基于功能化介孔材料的谐振式微悬臂梁液体传感器在铅离子检测上的应用研究

根据国家《重金属污染综合防治"十二五"规划》的要求，面向痕量铅离子检测在生活用水、灌溉用水以及工业废水等水质监测上的迫切需求，针对现有商业化铅离子传感器在灵敏度、使用寿命、价格、操作复杂度等方面存在的不足，研究使用微悬臂梁结合功能化介孔材料构建高性能铅离子传感器的途径。通过研究敏感基团与铅离子在液相环境下的特征作用机制，探索介孔材料的亲/疏水性、纳米孔道结构、比表面积以及孔道的有序性等物理特征对铅离子吸附行为的影响，建立功能化介孔材料对铅离子吸附的热力学和动力学模型。针对传统谐振式悬臂梁在液相环境下阻尼大、灵敏度低的科学技术问题，研究谐振式悬臂梁传感器的阻尼机制和优化激励方法，优化设计平面内振动的谐振式微悬臂梁，实现液相下的高Q值、高灵敏度检测。最终通过集成制造形成便携式痕量铅离子传感器样机，为开拓我国新型生化检测仪器提供关键的基础理论与技术。

本项目主要研究了一种新型的平面内谐振高Q值微悬臂梁传感器的设计、制造、测试及其在液相生化检测上的应用。传统的平面外模态谐振式微悬臂梁在液体中工作时，因为振动方向决定了其会受到较大的压膜阻尼作用，所以振动能量损失很大，Q值和质量灵敏度都较差。本项目详细研究和总结了谐振式微悬臂梁在粘滞流体中的阻尼作用理论，并根据理论设计了一种新型的平面内谐振微悬臂梁传感器，其可以有效降低在液体中振动时的能量损失，从而提高Q值和质量灵敏度。通过数值仿真和理论计算，将平面外谐振微悬臂梁和所设计的平面内谐振微悬臂梁进行比较，证明了设计的结构在液体中谐振的可行性和有效性。.本项目利用微机械加工工艺，制造出该谐振式微悬臂梁，并对其进行了测试。通过接入实验室自制的锁相环（PLL）接口电路，该传感器的闭环Q值在空气中可达6921，在水中也高达249。通过在悬臂梁敏感区域表面固定生物素，传感器对磷酸缓冲盐（PBS）溶液中的链亲和素标记的磁珠进行了在线检测，其液相检测质量灵敏度达到−8.8Hz/pg，利用艾伦方差法计算得出其质量分辨率可达14pg。另外，通过在该传感器上固定单克隆抗体，实现了传感器在PBS溶液中对浓度为2000 CFU/mL的大肠杆菌的实时检测。通过将亚氨基乙酸功能化介孔敏感材料固定到到传感器上，传感器实现了在去离子水中对浓度为50μg/L的铅离子的实时检测，其检测分辨率优于10μg/L，并且对水中常见的其他离子的交叉敏感反应比对铅离子的检测灵敏度低一个量级以上。.本项目共发表SCI论文6篇（影响因子均大于5），国际会议论文7篇，申请国家发明专利6项。