微懸臂梁生化傳感技術(shù)是從原子力顯微鏡技術(shù)中衍生出的新型分析手段。它綜合了微機電系統(tǒng)(MEMS)、力學(xué)、生物和化學(xué)等多個學(xué)科,利用微懸臂梁這種最簡單的MEMS元件,通過檢測微懸臂梁的共振頻率或偏轉(zhuǎn),實時檢測微懸臂梁表面特異性的生化反應(yīng),具有高靈敏度、無需標(biāo)記、實時檢測等優(yōu)點。微懸臂梁陣列包含多根微懸臂梁,使用微懸臂梁陣列進行的生化傳感實驗具有高通量等優(yōu)點,并且可以消除由于環(huán)境因素所引起的微懸臂梁信號的漂移和噪音。基于微懸臂梁陣列的檢測技術(shù)在生化傳感領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。本文基于本課題組現(xiàn)有的微懸臂梁陣列傳感平臺,分別利用抗體和適配體作為探針分子,對癌癥標(biāo)記物和食品安全領(lǐng)域的有毒物質(zhì)開展了多項生化傳感檢測研究。本文的主要工作如下:在光纖陣列傳感系統(tǒng)上,分別檢測了不同體積分?jǐn)?shù)的甲醇、乙醇和丙酮進入反應(yīng)池時對系統(tǒng)造成的影響;檢測了動態(tài)模式下甘油對微懸臂梁共振頻率變化造成的誤差。利用光纖陣列傳感平臺,檢測了不同濃度的Hg2+,濃度范圍從5 ng/mL至100 ng/mL,結(jié)果具有良好的一致性,并且展現(xiàn)了定量檢測Hg2+的能力。初步研究了如何直接驗證適配體在微懸臂梁表面的修飾效果。將帶有熒光標(biāo)記的適配體修飾在微懸臂梁表面,利用熒光顯微鏡進行觀測。目前的結(jié)果表明微懸臂梁表面的熒光效果不理想,而基底上可以看到分布的熒光存在。提出在后續(xù)實驗中引入酶標(biāo)適配體,利用酶催化底物變色到可被檢測到的程度,驗證適配體在微懸臂梁上的修飾效果。使用抗體作為探針分子,分別在動態(tài)模式和靜態(tài)模式下,利用微懸臂梁陣列傳感平臺開展了對癌癥標(biāo)記物Her2的特異性檢測。利用硫醇自組裝的方法將Her2抗體修飾在微懸臂梁陣列表面。動態(tài)模式下,通過檢測微懸臂梁陣列共振頻率的漂移量,檢測了不同濃度的Her2溶液,最低檢測濃度為50 ng/mL,檢測結(jié)果展現(xiàn)了良好的一致性。利用光纖陣列傳感平臺,首次在靜態(tài)模式下,通過檢測微懸臂梁陣列的偏轉(zhuǎn)情況實現(xiàn)了對Her2抗原的實時檢測,最低檢測濃度為50 ng/mL。微懸臂梁表面修飾抗體的活性通過ELISA實驗得到驗證,而且兩種模式下的對比實驗都驗證了微懸臂梁陣列的響應(yīng)是由抗原抗體的特異性結(jié)合所引起的。利用核酸適配體作為探針分子,在光纖陣列傳感平臺上開展了針對有機磷農(nóng)藥丙溴磷和貝類毒素岡田軟海綿酸(OA)的生化檢測。設(shè)計了一種基于適配體的微懸臂梁陣列傳感器,可以在靜態(tài)模式下實現(xiàn)對丙溴磷的特異性實時檢測,具有無需標(biāo)記、高靈敏度和定量檢測等優(yōu)點,而且適配體5'端修飾有巰基,只需一步就可以修飾在微懸臂梁陣列的表面;適配體與丙溴磷在微懸臂梁表面的結(jié)合引起微懸臂梁的偏轉(zhuǎn),微懸臂梁陣列的平均偏轉(zhuǎn)值與丙溴磷的濃度成正比,檢測濃度范圍為5 ng/mL至1000 ng/mL,檢測極限為1.3 ng/mL;對比實驗驗證了該傳感器的特異性;另外,使用該傳感器實現(xiàn)了在蔬菜樣品液中對丙溴磷的檢測。使用適配體修飾的微懸臂梁陣列對不同濃度的貝類毒素OA進行了實時檢測,檢測取得了良好的一致性;微懸臂梁陣列的平均偏轉(zhuǎn)量與OA濃度呈正相關(guān),檢測濃度范圍為5 ng/mL至100 ng/mL。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TP212
【部分圖文】：

