组成图示
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传感器类型
其他（微悬臂梁生物传感器）
检测对象
荧光标记兔抗小鼠IgG抗体（fluorescently labeled rabbit anti-mouse IgG antibodies），样品基质为0.5 mM MES/0.05% proclin300 EDC偶联缓冲液（pH 5.2）及纯化水微通道液相。
检测原理
微悬臂梁一面经SiO2/APTES/EDC功能化，荧光抗体通过酰胺键共价结合到表面。抗体结合增加悬臂梁有效质量，使动态共振频率下降；结合量随抗体浓度增加而增加，频率偏移增大。悬臂梁另一面暴露空气，微缝处弯月面分隔气液相，提高品质因子和振幅，降低流体阻尼。405 nm功率调制激光通过光热效应激发固定端，633 nm LDV检测自由端速度，锁相与PI反馈跟踪共振峰，输出频率偏移。表面张力与液压通过弯月面膜和封闭流体系统控制，避免干扰。无化学放大，主要依靠微悬臂梁高机械Q值与空气-液界面构型提升信噪比。
检测灵敏度
质量分辨率为10^-16 g；频率分辨率较液浸悬臂梁提高25倍；信噪比提高5.7倍；品质因子为15。
效应效果
该传感器在空气-液界面共振时品质因子为15，比完全浸没液体中（Q=10）提高50%，振幅提高62%，相位信噪比提高5.7倍，频率分辨率提高25倍，对应质量分辨率10^-16 g。微缝宽6 μm时性能最佳。KCl负对照未引起共振频率偏移，Tween20引起表面张力变化在57–71 mN m^-1范围内导致频率偏移小于0.27 kHz，相对质量负载可忽略。封闭流体系统可在流速变化下稳定共振频率达2小时。对20、40、80 mg/mL荧光抗体，共振频率分别下降4.0、5.0、5.2 kHz，结合分别在30、15、8 min内饱和，且与荧光强度动力学良好一致，验证了连续监测生物分子共价结合的能力。
传感器的构成
- 基底/换能器：SOI硅片（5 μm Si/1 μm SiO2/450 μm Si）经DRIE刻蚀形成80 μm×20 μm×5 μm微悬臂梁，作为机械共振质量换能器。
- 微通道/微缝：硅微通道（100 μm宽×400 μm高×10 mm长）及4/6/10 μm微缝，PDMS片覆盖并用PTFE管连接泵，形成空气-液弯月面与封闭流体回路。
- 表面改性层：面向微通道表面溅射约130 nm SiO2，提供亲水表面；再用5% APTES（5%纯化水/90%乙醇）处理引入氨基，用于生物偶联。
- 偶联层：EDC（1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide）在0.5 mM MES、0.05% proclin300、pH 5.2缓冲液中催化表面氨基与抗体羧基形成酰胺键，实现共价固定。
- 识别/功能化元件：荧光标记兔抗小鼠IgG抗体（Molecular Probes），以20、40、80 mg/mL浓度共价固定，用于验证生物分子结合。
- 信号标记物：荧光染料标记抗体，用于荧光显微镜强度对照；主传感信号为质量负载引起的共振频率偏移，无额外电化学标记。
- 读出模块：405 nm光热激光激发悬臂梁固定端，633 nm激光多普勒测速（LDV）检测自由端振动，配合锁相放大器、PI控制器与LabVIEW记录共振频率。
中文摘要
本文报道了一种在微通道空气-液体界面共振的高质量敏感微悬臂梁生物传感器。该传感器通过测量目标分子选择性捕获引起的共振频率偏移实现无标记检测；面向液体的一面进行功能化，另一面暴露于空气以提高品质因子。界面共振品质因子为15，比完全浸没液体中提高50%；采用功率调制激光的光热效应激发，并用激光多普勒测速法检测振动。由于该构型，信噪比比完全浸没状态提高5.7倍。悬臂梁周围微缝通过弯月面分隔空气与液体相。作者分析了包含弯月面膜的悬臂梁运动，并通过不同溶液考察表面张力影响，发现6 μm缝宽性能最佳。进一步测量了20、40、80 mg/mL抗体在悬臂梁表面的共价固定，共振频率偏移与荧光强度测得的结合动力学良好一致，验证了该传感器用于生物分子连续监测的可行性。
英文摘要
We have developed a highly mass-sensitive cantilever resonating at the interface of air and liquid. The cantilever is applicable as a biosensor by measuring its resonance frequency shift associated with the selective trapping of target molecules. One surface of the cantilever facing to the liquid is functionalized for label-free detection, while the opposite side is exposed to air to improve the resonance characteristics, such as the quality factor. The quality factor at resonance is 15, which is 50% higher than the same cantilever in liquid. The beam was excited through the photothermal effect of a power modulated laser and detected by laser Doppler velocimetry. Due to the proposed configuration, the signal-to-noise-ratio is 5.7 times larger than the completely submerged case. A micro-slit around the cantilever separates the air and liquid phases at a meniscus. We analyzed the cantilever motion including the meniscus membrane, and examined the effect of surface tension by applying various solutions. A slit width of 6 μm was found to give the best performance within the few prototypes. We measured the covalent immobilization of antibody molecules on a cantilever surface for three different concentrations: 20, 40, and 80 μg ml(-1). The kinetics measured by both resonance frequency shift of the cantilever and fluorescent intensity showed good agreement.