光纤分导微梁阵列生化传感装置研制及检测应用

材料梁的温升效应，每次温度变化均使各悬臂梁产生方向一致的偏转。提取当温度稳定时各悬臂梁的稳定偏转值，生成稳定偏转值与温度关系曲线图，并进行线性拟合如图3B所示，拟合系数均大于0.99，说明每个悬臂梁偏转与温度成线性关系，证明各悬臂梁结构均匀。表1列出了芯片所有悬臂梁对温度响应灵敏度k值，即为图3B中各拟合直线斜率，利用温度响应灵敏度平均值分别计算相对偏差Δ，其绝对值最大为5.0%，各悬臂梁的温度响应灵敏度值非常接近，一定程度说明各悬臂梁的结构和尺寸均匀一致，适合用于微悬臂梁阵列检测应用。

3.2 传感系统检测Hg2+

将研制的微悬臂梁阵列传感系统以及微悬臂梁阵列芯片用于检测水溶液中Hg2+。汞是一种重金属，是剧毒的环境污染物，对人和动物有毒害作用。水溶液中的Hg2+可以在金表面沉积，当Hg2+在悬臂梁的金层表面沉积时，会使悬臂梁表面应力发生变化从而产生弯曲变形[15]，但尚未有使用阵列梁检测进行比较验证的报道。

实验中使用的Hg2+样品原液为1 mg/mL Hg（NO3）2溶液（含2%～5% HNO3），实验中使用的溶液均通过加入HNO3（65%～68%）保持pH=6.0，以防止Hg（NO3）2水解沉淀。将清洗干净的微梁阵列芯片固定在传感平台的反应池中，浸泡在水溶液中。实验过程中溶液流速为1 μL/s，传感器反应池温度控制为（25.00±0.05）℃。

当采集得到的各悬臂梁偏转曲线均达到平衡状态后，将浓度为50 ng/mL Hg2+溶液加入检测样品入口，检测得到的偏转曲线结果如图4A所示。各悬臂梁产生的偏转方向一致，自加入样品开始出现偏转约1 h后，悬臂梁产生的偏转减缓并趋于稳定，各悬臂梁偏转结果一致性良好。忽略悬臂梁阵列中偏转最大及最小值，计算得该微悬臂梁阵列的平均偏转曲线结果如图4A内插图所示，100 min时各悬臂梁平均偏转约为 424.2 nm。其余各梁偏转值与平均值偏差为9.5%， 5.6%， 3.1%， 2.9%， 7.1%和14.0%。

图4B为使用微悬臂梁阵列依次检测浓度介于1～200 ng/mL的各浓度Hg2+溶液得到的各检测结果的平均偏转曲线。当检测含更高浓度Hg2+的溶液时，对应检测过程中悬臂梁偏转速率也随之变快，相同时刻下检测到的悬臂梁偏转量也更大。很明显，这是由于当Hg2+浓度升高时，Hg2+在金表面聚积速率变快，相同时刻下沉积的量也增多，导致悬臂梁表面应力变化改变速率更快、产生应力变化更大。同时可以看出在一定浓度下，最终在金层上最终聚积的汞总量也趋于稳定。

为了比较制作的微悬臂梁芯片在极低浓度样品的检测表现，分别使用制作的微悬臂梁阵列芯片和购买的商品化微悬臂梁阵列芯片（Micromotive， germany）对极低浓度的Hg2+进行检测，两种芯片悬臂梁尺寸相同.检测结果见图5。图5中曲线a为使用制作的阵列梁芯片对1 ng/mL Hg2+检测的平均结果曲线，达到的稳定偏转约为 21.0 nm，信号噪声约为±1 nm； 曲线b为使用购买的阵列梁芯片对0.2 ng/mL Hg2+检测的平均结果曲线，达到的稳定偏转约为 39.0 nm， 信号噪声约为±2 nm。可以明显看出，购买的阵列梁芯片检测灵敏度更高，这可能是由于制作的阵列梁芯片的悬臂梁弹性系数更大，与商品化的阵列梁芯片相比，要使悬臂梁产生相同的偏转，所需的悬臂梁表面应力更大，需要在更大浓度样品检测中才能达到，因此，本系统在检测低浓度样品表现较差。（m）曲线的噪声明显大于（s）曲线的噪声，说明弹性系数小的悬臂梁具有更高灵敏度的优势，但同时也更容易受外界噪声干扰。

4 结 论

构建了可以实时检测包含8根悬臂梁的微悬臂梁阵列的生化传感系统，此系统具有良好的性能。自行设计制作了包含8根悬臂梁的微悬臂梁阵列芯片，悬臂梁具有良好的平直度和温度响应一致性。此微悬臂梁阵列传感系统和制作的微悬臂梁阵列芯片被用于定量检测水溶液中Hg2+，检测最低浓度达1 ng/mL。制作的悬臂梁芯片检测灵敏度低于国外商品化的芯片，因此其制作工艺仍需改进。

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Abstract A cantilever array sensor platform has been developed based on the optical lever method， the cantilever array chip is also fabricated to introduce its applications on biochemical detection. Optical fibers coupled to lasers are used as the scanning light source. This sensor system has good stability， and the noise of the detection signal is about 2 nm. Meanwhile， the cantilevers of the fabricated chip have good straightness and are consistent to temperature response， and the deviations of response sensitivity of cantilevers caused by temperature change are no more than 5.0%. This sensing system is used to detect Hg2+ in aqueous solution with a concentration range of 1-200 ng/mL. The deflections of one array chip are close in the same concentration， and the average deviation is less than 15%. Samples at the concentration levels of 1 ng/mL and 0.2 ng/mL are detected separately by the fabricated chip and a foreign commercial chip on the sensor platform. The result shows that it′s difficult for the fabricated chip to achieve a higher detection sensitivity and necessary to improve the cantilever array production process.

Keywords Biochemical sensor； Optical fiber； Cantilever array； Mercury； Quantitative detection

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