应力型微悬臂梁生化传感器响应机理研究进展*

杨天天

（1.江南大学，江苏 无锡 214122;2.中国科学院上海微系统与信息技术研究所传感技术联合国家重点实验室，上海 200050）

0 引言

微纳机电悬臂梁生化传感器是自20世纪90年代后期逐渐兴起的新型痕量检测技术，它通过微纳悬臂梁将吸附或结合产生的质量、温度、热、磁和力等变量转换为nm级的机械响应，这种响应通常具有超高灵敏度，尤其适合现场痕量快速检测的需求。同时，该类传感器还具有价格低廉、可实现微型化和批量生产、响应时间短、易阵列化和系统集成等优点，在生化传感技术领域显示了独特的优势，例如:已见报道的应用，对于生物分子如 DNA［1］，RNA［2］，蛋白质［3］的检测，以及在化学检测方面对于挥发性有机化合物［4］、爆炸物［5］和水银蒸气的检测［6］等。

在这样的背景下，研究和开发基于微纳机电悬臂梁的生化传感器是一项既充满挑战又十分迫切的任务。与此同时，利用微机电悬臂梁采用不同的敏感层来实现不同生化物质的特异性检测只是研究者针对解决个性问题的应用结果，对于生化敏感作用在悬臂梁微结构上的信息转换机制并无定论。近年来，随着微悬臂梁生化传感器的大力发展，相应的基础工作机理研究受到日益重视。

1 应力型微悬臂梁生化传感器的工作原理

应力型微悬臂梁生化传感器是通过在悬臂梁的一个表面固定一层具有特异性识别能力的敏感材料，被测化学气体或生物分子经扩散被生化敏感层吸附或结合后，导致悬臂梁表面应力发生变化，造成悬臂梁的弯曲，再通过电（或光）学信号记录下来。此类微悬臂梁传感器由于具有结构简单、制作容易、灵敏度高、可在线检测、容易在溶液中使用等优点，在生化检测领域获得了广泛的应用。

对于应力型微悬臂梁生化传感器来说，目标分子在悬臂梁表面的吸附可以分为物理吸附和化学吸附，物理吸附和化学吸附都能在悬臂梁的表面产生表面应力。物理吸附是通过范德瓦耳斯力的作用产生的，它的结合能一般较小，选择性差;化学吸附是由于目标分子和敏感层产生化学键结合而实现的，它的结合能通常较大。通常化学吸附产生的表面应力要强于物理吸附，且具有较强的选择性。因此，传感器的敏感层主要是通过化学吸附或结合来实现对目标分子的特异性检测。

在洁净表面上，吸附导致表面应力的变化是由于吸附过程引起表面原子和内部原子的结构重组，进而引起的表面重构和表面驰豫现象。本质上，吸附导致的表面应力变化可以归结于和吸附过程相关的表面吉布斯自由能γ的变化。根据Shuttleworth方程，表面应力σ的变化可表示为

其中，∂ε为表面积的相对变化。对于在悬臂梁表面的吸附，式（1）中的第二项通常都很小，因而，表面应力的变化可近似等于表面自由能的变化。当表面吸附或结合引起表面张力发生变化后，悬臂梁的表面会产生相应的应力（压应力或张应力），从而使悬臂梁的敏感表面面积有增加或缩小的趋势。这种应力如果没有大小相等方向相反的力来补偿，就将导致悬臂梁的弯曲。由表面应力变化导致悬臂梁弯曲后的曲率半径R可以由Stoney公式给出

其中，σ为表面应力，ν为泊松比，E为杨氏模量，t为微悬臂梁的厚度。

2 微悬臂梁生化传感器的响应机制研究现状与进展

静态微悬臂梁生化传感器的特异性和敏感性都是通过敏感层与目标分子的相互作用来实现的。由于表面应力的产生牵涉到复杂的分子相互作用，研究者对表面应力产生的机制的理解仍停留在初级阶段。国内外研究者提出了几种可能的由特异性生化反应产生的表面应力变化的作用机制，如静电力（偶极作用）［7］、范德华力［8］、构型熵［9］以及表面电荷重构［10］等，并提出了一些相应的初步模型［8，11，12］和一种将特异性吸附过程划分为纵向界面上以及横向分子间进行分别讨论的方法［13］，为应力型生化悬臂梁传感器的响应机制问题的解决打下了良好的基础。

2.1 响应机制的简化模型

在响应机制的研究中，为了简化问题，假设悬臂梁的敏感层表面是均一的，吸附质在悬臂梁敏感层表面的吸附从统计学角度也是均一的，2个吸附质之间的距离为r，如图1所示。同样，假设悬臂梁表面的一级吸附是导致悬臂梁表面应力变化的主要原因，二级及以上的吸附只起次要作用。

