使用单芯片集成的薄膜体声波谐振器与场效应传感器研究纳米粒子与磷脂分子间的相互作用

In recent years，one of the key development in Micro- and nanoelectromechanical biosensor field is integration of several types of transducers in a single chip. Such integrated chips can provide more crucial information on structures, behaviors and interactions of biomolecules in real time. Regarding the human health problems of particle matters (PM) from smog exposure, this project designs and fabricates an integrated MEMS sensor chip composed of film bulk acoustic resonators and extended-gate field effect transistors, which can provide multiple sensing parameters and detect complicated biomolecular interactions. The system will be used to study the interactions between nanoparticles (as model particle matters) and lipid bilayers. Such studies can provide important information for the toxic effects of the particle matters at the molecular level. Derived from the current urgent needs of solving the environmental issues in our country, this innovative integrated sensor system could provide an essential way to solve these issues and it can be applied in the detection of other biomolecules, or cell signals.

近些年来，微纳机电生物传感器领域的一个重要发展趋势是将多种不同的换能器集成在同一个检测芯片上。这种多功能集成的芯片在检测生物分子相互作用的动态过程中可同时提供重要的多参数信息。围绕雾霾颗粒物与人体健康的相互作用这一大背景科学问题，本项目拟设计并制造单芯片集成的薄膜体声波谐振器与场效应传感器，实现实时、在位的多参数、复合型生物化学信息提取。本项目将利用这种多功能集成的传感器芯片研究纳米粒子（作为模型雾霾颗粒物）与磷脂分子层间的相互作用，在分子水平上揭示雾霾颗粒物与人体健康相互作用的机理，解释雾霾颗粒物侵入人体的途径。本项目从当前国家的发展需求及急需解决的突出环境问题中提炼出来，创新传感器器件结构及检测方法，可广泛适用于其它生物分子检测及细胞信号提取中。

围绕纳米颗粒与磷脂分子相互作用这一前沿科学问题，为了实现颗粒物与磷脂间瞬时相互作用的检测，本项目创新性地设计并制造片上集成薄膜声波谐振器和延伸栅式场效应晶体管的多参数复合生物化学传感微系统，通过对聚电解质分子自组装多层膜沉积和抗体抗原相互作用的多参数、高准确性互补检测验证了集成系统的可行性。开发了两种磷脂分子层在固态器件上的沉积方法，通过荧光淬灭及电化学分析方法验证了磷脂分子层的完整性和生物活性。使用声学及电学联用的传感系统分别检测了不同尺寸、不同电荷及不同界面亲疏水性的模型纳米颗粒物在磷脂分子层上的沉积和穿透行为。研究证明尺寸较大(>10nm)的纳米粒子可以通过能量消耗的细胞内吞方式穿透细胞膜进入细胞，同时产生不可逆的磷脂膜破坏。带有与磷脂分子层同等电荷特性的纳米粒子不容易透膜。疏水性的纳米粒子更容易吸附在磷脂膜界面上。这些科学发现对分析纳米毒理学、纳米药物及纳米生物效应具有重要的科学及应用价值。同时证明了联用的双检测系统为磷脂膜与纳米粒子的相互作用提供了一种独特的检测手段，可以实时、在线、无标记地检测纳米粒子的透膜行为和脂质膜的变形结果。. 在项目支持下，通过项目研发的集成体声波及电学的复合传感系统实现了挥发性有机气体的高灵敏检测，这一技术有望服务于下一代智能可穿戴设备。在对比分析薄膜声波谐振器和延伸栅式场效应晶体管的检测结果中，首次发现了千兆赫兹声波产生的特殊声流体现象，并研究了其产生的物理规律，开发了“声流体镊”技术，打破了传统声镊不能精准控制微纳米尺度的物体的瓶颈，它不仅可以精准地操控粒子移动，甚至能够分选移动、精确控制细胞行为，对流体中无序分布的生物分子也可以进行精准操纵，打破了生物分子相互作用中的质量传输和结合亲和力限制，实现了在血清等复杂样本中，对极低浓度的生物分子的高灵敏、特异性检测。这些成果为生物医学研究、疾病早期诊断等领域提供了更有效、更精确、生物兼容性更好的工具。

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