基于MEMS微流控悬臂梁的谐振式传感器，高效检测水溶液中的微量化学物质
2025-10-12 14:17:48   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

钙在人体骨骼结构和功能中起着至关重要的作用，人体约99%的钙储存在骨骼和牙齿中。钙有助于形成并维持骨基质。若钙摄入不足，骨骼可能会变得脆弱易碎，进而引发健康问题和严重的功能障碍。此外，血液中钙水平的失衡，无论是过低导致的低钙血症，还是过高引发的高钙血症，都可能导致严重的健康问题，并诱发某些功能障碍。因此，饮用水中的钙离子（Ca²⁺）含量对于人体健康至关重要，它会影响骨骼强度、肌肉功能和神经信号传递。

钙离子检测对于早期发现钙水平失衡无疑非常重要，这有助于预防并发症和神经系统疾病，维护与钙水平异常相关的长期健康，并为患者选择合适药物进行针对性治疗提供依据。因此，开发一种便携、耐用且兼具高灵敏度、高精度的钙离子检测技术，对环境监测、工业应用和临床诊断意义重大。

基于MEMS技术的悬臂梁器件，凭借低成本、超高灵敏度、微型化以及高可靠性等优势，成为适用于多种场景的高效传感技术。MEMS技术已在医学、生物传感、物理学、化学以及微流控工程等多个领域均有广泛应用。

另一方面，微流控技术凭借体积小、灵敏度高、精度高等特点，被引入基于MEMS技术的微悬臂梁传感应用。采用微流控传感器的优势在于，分析过程仅需极少量的样本。基于MEMS技术的微流控悬臂梁谐振器，能够在极微量体积下监测化学、物理和生物相互作用。因此，这类谐振器已在生物医学、生物研究、物理学、化学、药物研发、临床诊断、遗传学和蛋白质组学等多个领域的应用中得到广泛推广。

图1 基于MEMS微流控悬臂梁的谐振式传感器示意图

据麦姆斯咨询介绍，沙特国王大学阿卜杜拉国王纳米技术研究院的研究人员在近期的研究中，已成功利用基于MEMS微流控悬臂梁的谐振式传感器检测水基溶液中的微量化学物质。为解决传统MEMS微悬臂梁传感器存在的局限性，研究人员开发了一种集成“杯芳烃1（Calix1）功能化金纳米颗粒（AuNPs）”的MEMS微流控系统，用于检测水中的金属离子。

该方法的核心原理包括：在微流控悬臂梁谐振器内部，金属离子与AuNPs表面的杯芳烃分子发生相互作用，这种相互作用会引发流体性质改变；而流体性质的变化又会进一步影响微流控悬臂梁谐振器的力学行为。通过检测这些力学响应，无需对悬臂梁进行反复的表面修饰，即可直接实现对金属离子的检测。

将纳米颗粒整合到MEMS微流控悬臂梁传感器中，能够借助其高比表面积（实现对更多目标离子或分子的高效捕获）提升灵敏度，进而显著增强传感器性能。此外，金纳米颗粒-杯芳烃1（Calix1-AuNPs）的整合不仅提高了灵敏度，还简化了操作流程，使MEMS微流控悬臂梁谐振器能够成为可靠且可重复使用的检测器件。重要的是，该方法具有普适性，可推广用于检测血液中的生物标志物、DNA、蛋白质及维生素。

图2 基于MEMS微流控悬臂梁的谐振式传感器几何结构

已有大量研究证实，有限元分析可通过频率分析方法探究微流控通道的结构特性。本研究评估了搭载Calix1-AuNPs的微流控悬臂梁，用于检测水中钙离子的潜力。在仿真过程中，研究人员通过COMSOL Multiphysics软件，同时对频域内的声压学、层流及固体力学进行建模，并融入了声固耦合边界条件与流固耦合相互作用。此外，该研究还将DFT计算与实验结果相结合，以更深入地理解受体分子Calix1与钙离子之间的相互作用机制。

图3 位移幅值图，（a）基于声固耦合边界条件的模型分析；（b）基于流固耦合相互作用的模型分析

在本研究中，传感测量采用MEMS微流控悬臂梁传感器，具体如图3所示，以共振频率和品质因数作为衡量指标，对微流控悬臂梁的响应特性进行了测量。

为开展传感实验，研究人员将成分不同的多种流体注入微流控悬臂梁谐振器上的U型流道。实验过程中，分别针对两种情况测量微流控悬臂梁传感器的共振频率与品质因数（Q值）：第一种是向微流道内注入探测流体（即Calix1-AuNPs），第二种是向微流道内注入Calix1-AuNPs与不同浓度目标分析物钙离子的混合溶液。

研究人员通过微流控响应实验评估了钙离子与Calix1-AuNPs的结合亲和力：在不同钙离子浓度下，分别测量了谐振器的品质因数、半高全宽（FWHM）和共振频率。结果显示，该微流控悬臂梁谐振器可成功检测不同浓度的钙离子，微流控悬臂梁谐振器的阻尼特性与钙离子浓度之间存在显著关联。随着钙离子浓度升高，FWHM升高，品质因数则随之降低，而钙离子浓度对共振频率的影响可忽略不计。

DFT计算结果为实验研究结论提供了有力支撑，证实了Au4-Calix1与目标钙离子之间存在相互作用。仿真结果进一步明晰了微流控悬臂梁谐振器的本征频率，揭示了流体特性和几何结构在调控通道动态行为中的关键作用。此外，数值研究表明，该微流控悬臂梁谐振器同时表现出扭转和弯曲两种响应模式。流固耦合相互作用模型，则凸显了几何结构和流速对该传感器本征频率与品质因数的重要影响。

未来研究将结合实验参数，在时间依赖模式下验证上述仿真结果，以进一步提升传感器的灵敏度和效率。综上，该MEMS微流控悬臂梁传感器有望成为一种可靠的生物标志物检测工具，可广泛用于检测化学、医学及生物学领域。

论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.35848/1347-4065/ae0ff0

延伸阅读：

《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》