一种磁流变弹性复合薄膜表面应力生物传感器

1.本发明属于生物传感器技术领域，涉及一种磁流变弹性复合薄膜表面应力生物传感器。


背景技术：

2.随着生物微机电技术的发展，微结构在生化传感领域得到了广泛关注与应用。表面应力生物传感器是生物传感器的一种，其可应用于临床医学诊断、生化探测、新药物发现等领域。表面应力生物传感器的检测原理是对传感器进行特定探针修饰可实现待测生物分子的定性分析；待测分子与其对应的探针相结合后传感器敏感部件会产生微小形变，不同浓度的待测分子与探针相结合所产生的应力大小不同，通过检测不同形变的电学信号即可实现对待测分子浓度进行定量分析。
3.表面应力生物传感器按结构主要分为微悬臂梁生物传感器和微薄膜生物传感器两种。微悬臂梁结构表面应力生物传感器已被应用于生物分子的高灵敏检测。然而，悬臂梁结构表面应力生物传感器仍然存在以下弊端：如在非特异性吸附时，易在梁剧烈弯曲后丢失信号；此外，用于液体检测时，悬臂梁背面吸附生物分子还会影响探测的准确性。而电容式薄膜生物传感器输出信号仅有几法拉，需要设计额外的放大信号装置才能稳定监测。且薄膜电导式生物传感器，低浓度下检测的灵敏度不高且抗干扰能力较差，对测量准确度和系统稳定性的影响较大。


