纳米传感器课件

1、纳米科学与健康孙卫东微纳生物传感器微电极（阵列）生物传感器超微电极有时又简称微电极，通常是指其一维尺寸小于100m ，或者小于扩散层厚度的电极。微电极的种类很多：按其材料不同，可分为铂、金、汞 微电极和碳纤维微电极等等；按其形状不同，可分为微盘电极、微环电极、微球电极和组合式微电极。组合式微电极是由众多的微电极组合而成，具有微电极的特征，总的电流又比较大。（3）微电极上的稳态电流密度与电极尺寸成反比，而充电电流密度与其无关，这有助于降低充电 电流的干扰，提高测定灵敏度；（4）微电极几乎是无损伤 测试，可以应用于生物活体及单细胞分析。微电极的基本电化学性质归纳起来主要有以下几个方面：1.容易达到

2、稳态电流2.微电极的时间常数很小3.适用高阻抗溶液体系介绍一种超微碳纤维圆盘电极的制备则结合了熔焊、胶粘和刻蚀三种技术。常把超微碳纤维与铜丝焊接,用环氧树脂粘合剂封入玻璃毛细管，露出电极尖端，在煤气灯下将毛细管尖端烧融使碳纤维密封于毛细管内，将碳纤维在煤气灯上继续进行火焰蚀刻，制得图1所示的超微碳纤维圆盘电极。微电极的制作微电极的制作微电极在生物传感器中应用上图介绍的微电极阵列集成生物传感器 ,是一种具有纳米涂层的用于医学诊断的生物芯片 ,可同时对血糖样品进行多个参数高效 、快捷的检测 。Wu等将Pt纳米粒子修饰到超微碳纤维电极(Pt/CFUME)表面，再以辣根过氧化酶(HRP)为酶底，研制了

3、对安培检测H2O2具有较好电催化还原响应的生物传感器，对H2O2检出限为0.35mol/L(S/N=3)。Zhu等通过电聚合制备了基于多层叉指型超微阵列电极的吡咯-葡萄糖氧化酶(PPy /GOx)生物传感器,灵敏度达13.4nA /(mmol /L)。利用细胞培养技术，将嗅球神经元与微电极阵列(MEA)芯片耦合，构建一种细胞网络传感器，用于对多点的嗅球神经元电活动进行同步观察与分析采用微机械加工技术，在硅基底上设计了直径为2050 m的20通道金微电极阵列(micro-electrode array，MEA)，用以构建能实时、连续、定量跟踪哺乳动物细胞形态和增殖分化改变的细胞阻抗测试传感器(e

4、lectric cell-substrate impedance sensing，ECIS)，用于细胞与电极间的阻抗测试研究。微悬臂（阵列）生物传感器在微悬臂梁为中心的传感系统中，微悬臂梁的工作模态分为弯曲模态和扭转模态两 种，而按照工作模式可以分为静态和动态模式两种。静态模式也叫形变模式，在这种模式 下，由于温度、湿度以及敏感层吸附作用等的影响，微悬臂梁受到表面应力的作用产生弯曲，其弯曲程度便可以反映出被测对象的特点。通过Stoneys方程可在悬臂弯曲的幅度与表面应力差之间建立联系。式中：z是微悬臂梁自由端的位移为表面应力差，f和t分别是微悬臂梁的长度和厚度，而E和分别是微悬臂梁制造材料的杨

5、氏模量和泊松比。在动态模式下，表面吸附的物质改变了微悬臂梁的质量，引起微悬臂梁共振频率减小，通过测量频率变化值可获知吸附物的质量。式中： m为微悬臂梁质量变化，k为悬臂弹性常数,f0和fm分别为吸附物质前后微悬臂梁的振动频率。细胞检测蛋白质检测DNA检测小分子和药物检测有毒气体检测有机挥发气体检测易燃易爆气体检测微悬臂生物传感器还可用于以下方面：压电纳米生物传感器利用压电生物传感器对表面电极区附着质量的敏感性，并结合生物功能分子（如抗体和抗原）之间的选择特异性，使压电晶体表面产生微小的压力变化，引起其振动频率改变可以制成压电生物传感器。他主要由压电晶体、振荡电路、差频电路、频率计数器及计算机等

6、部分组成。常用的压电材料：石英（SIO2）、钽酸锂（LiTaO3）晶体振动两种类型：体声波（bulk acoustic wave, BAW）、表面声波(Surface acoustic wave , SAW)1880 年，Jacques Curie 和 Pierre Curie 首先发现压电现象。 晶体压电理论首先是由雅克居里 和 皮 埃 尔居 里 于 1880 年 提 出 的 ，1959 Sauerbrey 提出了气相中晶体表面所载质量与谐振频移Sauerbrey 方程： 方程中：f 晶 体 吸 附 外 来 物 质 后 振 动 频的 变 化 （Hz）；k常数；f压电 晶 体 的 基 本 频率

7、 （MHz）；m被吸附物质的质量；A被吸附物所覆盖的面积。负号表示质量的增加导致频率的下降。将活性物质至于晶体表面测得f1，晶片置于气体或液体中，当生物活性物质与被测物质发生反应形成复合物后，再测晶片频率f2，计算 f。基因压 电 传 感 器 测 定 DNA 的 基 本 原 理 是 将 单 链DNA 探针固定到晶体表面, 当序列与之互补的待测DNA 在晶片上杂交形成双链 DNA 时, 晶体的质量增加和产生表面粘弹性变化, 根据传感器频率变化或网络分析加以测定。压电生物传感器对细胞微生物的研究据细胞在培养液中的状态可以把细胞分为悬浮细胞和贴壁细胞 贴壁细胞顾名思义就是在培养器皿的壁上生长, 细胞的分裂生长过程对应于器壁的质量增加过程, 故可以利用压电传感器的质量特性对细胞生长过程进行监测。生物芯片生物芯片指将大量探针分子固定于支持物上后与带荧光标记的DNA或其他样品分子（例如蛋白，因子或小分子）进行杂交，通过检测每个探针分子的杂交信号强度进而获取样品分子的数量和序列信息。生物芯片是指通过机器人自动打印或光导化学合成技术在硅片、玻璃、凝胶或尼龙膜上制造生物分子微阵列。核酸杂交技术 是基因芯片应用的基础。其原理是将一系列的