组成图示
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传感器类型
其他（压电膜生物传感器）
检测对象
抗山羊免疫球蛋白G（anti-goat IgG）、抗HBsAg（anti-HBsAg）；样品基质：PBS/TBS缓冲液孵育后气相测量
检测原理
该传感器以微加工PZT方形膜作为压电质量换能器。膜背面SiO2表面溅射Au层，山羊IgG或HBsAg通过硫醇-Au作用固定为识别元件，Casein封闭裸露Au表面。加入抗山羊IgG或抗HBsAg后，目标抗体与固定探针特异性结合，使膜面质量增加。根据压电膜共振频率与面质量成反比的关系，质量负载导致共振频率下降；阻抗分析仪测量频率变化Δf，利用Δf∝Δm和约6.25 Hz/ng的质量灵敏度可计算捕获抗体质量。实验采用较高浓度目标抗体使结合位点趋于饱和，因此频率变化与固定探针浓度呈近线性，实现无标记质量传感。
检测灵敏度
线性范围: 25–200 μg/ml（山羊IgG固定浓度）；灵敏度: 6.25 Hz/ng；频率变化: 100 to 700 Hz；固定山羊IgG对应频率偏移: 150 Hz, 258 Hz, 530 Hz, 1100 Hz；捕获抗山羊IgG质量: 16.1 ng, 52.3 ng, 78.2 ng, 108 ng；参考传感器洗涤变化: <50 Hz
效应效果
该阵列由7个500 μm×500 μm传感器组成，反应腔相互隔离，可避免不同生物材料交叉干扰。完整免疫检测流程少于2 h，明显短于文献中7–12 h。参考传感器在洗涤过程中频率变化小于50 Hz，表明非特异性吸附不显著；封闭剂计算质量远小于加入量，说明大部分表面被山羊IgG占据，最终频率变化主要来自捕获抗体。四个传感器在25–200 μg/ml山羊IgG固定浓度下捕获质量分别为16.1、52.3、78.2和108 ng，阵列一致性较好。测量频率位于80–150 kHz，设备成本较低。作者认为该器件可用于一次性生物芯片，实现快速、低成本医疗诊断或食品质量监测。
传感器的构成
- 基底/支撑层：4英寸双面抛光硅片与1.8 μm热氧化SiO2，背面KOH刻蚀形成反应腔，提供机械支撑与隔离腔体
- 压电换能层：约3.5 μm厚PZT（Pb(Zr0.52Ti0.48)O3）厚膜，作为方形压电膜，质量负载引起共振频率变化
- 下电极：Ti(20 nm)/Pt(200 nm)溅射图案化层，作为压电膜底部电极
- 绝缘层：聚酰亚胺旋涂、图案化并固化，降低图案化电极布线引起的寄生电容
- 上电极：Ti(20 nm)/Pt(200 nm)溅射图案化层，作为压电膜顶部电极
- 固定表面：SiO2表面溅射约50 nm Au，便于生物分子通过硫醇-Au作用固定
- 识别元件：山羊IgG（25–200 μg/ml）和HBsAg（20 μg/ml）固定于Au表面，分别捕获抗山羊IgG和抗HBsAg
- 封闭剂：Blocker Casein in TBS（1 mg/ml），封闭裸露Au表面以减少非特异性吸附
中文摘要
本文报道了一种用于免疫分析的微加工压电膜生物传感器阵列。山羊免疫球蛋白G（IgG）和乙型肝炎表面抗原（HBsAg）作为探针分子被固定在尺寸为3.5 μm×500 μm×500 μm的方形压电膜上。由于该类传感器具有质量敏感特性，当抗山羊IgG或抗HBsAg分别被山羊IgG或HBsAg捕获后，传感器膜的共振频率发生下降。作者采用阻抗分析仪测量传感器共振频率，实验结果表明频率变化范围为100至700 Hz，器件质量灵敏度约为6.25 Hz/ng。在25至200 μg/ml山羊IgG固定浓度范围内，捕获抗山羊IgG后的频率变化与山羊IgG浓度呈近线性关系，并据此计算了附着抗山羊IgG的质量。初步结果表明，该微加工压电膜生物传感器阵列具有作为免疫传感器用于快速、低成本生物检测的应用潜力。
英文摘要
This paper reports a micro-machined piezoelectric membrane-based biosensor array for immunoassay. Goat immunoglobulin G (IgG) and HBsAg were immobilized as the probe molecules on the square piezoelectric membranes of the sensors that have dimensions of 3.5 microm x 500 microm x 500 microm. Due to the mass sensitive nature of these sensors, their resonant frequencies were depressed after the anti-goat IgG or anti-HBsAg was captured by the goat IgG or HBsAg. The resonant frequencies of the sensors were measured by an impedance analyzer. The experimental results demonstrate that the measured frequency change varies from 100 to 700 Hz, and the mass sensitivity of the device is estimated to be about 6.25 Hz/ng. A near linear relationship between the frequency change and the concentration of goat IgG was obtained, and the mass of the attached anti-goat IgG was calculated. The preliminary results discussed in this work indicate that the micro-machined piezoelectric membrane-based biosensor has a potential application as an immunosensor.