基于悬臂梁的多用途生物MEMS传感器，用于生物分子的超灵敏即时诊断
2024-01-27 15:54:41 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
这种生物MEMS传感器可以精确测量治疗药物监测或疾病诊断中浓度极低的小分子生物物质，从而预防慢性疾病（如癌症、心脏病或神经退行性疾病）的恶化。
当今世界，慢性病或非传染性疾病是最重要的致死原因之一（根据世界卫生组织2019年的报道，其导致的死亡人数占所有死亡人数的74%）。此外，与早期诊断和预防过程相比，治疗或控制这些疾病的费用非常高昂。因此，开发用于无标记检测特定生物标记物（尤其是慢性疾病）的高性能、高性价比传感器，对于提高人类生活质量具有极大的吸引力。
据麦姆斯咨询报道，近期，来自西湖大学等机构的研究人员共同提出了一种基于多用途光学生物微机电系统（BioMEMS）的传感平台，该平台可以精确测量类似血浆的缓冲液样品中生物分子浓度的微小变化。这是通过在高灵敏度MEMS换能器（悬臂梁）上开发一种干涉检测方法来实现的。这种方法有助于对获得的结果进行精确分析，以确定分析物的类型及浓度。此外，通过使用适当的生物识别元件并控制其在悬臂梁表面的涂层密度，所提出的多用途生物传感平台可用于各种浓度水平的生物分析物检测。相关研究成果以“Ultrasensitive detection of vital biomolecules based on a multi-purpose BioMEMS for Point of care testing: digoxin measurement as a case study”为题发表在Scientific Reports期刊上。
图1 （a）用于目标样品检测的功能化生物MEMS传感平台示意图；（b）MEMS换能器在诱导表面应力下的响应，以及记录这种响应的光学测量方法示意图
研究人员提出的多用途生物MEMS传感器如图1所示。在衬底上制造的硅基悬臂梁（图2）起到MEMS换能器的作用，悬臂梁表面镀有一层薄金，以促进其生物功能化过程并增加光反射。事实上，生物MEMS组件的传感机制是基于悬臂梁表面释放的应力，该应力可以使其向上（或向下）偏转。这种表面应力是一种集合现象，在很大程度上取决于生物相互作用和释放的能量。由于生物反应力通常为皮牛或纳牛量级，因此在生物传感应用中，应设计出具有高灵敏度的柔性MEMS传感器。而在该项研究中，研究人员设计的悬臂梁能够满足与生物反应引起的皮牛或纳牛力相互作用的需要。
图2 悬臂梁的扫描电子显微镜（SEM）（左）和悬臂梁的俯视图（右）
此外，悬臂梁表面成功的生物功能化过程可以提高传感器的效率，从而将生物相互作用转化为机械信号。为此，首先应根据所需的诊断或治疗目的选择具有高特异性和高选择性的识别元件，然后将其持续固定在悬臂梁表面。在这一步骤中，功能化的MEMS悬臂梁应该配备高分辨率和高成本效益的测量系统，以使其成为即时诊断应用的理想候选产品。因此，研究人员采用了一种超灵敏的光学检测装置，可以记录悬臂梁的微小变化。
图3 超灵敏光学检测装置示意图
作为一种治疗药物监测装置，该平台已被实际应用于鉴定和测量血清中地高辛的浓度。研究结果表明，所提出的装置具有良好的可重复性和稳定性，能够在8分钟内检测出所有样品中的分析物。此外，研究人员对类似血浆的缓冲液中极低浓度的地高辛进行了检测，检测结果表明，该生物传感器的检测限（LOD）为300 fM，最大灵敏度（S）为5.5 × 10¹² AU/M。总而言之，这种超灵敏多用途生物MEMS传感器是一种完全集成、经济高效的装置，可精确分析各种生物标记物的浓度，可应用于各种生物医学领域。
图4 用于地高辛识别和测量的治疗药物监测装置
该研究的下一步计划是基于所提出的生物传感平台，生产出一种具有最小可行尺寸的综合便携式装置。其可以与数字设备（如智能手机、电脑）连接，用于数据处理和结果监测。此外，包括流体通道、光学检测系统（即激光二极管、电荷耦合器件（CCD）传感器）和功能化生物传感器在内的整体解决方案可以整合在一个小型封装系统中，以便将测量信号传输到一个简单的处理单元进行图像处理，并最终获得输出结果。需要注意的是，由于可以通过利用与特定应用相关的各种识别元件进行功能化和特征化，这种生物传感器平台可以在生物传感应用中作为多用途生物医学工具。因此，研究人员可以为个人家庭护理诊断制造一种具有成本效益的生物传感器，这种传感器可以精确测量治疗药物监测或疾病诊断中浓度极低的小分子生物物质，从而预防慢性疾病（如癌症、心脏病或神经退行性疾病）的恶化。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41598-024-51864-4
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