用于痕量胺类同系物检测的谐振式微悬臂梁传感器*

杨天天，于海涛，许鹏程，李昕欣

(中国科学院上海微系统与信息技术研究所，传感技术联合国家重点实验室，上海 200050)

挥发性胺类同系物是主要包括甲胺、二甲胺、三甲胺等的恶臭污染物，通常有毒性作用，不仅嗅觉阈限值低，而且是致癌物亚硝胺的前体物。胺类物质的检测对于环境分析以及保护人的健康至关重要，在临床上也十分值得关注。此外，三甲胺的检测还是评估鱼类食品新鲜度的重要指标之一［1］。用来检测挥发性胺类气体的传统方法有气相色谱(如顶空进样色谱法)、分光光度法、高效液相色谱法等等［2］，这些分析手段虽各有优点，但普遍存在对操作人员的专业素质要求高、使用复杂、设备价格昂贵、不能进行现场检测等缺点。

基于微机电系统(Micro Electro Mechanical System，MEMS)的微悬臂梁化学传感器由于具有微型化、灵敏度高、响应迅速、可批量生产、易于集成以及重复性好等优点成为了近年来化学传感器研究的热点［3-5］。微悬臂梁化学传感器的敏感区域表面涂覆有一层具有特异性识别能力的敏感薄膜，当被测物分子被特异性吸附到微悬臂梁表面时，产生机械响应。这些纳米级的机械响应包括表面应力变化、热转换、质量变化等。谐振式微悬臂梁传感器是一种利用检测质量变化引起的谐振频率变化为机理的质量型传感器，已在生化检测方面显现了独特的优势［6-8］，但鲜见将谐振式微悬臂梁传感器用于胺类物质检测的报道。

根据质量型化学传感器的工作原理，在质量型换能器种类及规格一定的情况下，若增加敏感薄膜对目标分子的吸附量，必能提高该传感器的分辨率。目前研究较多的应用于质量型传感器的敏感薄膜主要有自组装单层膜(self-assembled monolayers，SAMs)、聚合物以及碳纳米管等。但上述敏感材料在比表面积、活性位点数量、稳定性等方面存在一定不足，制约了微质量型化学传感器的发展［9］。自从1990s年代介孔材料的合成被报道以来，经过多年的发展，介孔材料已经被广泛应用于吸附材料、离子交换、药物输送和催化等领域。介孔材料的特征是:比表面积高(可达 1500m2/g［10］)、孔隙率高、孔径均一、孔径连续可调以及热稳定性好等，并且表面易于进行有机功能基团嫁接。功能化介孔材料的这些特点使其比自组装单层膜、聚合物和碳纳米管更适合作为质量型化学传感器的敏感材料。

本文研究采用先将羧基基团修饰于SBA-15介孔材料中，然后将该功能化介孔材料负载于集成谐振式微悬臂梁表面的方法，制作了一种高灵敏度的挥发性胺类同系物传感器。通过使用设计制作的胺类传感器对一系列高挥发性胺类同系物进行气相检测，对待测物分子与敏感基团分子之间的作用机理进行了研究。

1 实验部分

1.1 谐振式微悬臂梁的设计与制作

用于痕量胺类同系物检测的谐振式硅微机械悬臂梁使用电热激励、压阻检测，激励和检测电阻均集成在悬臂梁之上，长度、宽度和厚度分别为200μm、100μm和约3μm［11］。该微悬臂梁采用微加工工艺制成，具体制作工艺流程如图1所示，并详述如下:

选用n型＜100＞的注氧隔离SOI硅片(SIMOX)，顶层硅的厚度为 3 μm。

(a)氧化:热干氧化的方法生长2 000 Å的二氧化硅，作为绝缘保护层;

(b)正面图形制作与离子注入:光刻并使用BOE刻蚀氧化层，形成正面图形。去胶后再次光刻出压阻图形，带氧化层注入B+离子制备p型压阻，形成激励与检测电阻;

