基于薄膜体声波谐振器的免疫球蛋白传感器制备*

杨翰林，陈 达，刘一剑，沈 勇，张亚非

(1.上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海200240;2.山东科技大学 电子通信与物理学院，山东 青岛266590)

0 引 言

免疫球蛋白(immune globulin，IG)是具有抗体活性或化学结构上与抗体相似的球蛋白，在人类免疫应答中起关键作用。检测血清中免疫球蛋白的含量对于疾病的诊断、指导治疗及预后评价有重要临床意义。目前广泛使用的压电石英晶体免疫传感器是以石英晶体为换能器，抗体或抗原分子为免疫识别元件的一种新型免疫传感器检测技术［1］。由于石英晶体振荡频率较低，限制了其灵敏度的进一步提高。最近，薄膜体声波谐振器(FBAR)由于其高灵敏度特性在质量传感器领域的应用和研究被广泛关注［2］。

FBAR 是一种基于体声波(BAW)的压电谐振器件，它利用压电薄膜的逆压电效应将电信号转换成薄膜振动的声波信号从而产生谐振。典型的基于FBAR 的质量传感器是一个集成在Si 衬底上的FBAR 器件和一个附着于顶层电极上敏感层构成，当待测物与敏感层物质吸附结合后，FBAR 振荡器的谐振频率就随之发生改变，利用外围电路可以检测出频率改变量，通过Sauerbrey 方程［3］便可得出待测质量。这种器件结构简单，谐振频率达到2～10 GHz，最小质量变化探测范围约10 ng/cm2，远远小于现在广泛使用的石英晶体微天平(QCM)好几个数量级［4］。关于其质量传感的应用报道主要集中在相对湿度传感［5］、重量分析［6］和生物检测［7］等。

本文成功制备AlN 为压电薄膜的FBAR 器件，利用自组装膜法进行活性单元固定，对器件性能和免疫球蛋白传感器进行了测量和分析。

1 实 验

1.1 FBAR 器件制备

FBAR 器件是由AlN 压电薄膜和全金属布拉格反射层(Ti/W 三层交替)构成。金属布拉格反射层作为底电极，溅射金薄膜层作为顶电极，之后在金电极上进行生物固定，作为敏感吸附反应区域。利用四靶磁控溅射装置，按照之前的研究［8］和表1 中的溅射条件，AlN 薄膜在5×10－4Pa的本体真空下溅射在Ti/W/Si 衬底上。AlN 薄膜厚度在1.6 μm左右，并溅射250 nm 厚的金在AlN 薄膜上。

表1 固体状配型FBAR 各层溅射参数Tab 1 FBAR sputtering parameters of each layer

器件薄膜的剖面结构图和金电极俯视图通过发射电镜(FESEM，Carl Aeiss Ultra55)获得，如图1 所示。

图1 FBAR 器件的扫描电镜图Fig 1 SEM pictures of FBAR device

1.2 生物传感器制备和测试

将制备好的FBAR 器件依次放入丙酮、乙醇和去离子水中分别超声清洗3 min，取出后用氮气吹干。用氧等离子体处理2 min，清洁金电极表面后测量器件的谐振频率，记为f0。

将FBAR 器件置于1 mmol/L 的11—巯基十一烷基酸(11—MUA)乙醇溶液中，室温下静置24 h，清洗吹干后完成金表面的烷基化过程;再将器件浸入到0.2 mol/L 的l—乙基—3—(3—二甲基氨基丙基)碳二亚胺(EDC)和N—羟基琥珀酰亚胺(NHS)混合溶液中，溶剂为磷酸缓冲液PBS(pH=7.2，0.01 mol/L)溶液，室温下静置1 h 后取出清洗吹干。由此形成自组装分子膜和与抗体反应的基团。

接着在器件的金电极敏感区域滴加0.5 μL(0.5 g/L)的人IgG 溶液，37 ℃恒温孵育2 h，取出用PBS 溶液清洗和去离子水清洗并干燥，完成抗体的固定;再在表面滴加0.5 μL(10 g/L)的牛血清蛋白(BSA)溶液，37 ℃恒温孵育2 h，封闭敏感区未封闭的特异性结合点。清洗干燥后，基于FBAR 的生物传感器便制备完成，测量此时的器件谐振频率记为f1。全过程如图2 所示［9］。

测试实验时，在FBAR 生物传感器的敏感区滴加0.5 μL(0.5 g/L)的羊抗人IgG 溶液，37 ℃恒温孵育2 h 使抗原和器件表面抗体充分结合。荧光标记用来观察比照抗体是否固定。在用PBS 溶液和去离子水清洗、干燥后，记录生物传感器的频率为f2。

图2 生物传感器的制备和测试示意图Fig 2 Fabrication and test of biosensor

2 结果与讨论

将器件置于微波探针台之上，利用GSG 微波探针和网络示波器(Agilent 8714ET)测量FBAR 器件的回波损耗(S11)和史密斯图。如图3 所示，图3(a)为器件未吸附任何物质在1.8～2.2 GHz 间的回波损耗(S11)，在2.047 GHz谐振频率的损耗值达到－32 dB，图3(b)展现了在2.0 GHz左右的明显的谐振现象。

图3 FBAR 器件性能指标图Fig 3 Performance index of FBAR device

通过文献［10］的Q 值计算如式(1)可得到Q 值

其中，∠Z 为阻抗的相位，fs和fp分别为串联和并联谐振频率。得到Q 值为846，与之前的研究文献［11］中制备的工作在谐振频率1.6 GHz 左右，Q 值为579 的FBAR 对比，谐振频率和Q 值有了明显的提高。

在进行生物修饰固定和测试后，分别得到了在f0，f1，f2频率下的S11参数曲线。如图4(a)所示，随着制备的进行，谐振频率和幅度也发生相应变化。在未做任何处理前，FBAR 器件本征谐振频率f0为2.045 GHz。在固定抗体以后，频率f1变为1.962 GHz，经过抗体与抗原的结合反应后，频率f2继续变小为1.870 GHz。由于待检测抗原固定造成的频率变化为f2－f1，约为92 MHz。根据压电晶体的频率与质量之间的Sauerbrey 公式［3］

其中，Δm 为质量负载的改变，Δf 为质量改变所引起的频率变化，f 为压电晶体的工作频率，ρ 为压电晶体的密度，t为晶体厚度，A 为晶体电极的面积，负号表示质量的增加导致频率的下降。从图4 中可以看到频率符合这个变化趋势。由方程可以计算得到在0.04 mm2的敏感区域上附加的质量为11.34 ng。根据式(3)得到

传感器的灵敏度S 为3.38 kHz·cm2/ng。

图4 生物传感器频率变化示意图Fig 4 Diagram of frequency change of biosensor

3 结束语

本文制备了AlN 作为压电薄膜层的具有SMR 结构的FBAR 器件，利用自组装膜法进行生物固定并进行免疫传感测试。FBAR 器件由于其接近2 GHz 的高谐振频率和高达864 的Q 值，在测量人IgG 和羊抗人IgG 的特异性结合中表现出了优异的性能。反应快速，步骤简单，灵敏度极高，在生化探测领域具有很大应用潜力。

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