技术实现要素：

4.本发明克服了现有技术的不足，提出一种磁流变弹性复合薄膜表面应力生物传感器。克服低浓度下生物检测灵敏度不高且抗干扰能力较差的问题。
5.为了达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的。
6.一种磁流变弹性复合薄膜表面应力生物传感器，包括磁流变弹性复合薄膜层；所述磁流变弹性复合薄膜层的外围具有形变空间；磁流变弹性复合薄膜层包括依次叠合设置的生物识别层、压电/压阻层、磁流变弹性层；生物识别层表面修饰有探针；磁流变弹性层和生物识别层分别连接有一电极；电极与压电/压阻层相接触；磁流变弹性层在磁场作用下发生形变进而放大生物识别层的表面应力。
7.优选的，包括基底和微磁场层；所述磁流变弹性复合薄膜层架空设置在基底上，所述微磁场层设置在磁流变弹性复合薄膜层正下方，并与磁流变弹性层相邻。
8.更进一步，所述基底的材质为pet、pdms、sebs中的一种。
9.优选的，所述磁流变弹性复合薄膜层上方设置有检测区，所述检测区与生物识别层相连通。
10.更优的，所述检测区连接有两条微流甬道，两条微流甬道一条与进样孔连接，另一条与出样孔连接。
11.优选的，包含多个磁流变弹性复合薄膜。
12.优选的，所述电极为底电极和顶电极；所述底电极位于压电/压阻层的下表面，与磁流变弹性层相连接；所述的顶电极位于压电/压阻层的上表面，与生物识别层相连接。
13.优选的，所述压电/压阻层为p(vdf-trfe)基体包覆batio3等压电纳米材料组成的压电纳米复合物或为pdms基体包覆agnws或cnt等压阻纳米材料制成。
14.优选的，所述磁流变弹性层为pdms柔性基体包覆磁流变材料混合制成，磁流变材料为软磁材料。
15.更优的，磁流变材料为铁镍合金、铁钴合金、羰基铁粉、镍粉等中的一种或任意组合。
16.本发明相对于现有技术所产生的有益效果为：1、本发明所述具有磁致应变的微薄膜表面应力生物传感器，改进了传感器的结构，有效地克服了传统表面应力生物传感器的非特异性识别、分析物吸附能力差、输出信号弱、低浓度灵敏度不高等问题。磁流变弹性体作为一种新型的智能纳米复合材料，通过将可磁化的纳米颗粒掺杂到弹性体聚合物中，可以获得具有出色磁响应特性的固体载体基质状态。在内置磁场下，磁流变弹性体发生磁致应变，薄膜产生向上的形变并作用于生物识别层，有效放大表面应力造成的微小形变，引起电信号的增强。可利用检测电压/电阻变量进行对待测物的检验，从而进一步提高了信号检测的精度。它还具备了低浓度灵敏度高、检出浓度范围广泛、生物相容性优良等优点。
17.2、本发明利用磁性纳米颗粒(羰基铁粉，铁钴合金等)与高分子聚合物基体(pdms)混合，制备出对磁场响应的磁流变弹性体层，具有强响应速度快，力学性能可以连续可逆地变化等特点。利用柔性聚合物材料(pvdf/ pdms)掺杂压电/压阻材料(batio3/ cnt)制备出检测层。压电/压阻材料的对比选择和掺杂比例可以进一步提高传感器的灵敏度。
18.待测物与探针结合会产生不同的分子结合力。针对不同的分子结合力，可选择不同的磁致伸缩系数的磁流变材料，以在施加磁场后产生相应的凹凸形变。本发明可根据不同用途优选材料的性质，可广泛应用于不同待测物的生物检测。
19.3、本发明旨在克服低浓度下生物检测灵敏度不高且抗干扰能力较差的问题。得益于磁流变弹性薄膜出色的磁性响应特性如磁致伸缩、磁致应力等与复合微薄膜优异的延展性，引入磁流变效应的微薄膜结构更能够实现复合薄膜表面应力生物传感增敏。
20.4、磁流变弹性复合薄膜表面应力生物传感器的设计，拓展了磁流变材料在微型化便携化生物传感器领域的应用，实现了磁流变效应和压电/压阻效应在微型传感器中的“磁-力-电”耦合。本发明所述传感器结构新颖、具有微型化、抗干扰、精度高、可同时获取多个传感信息量等特点。
附图说明
21.图1 为本发明所述磁流变弹性复合薄膜表面应力生物传感器结构剖面图；图2 为本发明所述磁流变弹性复合薄膜表面应力生物传感器立体结构图；图3 为本发明所述生物待测物检测识别示意图；图中：1为基底，2为底电极，3为磁流变弹性层，4为压电/压阻层，5为生物识别层， 6为顶电极，7为微流甬道，8为检测区，9为进样孔，10为出样孔，11为生物识别物质，12为待测分子，13为磁流变弹性复合薄膜，14为微磁场层。
具体实施方式
22.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合实施例及附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。
23.如图1-3所示，本实施例公开了一种磁流变弹性复合薄膜表面应力生物传感器，该生物传感器自下而上依次为基底1、微磁场层14、磁流变弹性复合薄膜层13、微流甬道7、检测区8、微流甬道7两端分别设有进样孔9、出样孔10。
24.磁流变弹性复合薄膜13包含三层结构，从上至下依次为生物识别层5、压电/压阻层4、磁流变弹性层3；生物识别层5表面修饰有探针11，即可与待测分子发生特异性结合的生物识别物质（抗原，噬菌体等）；压电/压阻层4的性质由具体选择的材料性质决定。
25.电极呈中心对称分布，电极包括底电极2和顶电极6；底电极2位于压电/压阻层4的下表面，与磁流变弹性层3相连接；顶电极6位于压电/压阻层4的上表面，与生物识别层5相连接。
26.微流甬道7与检测区8相连通。将待测溶液注入进样孔9中，液体通过微流甬道7进入检测区8，检测区8与磁流变弹性复合薄膜13相连通；检测区8和微磁场层14与磁流变弹性复合薄膜13之间的距离，是为磁流变弹性复合薄膜13提供了应变的空间。该生物传感器包含一个或多个磁流变弹性复合薄膜13，可以在同一时间实现多种生物检测。
27.其中，基底1为pet、pdms、sebs等制成。 压电/压阻层4为p(vdf-trfe)基体包覆batio3等压电纳米材料组成的压电纳米复合物或为pdms基体包覆agnws或cnts等压阻纳米材料制成。磁流变弹性层3为pdms柔性基体包覆磁流变材料混合制成，磁流变材料包括铁镍合金、铁钴合金、羰基铁粉和镍粉等软磁材料。
28.该生物传感器的检测过程为：1、从进样孔9滴入待测溶液，溶液通过微流甬道7分流溶液进入检测区8。通氮气，将检测区8干燥吹干，气体从出样孔10排出。待测溶液与生物识别层5所修饰的生物识别物质11进行特异性结合，使得生物识别层5产生表面应力，发生微形变。与此同时，溶液的重力、环境因素等也助力了磁流变弹性复合薄膜13发生形变。微磁场层14为通电线圈，通电线圈产生磁场作用于磁流变弹性层3使得薄膜形变程度加大。生物识别层5形变后压电/压阻层4发生形变，电极输出的信号发生改变。
29.待测分子12与生物识别物质即探针11结合会产生不同的分子结合力。有的分子结合后产生表面压应力，分子间排斥并且产生扩散的趋势，进而产生向上凸形变，如葡萄糖检测。有的分子结合后产生表面张应力，分子间产生吸引力并且相互聚集，进而得到稳定的构象，产生向下凹形变，例如bsa检测。 因此，针对不同的分子结合力，采用不同的磁致伸缩系数的材料，增强形变强度。
30.2、采用平面通电导线即微磁场层14驱动传感器并检测其响应。在内置磁场下，磁流变弹性复合薄膜13中的磁流变弹性层3在磁力和磁致伸缩力的共同作用下会产生向上或向下的凸起形变，为生物识别层5和上面修饰的生物识别物质施加预紧力，进而有效放大表面应力造成的微小形变，增强电信号。最终通过测试电压/电阻变化量实现对待测物的分子级检测。所施加的预紧力放大了表面应力所造成的微小形变，这可以放大低浓度分子结合
的表面应力，进一步拓宽传感器的低浓度测量极限。
31.检测原理：1、待测分子12与探针11进行特异性结合，使生物识别层5产生表面应力，发生微形变。形变作用到压电/压阻层4，电极输出电信号。
32.2、通电流，微磁场层14产生磁场，磁流变弹性层3在磁力和磁致伸缩力的共同作用下会产生向上或向下的凸起形变，作用于生物识别层5为其施加预紧力，进而有效放大表面应力造成的微小形变，增强电信号。最终通过测试电压/电阻变化量实现对待测物的分子级检测。所施加的预紧力放大了表面应力所造成的微小形变，放大低浓度分子结合力，进一步拓宽传感器的低浓度测量极限。
33.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。