(c)金属引线与保护层制作:用光刻胶做掩膜，用BOE腐蚀掉氧化硅开引线孔，溅射铝，并光刻、刻蚀铝，在形成铝引线后，采用LPCVD(低压化学气相沉积)工艺在硅片表面生长一层3000 Å厚的高质量氧化硅作为保护层，以保护铝线在以后的传感器修饰过程中不被H2SO4+H2O2腐蚀。保护层生长完毕后，光刻出悬臂梁的形状，并使用RIE(反应离子刻蚀)工艺去掉多余的PECVD氧化硅;

(d)正面刻蚀:用光刻胶做掩模，使用感应耦合等离子体深刻蚀(Inductively Coupled Plasma Deep Reactive Ion Etching，ICP-DRIE)正面刻蚀顶层硅至SOI中间氧化层(BOX layer)形成悬臂梁正面结构;

(e)背面深刻蚀:用光刻胶做掩模，采用双面对准工艺在SOI硅片背面光刻形成背面刻蚀图形，使用DRIE在背面刻蚀至SOI中间氧化层;

(f)结构释放:使用BOE腐蚀掉悬臂梁背面的SOI中间氧化层，释放悬臂梁结构。

图1 谐振式硅微机械悬臂梁制作工艺流程图

1.2 羧基功能化SBA－15介孔材料的制备及其在微悬臂梁表面的固定

羧基功能化SBA-15介孔材料的制备过程叙述如下:量取 1毫升 CES(carbomethoxysilanetriol，sodium salt，25 wt%in water，ABCR 公司)试剂，溶于30 mL去离子水中，以浓度为36 wt%的浓盐酸调节溶液的pH值至4～5之间，将该溶液置于一容积为100 mL的2口圆底烧瓶中备用。称取大约0.2克的SBA-15型介孔(孔径约为7 nm、比表面积约为876 m2/g)，加入上述2口圆底烧瓶中。将该圆底烧瓶置于70℃的油浴中，磁力搅拌下回流反应3 d。待冷却后，将圆底烧瓶中的悬浊液过滤并用去离子水多次洗涤，置于60℃的烘箱中真空干燥，即可得到羧基功能化的介孔粉体。

羧基功能化SBA-15介孔材料在微悬臂梁表面的固定过程叙述如下:称取10 mg羧基功能化介孔粉体，以超声分散于1毫升去离子水中，制得羧基功能化介孔的悬浊液。在光学显微镜(Leica公司，型号DM4000)下，利用显微操作系统(Eppendorf公司，型号PatchMan NP2)将羧基功能化介孔的悬浊液精确滴于谐振式微悬臂梁器件的自由端附近表面，置于80℃的烘箱中干燥2 h，取出备用。

1.3 表征与敏感性能测试

羧基功能化SBA-15介孔材料的纳米结构使用高分辨透射电子显微镜进行表征(HR-TEM，JEOL-2010F，加速电压为200 kV)，样品的吸附脱附曲线及比表面积测定由Micromeritics ASAP 2020完成。为证实功能化介孔材料被成功羧基化，我们使用真空型傅里叶红外光谱(FT-IR，Bruker Vertex 70v)对其进行了红外光谱测定。固定有羧基功能化SBA-15介孔材料的谐振式微悬臂梁化学传感器采用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM，Hitachi S4700，加速电压为1 kV～15 kV)进行形貌观察。

传感器敏感性能测试使用实验室搭置的气体测试装置。其中，微悬臂梁传感器放置在具有进气口和出气口各一个的密闭检测池中。浓度为10×10-6的甲胺(MMA)，二甲胺(DMA)，三甲胺(TMA)标准气体由南京麦克斯南分特种气体有限公司提供。纯度为99.999%的高纯氮气购于上海浦江特种气体有限公司。指定浓度的胺类气体使用气体校准装置(国家标准物质研究中心)将标准气体利用高纯氮气稀释得到，并通过一个四通阀连接到检测池。调节四通阀可以将进入检测池的气体在胺类气体与高纯氮气之间切换。微悬臂梁传感器通过连接PLL闭环接口电路工作在谐振状态下，并使用频率计(Agilent公司，型号53131A)将输出的谐振频率信号在电脑上进行同步记录。