图1 悬臂梁表面分子吸附示意图Fig 1 Schematic diagram of molecules adsorption on cantilever surface

由于化学吸附而导致的表面应力变化从微观角度可以做如下理解:基底的表面层（本征表面层或者修饰的敏感层）处在一个表面应力为σ0的平衡态，σ0取决于基底表面层的初始状态和环境中吸附在基底表面层上的分子（气/固界面为空气分子，液/固界面为溶剂分子）。吸附分子将取代之前非特异性吸附在基底表面层上的分子，改变表面层状态。表面应力也会发生相应变化，以达到新界面的平衡。吸附过程可以看做2个步骤:吸附质与表面层分子的特异性结合;横向作用引起的表面重构。表面分子的特异性吸附，将从界面作用（纵向）和表面分子的分子间作用（横向）2个方面对表面应力产生影响，即

其中，Δσ为吸附导致的表面应力变化，θ为吸附质的表面覆盖度，下标ν和i为纵向和横向分量。

2.2 纵向作用对表面应力的影响

纵向作用发生于生化分子与悬臂梁表面的吸附界面，包含了与吸附质结合的化学/生化过程。在纵向界面上，产生表面应力的一个重要来源是表面自由能的降低。生化吸附是一个自发过程，通常这一过程总是倾向于降低表面自由能，使得表面张力减小，从而导致悬臂梁的弯曲。值得注意的是，自发吸附通常不会产生表面应力，相反会使得表面应力减小。因此，在大多数情况下悬臂梁的一个表面吸附或结合目标分子后会导致表面应力释放，使得悬臂梁朝其背面方向弯曲，这就等效于在吸附表面产生了压应力。如图2所示，化学吸附导致界面能降低，从而引起表面压应力，造成悬臂梁弯曲。相对较高的初始界面能将为生化检测过程提供较高的能量下降空间，从而产生更大的表面应力，这为优化静态微悬臂梁生化传感器的敏感层设计，提高检测性能提供了一种有效的方法。

除了界面能之外，由于目标分子与悬臂梁敏感层表面特异性结合而导致的电荷重分布也是引起表面应力变化的一个重要方面［14］。Godin M等人用特异性结合而导致的电荷重分布对不同链长巯基化合物的在金表面的吸附所产生的应力与链长相关性不大进行了解释［10］。文献报道中指出，特异性吸附所导致的悬臂梁表面层原子的电子结构重分布将改变表面自由能，从而引起表面应力的较大改变。

图2 界面能变化导致的表面应力变化示意图Fig 2 Diagram of the interfacial energy change induced surface stress

在纵向界面上，敏感层与目标分子特异性吸附反应的强度一直被认为是优化静态微悬臂梁生化传感器的关键。对于超痕量检测来说，特异性吸附所产生的表面应力大小与吸附质表面覆盖度的大小有很大的关系，这种情况下，增加敏感层与目标分子的特异性吸附反应强度是优化静态微悬臂梁生化传感器的有效途径，尤其是在吸附质表面覆盖度低至可忽略分子间相互作用时，这种增加特异性吸附反应强度带来的传感器性能优化更为显著。当表面覆盖度θ ＜0.2 ML时，表面应力与其近似呈线性关系［14，15］。在静态微悬臂梁生化传感器对爆炸物TNT和沙林模拟剂DMMP进行痕量检测的研究中，对吸附质浓度与相应强度之间关系分析表明:吸附质在微悬臂梁表面吸附引起的相应与朗谬等温吸附模型符合良好［4，16，17］。尽管敏感层与目标分子特异性吸附反应的强度在很大程度上决定了表面覆盖度，特异性吸附的反应强度与悬臂梁表面产生的应力并无绝对关系。例如:对于同一吸附质，使用类似结构的敏感层对其进行检测（即特异性吸附反应强度相近似）时，悬臂梁表面可产生相反方向的表面应力［5，16，18］。使用同一敏感层特异性吸附反应强度递增的一组胺类同系物作为目标检测物进行实验并未获得递增的表面应力响应，表面应力响应反而依次递减［13］。这些研究结果说明:界面上纵向作用并不是影响悬臂梁表面应力产生的唯一因素，在有其他因素作用时，特异性反应的强度往往不能作为所产生表面应力大小的主要考量依据。

2.3 横向作用对表面应力的影响

在应力响应过程中，当目标分子吸附于表面时，邻近的分子间将产生各种相互作用（包括空间体位、范德华力、静电力、氢键等）以达到能量最低的平衡状态，从而对表面应力造成影响。