現(xiàn)實時的反應(yīng)和檢測。??微懸臂梁是最簡單的ＭＥＭＳ元件之一，它尺寸很小，非常敏感，并且可以??批量生產(chǎn)。圖１．２是幾種典型的微懸臂梁的照片。微懸臂梁最初是作為原子力顯??微鏡（ＡＦＭ）的探針使用的，原子力顯微鏡使用微懸臂梁前部的尖端接觸被測??物體，從而測量被測物體表面的微觀形貌、微系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)或者檢測分子間的作用??力。然而在原子力顯微鏡的研宄中發(fā)現(xiàn)，微懸臂梁對于環(huán)境因素的影響很敏感，??并且在微懸臂梁表面吸附化學(xué)分子也會導(dǎo)致其明顯的響應(yīng)，因此具有作為生化傳??感器潛質(zhì)。經(jīng)過發(fā)展，微懸臂梁生化傳感器已經(jīng)成為一種無需標(biāo)記、高靈敏度的??實時監(jiān)測手段，在傳感領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。當(dāng)微懸臂梁表面有微小的物理、??化學(xué)或者生物的反應(yīng)時，這種反應(yīng)產(chǎn)生的信號會引起微懸臂梁發(fā)生機械的偏轉(zhuǎn)信??號

１．２．１微懸臂梁傳感器的工作模式??微懸臂梁表面發(fā)生的物質(zhì)吸附和生化分子的結(jié)合都會導(dǎo)致微懸臂梁發(fā)生彎??曲變形或者引起其共振頻率的漂移，如圖１．３所示（Ｌａｎｇ?ｅｔａｌ．?２００５）。檢測微懸??臂梁彎曲變形的方法通常被稱作靜態(tài)模式，而檢測微懸臂梁共振頻率漂移的方法??通常被稱為動態(tài)模式。Ｆｒｉｔｚ?（２００８）指出還有另外一種模式，被稱作雙材料模式??或者熱模式（圖１．３ｃ）。此模式針對的是由雙層復(fù)合材料構(gòu)成的微懸臂梁，一般??是在微懸臂梁的基底表面覆蓋了一層金屬材料。這種微懸臂梁在遇到加熱等溫度??變化時，由于兩種材料的熱膨脹率不同，因此微懸臂梁會因此發(fā)生彎曲變形。通??過這種方法，可以使用特制的微懸臂梁檢測極小的溫度變化。當(dāng)微懸臂梁作為生??４??

在ＰＳＤ上的反射光也隨之偏轉(zhuǎn)，偏移量由ＰＳＤ檢測到并轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過放??大由數(shù)據(jù)采集卡采集進入計算機處理，從而達到實時監(jiān)測的目的。??微懸臂梁光杠桿讀出方法的示意圖見圖１．４。使用此方法檢測的微懸臂梁自??由端位移ＡＺ與激光的反射光在ＰＳＤ靶面的偏移量ＡＳ之間的關(guān)系如下：??ＡＺ?＝?＾??４Ｌ??公式中１為微懸臂梁的長度，Ｌ是激光在微懸臂梁尖端光的光臂長度。通過??公式可以看出，光斑的偏移量與微懸臂梁的位移成正比。通過光杠桿的方法，原??本很難直接測量的微懸臂梁納米量級的位移被放大，轉(zhuǎn)化為微米量級的光斑的偏??移量，從而達到了很高的測量精度。光杠桿方法原理簡單，檢測靈敏度高，可以??在各種環(huán)境下使用。??光電位置敏??Ｌａｓｅｒ徼光?（ｐｓｄ）??＼?＾??．微懸臂梁?＼?／?／??Ｍｉｃｒｏｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ?＼?：?／??Ｉ???圖１．４光杠桿讀出方法的示意圖??１．２．２．２壓電法??壓電法是將壓電材料與微懸臂梁結(jié)合產(chǎn)生的檢測方法。最初的壓電方法??（Ｐａｒｋ?ｅｔａｌ．?１９９８）是將薄層的壓電材料涂在微懸臂梁的表面，當(dāng)微懸臂梁發(fā)生??彎曲偏轉(zhuǎn)時，表面會產(chǎn)生瞬時的電荷。近年來，使用壓電材料作為激勵來源的微??懸臂梁傳感器得到了發(fā)展。Ｈｗａｎｇ?（２００４；?２００５）將壓電換能器（Ｐｉｅｚｏ－ｅｌｅｃｔｒｉｃ??Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ，ＰＺＴ）直接制作在微懸臂梁中，通過電路控制其激勵微懸臂梁發(fā)生??振動
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本文編號：2889551