金纳米多孔敏感增强型压电薄膜体声波生物传感器的研究

为克服压电薄膜体声波生物传感器在生物液体环境中声波能量损耗大、灵敏度不高的问题，采用两步溅射气压结合靶材与衬底中心位置偏移方法，制备c轴倾斜角度可控的AlN压电薄膜。分析两步溅射气压比例、靶材与衬底中心偏转角度等工艺参数对c轴倾斜薄膜生长的影响，研究相应的生长机制，探讨c轴倾斜角度与剪切模式机电耦合系数、品质因子之间的关系。采用"去合金化"方法生长具有生物相容性和质量放大效应的金纳米多孔敏感膜，分析电化学腐蚀电压、时间、温度及电流密度对孔尺寸和孔壁厚度等结构参数的影响，探讨金纳米多孔微结构与生物分子吸附量的关联性，实现传感器输出信号的放大，研究金纳米孔膜结构对传感器灵敏度的增强机制。本项目结合了c轴倾斜压电薄膜和金纳米多孔膜对传感器能量转换效率、质量放大效应的调控和促进作用，其顺利实施将进一步提高薄膜体声波生物传感器的灵敏度，并为其在医药、环境等领域的应用提供良好的材料基础与理论指导。

本项目针对任务书中提出的研究目标和研究内容，以薄膜体声波传感器为主要研究对象，从压电薄膜可控生长、传感器结构设计、生物传感器研制与性能优化、传感器测试电路等几个方面开展研究，具体完成情况如下：1）通过采用两步气压结合偏心法，制备了与c轴倾斜0~25°的氮化铝压电薄膜，分析了不同择优取向压电薄膜的生长机理；2）以表面平整、光滑、界面结合致密的Mo/SiO2为布拉格声反射层，采用微加工工艺，设计并制备了具有不同谐振区面积和形状的FBAR器件，分析了形状与面积对FBAR工作频率、品质因数、灵敏度的影响；3）以c轴倾斜角度的AlN压电薄膜为换能器，制备具有厚度剪切-长度伸缩两种振动模式共存的体声波谐振器。在FBAR上利用软光刻加工工艺集成了聚二甲基硅氧烷（PDMS）微流控测试管道，测试了传感器在不同粘度液态介质中的频率响应特性。测试结果显示工作于剪切波模式的传感器在不同粘度液态介质中均具有较高的灵敏度，表明实验制备c轴倾斜AlN压电薄膜激发的厚度剪切振动模式体声波能工作于液相检测环境；4）利用具有DNA脱氧核糖核酸序列的核酸适配体与癌胚抗原（CEA）高特异性、高选择性地结合，实现了对浓度为0.2~1.0 mg/ml的CEA的检测，CEA生物传感器的灵敏度为2284 Hz cm2/ng，最小检测浓度达到0.2 mg/ml。5）通过自组装的方法将粘蛋白（MUC1）核酸适配体组装到金纳米颗粒上，再利用适配体上的生物素与亲和素的特异性结合，达到将金纳米颗粒附着到金电极表面的目的，实现了对浓度为100 μ mol/L 的MUC1粘蛋白的检测；6）采用双通道结构对薄膜体声波谐振（FBAR）传感器进行信号处理，利用正反馈原理，采用电容反馈令FBAR起振，将质量变化的物理量转化为正弦频率信号，经过混频、滤波、整形后输出FBAR质量传感器加载微小质量后的频率变化，仿真的相对误差为1×10-6。. 通过本项目的执行，发表了相关论文8篇，其中SCI收录6篇，申请国家发明专利2项，实用新型专利1项，培养博士研究生1人，硕士研究生4人。