2.3.1 空间体位作用

空间体位作用是可以显著影响特异性吸附所产生的表面应力的一个重要因素，在某些情况中将决定所产生表面应力的方向。据报道，单链DNA（SsDNA）杂交所导致的构型熵的变化可用于控制静态微悬臂梁弯曲的方向（即可决定产生的表面应力为压应力或张应力）［9］。TNT分子在相近结构的敏感层上也可以产生方向相反的表面应力［5，16，18］。当使用同一敏感层检测不同的分子时，由于吸附质分子尺寸上的巨大差别，也可以导致相反方向的表面应力变化［5，16，18］。值得指出的是:体位作用的影响往往是和活性作用位点的密度和表面覆盖度θ密切相关的，在目标分子被吸附到敏感层时，其相邻间距r由敏感层的二维几何结构和θ共同决定。

2.3.2 范德华力作用

范德华力在前人的文献中作为解释特异性吸附导致的悬臂梁弯曲的机理已得到了讨论和证实［9］。根据文献［8］中的简化、计算，由于范德华力而导致的表面应力变化可以表达为

其中，Q为表面应力引起悬臂梁弯曲前的数密度（number per width）。

总之，作为一个分子间的短程作用力，与其他引起表面应力变化的因素相比，范德华力对总体表面应力变化的贡献不是很大。以烷烃巯基化合物在金表面的自组装为例，烷基链之间的范德华力总的来说对产生的表面应力贡献不大，但它将导致烷基链自组装层的产生一个与法线方向的倾斜角［10］。

2.3.3 静电力作用

静电力作用也被提出作为一种解释特异性吸附导致的悬臂梁弯曲的可能的机理，尤其是解释在所考虑的系统中存在有带电荷离子或电子转移过程的情况。根据文献［8］中的简化、计算

其中，q为所带电荷电量，ε0为自由介电常数。

在大多数系统中不存在带电荷离子的情况下，静电力作用可以被考虑为偶极子之间通过静电场的相互作用，此时，静电作用对最终产生的表面应力影响不大。但在吸附质为阳离子/阴离子的情况下，静电作用对表面应力变化产生非常重要的影响。Sushko M L等人研究了相邻羧酸根离子（—COO-）之间的静电排斥作用所产生的表面压应力［19］。在使用羧酸根阴离子对铵根阳离子进行检测的实验中，得到的结果为表面张应力［20］。

2.3.4 氢键作用

氢键是一种较强的分子间力，在许多化学/生化作用中都起着非常大的作用。氢键的作用强度远大于范德华力，比共价键和离子键稍弱，属于次级键的一种，键能在42 kJ/mol以内。在生化传感器的应用中，氢键作用已被利用于作为敏感层与被吸附之间的特异性反应，许多微悬臂梁生化传感器的敏感层都是依靠氢键作用来捕获目标分子的。在使用以羧基为尾端基团的敏感层对一系列的胺类化合物进行了检测进行分子键氢键研究的结果表明［13］:横向作用中的分子间氢键可对静态应力型微悬臂梁生化传感器的响应产生较大影响，有无分子间氢键形成甚至可导致高达1个数量级的表面应力变化差别。横向上的分子间氢键作用可以被利用于产生更大的表面应力，为静态应力型微悬臂梁生化传感器的发展提出了新的机遇和挑战［21］。

3 结论

应力型微悬臂梁生化传感器的响应机理可以从纵向界面上和横向分子间2个方面进行分析:纵向界面上，界面能的变化是导致表面应力变化的重要原因;在界面上特异性吸附的反应强度决定了特异性吸附的表面覆盖度，对于表面覆盖度很低的情况来说，表面覆盖度与表面应力变化之间近似呈正比;在表面覆盖度较高的情况下，特异性吸附的反应强度与表面应力变化的大小无单调联系。横向分子间的作用研究表明，范德华力和静电力对表面应力的产生一般情况下不起主要作用;位阻作用的影响可导致信号方向相反的表面应力，分子间的氢键作用是引起表面应力变化一个重要的产生效应。

与日益受到研究者重视的微悬臂梁传感器在生化检测方面的应用相比，对生化敏感作用在悬臂梁微结构上的信息转换机理研究稍显滞后。认识和理解生化作用在悬臂梁表面产生应力的机制对于微悬臂梁生化传感器来说至关重要，是进一步优化传感器结构的设计和构筑生化敏感层的理论基础，推动此类传感器逐步成熟并走向实用化。从生化检测应用走向半定量甚至定量的响应机制的建立，未来的相关工作应从偏重应用的个例检测走向理论分析模拟与系列检测实验的结合，可将分子识别过程从微观角度进行量子化学模拟，对表面应力从界面化学进行分析，同时结合传感器特异性检测结果，达到微观与宏观的统一。

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