多种肝癌标志物液态联检的复合微悬臂梁生物传感器研究

Microcantilever is one of the most promising device for early detection of multiple liver cancer biomarkers. In the serum detection, fluid damping can significantly reduce the sensitivity of microcantilever, which seriously restricts its application for biosensors. In this particular project, a composite microcantilever with micro/nano hollow structures is proposed to enable high sensitivity in the liquid reaction. The multi microcantilever can resonate at quality factor in vacuum when the serum is flowing in the micro/nano hollow structure in the lever. It ensures that the microcantilever can detect multiple liver cancer biomarkers with in-situ, and high sensitivity. The project will solve the energy loss mechanism, the mass detection sensitivity, the limit of detection of composite microcantilever, and the in-situ monitoring method of molecular dynamics in liquid by researching on sensing and application mechanism in Joint Detection of Liver Cancer Markers with the hollow Si-PDMS composite microcantilever. It will provide the theoretical basis of geometric design, and high stability biological surface functional approach. Through this research, it is expected a real-time biological detection scheme with high sensitivity, low cost and great reliability will be established for early diagnosis of liver cancer.

微悬臂梁是肝癌早期多种标志物联合检测领域最具潜力的器件之一。为克服血清液体检测环境下，微悬臂梁受流体阻尼作用灵敏度急剧下降的缺点，本项目提出一种具有中空微流道的复合型微悬臂梁生物传感器。微悬臂梁整体处于真空环境，待测血清从微悬臂内部中空微纳结构中通过，保证微悬臂梁生物传感器既可以原位检测血清液体中肝癌标志物，又具有高品质因子和高检测灵敏度。项目以中空Si-PDMS复合微悬臂梁为对象，研究其高灵敏度传感机理和在肝癌标志物联检中的应用机制，确立内流体外真空的能量损耗、质量探测灵敏度和最小探测量模型，以及液态环境下分子动力学的原位实时监测方法，获得高性能复合微悬臂梁肝癌早诊传感器几何结构设计和生物表面功能化的理论依据。期望通过本项目的开展，为肝癌早诊领域提供一种灵敏度高、成本低、可靠性好、原位实时联合检测的可行技术和有效手段。

微悬臂梁是肝癌早期多种标志物联合检测领域最具潜力的器件之一。本项目完成了具有中空微流道的复合型微悬臂梁生物传感器研究。对谐振式微悬臂梁的动力学理论进行了详细分析，提出了一种具有中空结构并可在自由端局域检测生物分子的复合微悬臂梁，理论计算了该新型结构的品质因子及其损耗机制，并研究了微谐振式微悬臂梁传感器的质量检测灵敏度、和最小可探测质量等关键性能参数。其制作完成的微悬臂梁在真空中品质因子达10000，空气中品质因子约500，最小检测灵敏度0.14pg/Hz，最小探测质量微0.007pg。项目以中空复合微悬臂梁为对象，研究其结构设计与大批量生产工艺、微流道系统集成与生物功能化方法，提出了基于PZT压电陶瓷激励、压敏电阻检测的微悬臂梁阵列结构，并在微悬臂梁阵列的衬底上制作了惠斯通桥电路。研究并优化了微悬臂梁表面生物功能化方法，经多次试验优化了中空微流道修饰方案以及抗体培养的反应条件，得到了密度达10000个/μm2且局域修饰的高活性微悬臂梁生物表面。传感器对不同浓度的AFP、HGF、GGT-2三种肝癌标志物进行了线性标定，并且验证了三种标志物的特异性，并实现了对三种标志物的同时检测，为微悬臂梁的临床应用打下基础。设计并制作了复合悬臂梁的闭环自激励自检测接口处理电路，进行了开环和闭环检测，实现检测精度从开环的0.2Hz提升到闭环的0.05Hz，稳定性提升到0.6Hz以内，可以实现检测的灵敏度达到0.201pg/Hz。期望通过本项目的开展，为肝癌早诊领域提供一种灵敏度高、成本低、可靠性好、原位实时联合检测的可行技术和有效手段。