)微懸臂梁彎曲的方向（即可決定產(chǎn)生的表面應(yīng)力為壓應(yīng)力或張應(yīng)力）［9］。TNT分子在相近結(jié)構(gòu)的敏感層上也可以產(chǎn)生方向相反的表面應(yīng)力［5，16，18］。當(dāng)使用同一敏感層檢測不同的分子時，由于吸附質(zhì)分子尺寸上的巨大差別，也可以導(dǎo)致相反方向的表面應(yīng)力變化［5，16，18］。值得指出的是:體位作用的影響往往是和活性作用位點(diǎn)的密度和表面覆蓋度θ密切相關(guān)的，在目標(biāo)分子被吸附到敏感層時，其相鄰間距r由敏感層的二維幾何結(jié)構(gòu)和θ共同決定。

2.3.2 范德華力作用

范德華力在前人的文獻(xiàn)中作為解釋特異性吸附導(dǎo)致的懸臂梁彎曲的機(jī)理已得到了討論和證實［9］。根據(jù)文獻(xiàn)［8］中的簡化、計算，由于范德華力而導(dǎo)致的表面應(yīng)力變化可以表達(dá)為

其中，Q為表面應(yīng)力引起懸臂梁彎曲前的數(shù)密度（number per width）。

總之，作為一個分子間的短程作用力，與其他引起表面應(yīng)力變化的因素相比，范德華力對總體表面應(yīng)力變化的貢獻(xiàn)不是很大。以烷烴巰基化合物在金表面的自組裝為例，烷基鏈之間的范德華力總的來說對產(chǎn)生的表面應(yīng)力貢獻(xiàn)不大，但它將導(dǎo)致烷基鏈自組裝層的產(chǎn)生一個與法線方向的傾斜角［10］。

2.3.3 靜電力作用

靜電力作用也被提出作為一種解釋特異性吸附導(dǎo)致的懸臂梁彎曲的可能的機(jī)理，尤其是解釋在所考慮的系統(tǒng)中存在有帶電荷離子或電子轉(zhuǎn)移過程的情況。根據(jù)文獻(xiàn)［8］中的簡化、計算

其中，q為所帶電荷電量，ε0為自由介電常數(shù)。

在大多數(shù)系統(tǒng)中不存在帶電荷離子的情況下，靜電力作用可以被考慮為偶極子之間通過靜電場的相互作用，此時，靜電作用對最終產(chǎn)生的表面應(yīng)力影響不大。但在吸附質(zhì)為陽離子/陰離子的情況下，靜電作用對表面應(yīng)力變化產(chǎn)生非常重要的影響。Sushko M L等人研究了相鄰羧酸根離子（—COO-）之間的靜電排斥作用所產(chǎn)生的表面壓應(yīng)力［19］。在使用羧酸根陰離子對銨根陽離子進(jìn)行檢測的實驗中，得到的結(jié)果為表面張應(yīng)力［20］。

2.3.4 氫鍵作用

氫鍵是一種較強(qiáng)的分子間力，在許多化學(xué)/生化作用中都起著非常大的作用。氫鍵的作用強(qiáng)度遠(yuǎn)大于范德華力，比共價鍵和離子鍵稍弱，屬于次級鍵的一種，鍵能在42 kJ/mol以內(nèi)。在生化傳感器的應(yīng)用中，氫鍵作用已被利用于作為敏感層與被吸附之間的特異性反應(yīng)，許多微懸臂梁生化傳感器的敏感層都是依靠氫鍵作用來捕獲目標(biāo)分子的。在使用以羧基為尾端基團(tuán)的敏感層對一系列的胺類化合物進(jìn)行了檢測進(jìn)行分子鍵氫鍵研究的結(jié)果表明［13］:橫向作用中的分子間氫鍵可對靜態(tài)應(yīng)力型微懸臂梁生化傳感器的響應(yīng)產(chǎn)生較大影響，有無分子間氫鍵形成甚至可導(dǎo)致高達(dá)1個數(shù)量級的表面應(yīng)力變化差別。橫向上的分子間氫鍵作用可以被利用于產(chǎn)生更大的表面應(yīng)力，為靜態(tài)應(yīng)力型微懸臂梁生化傳感器的發(fā)展提出了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)［21］。

3 結(jié)論

應(yīng)力型微懸臂梁生化傳感器的響應(yīng)機(jī)理可以從縱向界面上和橫向分子間2個方面進(jìn)行分析:縱向界面上，界面能的變化是導(dǎo)致表面應(yīng)力變化的重要原因;在界面上特異性吸附的反應(yīng)強(qiáng)度決定了特異性吸附的表面覆蓋度，對于表面覆蓋度很低的情況來說，表面覆蓋度與表面應(yīng)力變化之間近似呈正比;在表面覆蓋度較高的情況下，特異性吸附的反應(yīng)強(qiáng)度與表面應(yīng)力變化的大小無單調(diào)聯(lián)系。橫向分子間的作用研究表明，范德華力和靜電力對表面應(yīng)力的產(chǎn)生一般情況下不起主要作用;位阻作用的影響可導(dǎo)致信號方向相反的表面應(yīng)力，分子間的氫鍵作用是引起表面應(yīng)力變化一個重要的產(chǎn)生效應(yīng)。

與日益受到研究者重視的微懸臂梁傳感器在生化檢測方面的應(yīng)用相比，對生化敏感作用在懸臂梁微結(jié)構(gòu)上的信息轉(zhuǎn)換機(jī)理研究稍顯滯后。認(rèn)識和理解生化作用在懸臂梁表面產(chǎn)生應(yīng)力的機(jī)制對于微懸臂梁生化傳感器來說至關(guān)重要，是進(jìn)一步優(yōu)化傳感器結(jié)構(gòu)的設(shè)計和構(gòu)筑生化敏感層的理論基礎(chǔ)，推動此類傳感器逐步成熟并走向?qū)嵱没纳瘷z測應(yīng)用走向半定量甚至定量的響應(yīng)機(jī)制的建立，未來的相關(guān)工作應(yīng)從偏重應(yīng)用的個例檢測走向理論分析模擬與系列檢測實驗的結(jié)合，可將分子識別過程從微觀角度進(jìn)行量子化學(xué)模擬，對表面應(yīng)力從界面化學(xué)進(jìn)行分析，同時結(jié)合傳感器特異性檢測結(jié)果，達(dá)到微觀與宏觀的統(tǒng)一。

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