2 结果与讨论

羧基功能化SBA-15介孔材料的高分辨透射电镜图像(如图2所示)清晰的显示了修饰后的介孔材料结构仍然保持完好，呈现高度有序的六角型p6mm结构，未见塌陷或破损。

图2 羧基功能化介孔材料的高分辨透射电镜图像

SBA-15介孔材料和羧基功能化SBA-15介孔材料的氮气吸附脱附等温线均为IV型(见图3)，SBA-15介孔材料经过羧基功能化后，比表面积由876 m2/g下降至337 m2/g，这是由于部分CES分子在孔口处进行了修饰，堵塞部分孔道造成的。

图3 SBA-15介孔材料在羧基功能化前后的氮气吸附等温线

羧基功能化SBA-15介孔材料的FT-IR测定结果如图4所示。其中1 096 cm-1处的强峰归属为Si-O-Si的的伸缩振动，2 923 cm-1处的峰可指认为—CH2的振动，1 722 cm-1处的峰归属为—COOH官能团的振动。FT-IR的表征结果证明介孔材料的羧基功能化修饰成功完成。

图4 羧基功能化介孔材料的傅里叶红外光谱

制作完成的羧基功能化介孔敏感材料负载的谐振式微悬臂梁传感器的场发射扫描电子显微镜图像如图5所示。粒径约为1 μm的功能化介孔颗粒已被精确负载于谐振式微悬臂梁自由端附近100 μm×100 μm的区域中。

利用气体测试装置，使用制作完成的功能化介孔敏感材料负载的谐振式微悬臂梁传感器分别对甲胺、二甲胺和三甲胺三种胺类气体进行检测，测试结果如图6所示。由检测结果可以看出，传感器对浓度低至1 ppm的甲胺气体和500 ppb的二甲胺和三甲胺气体均有较大的响应，并且当检测气体的浓度翻倍时，传感器的响应也基本翻倍。按照线性关系计算，考虑到传感器0.1 Hz左右的噪声水平，可以得到传感器对甲胺、二甲胺和三甲胺气体的检测下限分别可达25.2 ppb、8.2 ppb 和5.1 ppb。另外，传感器对胺类气体的响应也相当迅速。当胺类同系物进入传感器所在检测池时，传感器在5 s内就会产生响应，并在2 min内达到最大值。

图5 涂覆了羧基功能化介孔材料的谐振式微悬臂梁的扫描电子显微镜照片

为了分析该传感器对不同胺类气体响应的差别，我们选取传感器对相同浓度的三种气体的响应进行比较。从图6可以得到，传感器对1 ppm浓度的甲胺、二甲胺以及三甲胺气体的响应值分别为11.9 Hz、43 Hz 和 65 Hz。考虑到选取的三种胺类同系物存在分子量的差别(M甲胺∶M二甲胺∶M三甲胺=31∶45∶59)，可以进一步计算出传感器对同一浓度胺类同系物的吸附摩尔比为1∶2.47∶2.85。这一结果表明，相同浓度的胺类物质在相同的羧基功能化介孔负载的谐振式悬臂梁表面的吸附数量仍然存在着差异。经分析可能的原因是:根据酸碱作用原理(即介孔材料表面的羧基官能团与碱性的胺类气体之间有较强的酸碱作用)，呈碱性的胺类气体将被吸附于微悬臂梁表面的羧基功能化介孔中，使微悬臂梁传感器的质量增加、谐振频率下降。由气相碱度理论可知，这些胺类化合物的气相碱度强弱顺序为:甲胺＜二甲胺＜三甲胺［12］。这种气相碱度强弱顺序是由烷基官能团给电子的诱导效应引起的。基于这一理论，气相碱度最强的三甲胺吸附于相同的羧基功能化介孔表面的数量将会大于二甲胺和甲胺。根据上述理论分析，对于相同浓度的胺类气体，羧基功能化介孔负载的谐振式微悬臂梁传感器将对气相碱度最强且分子量最大的三甲胺具有最大的响应值，二甲胺次之，甲胺最小。这一分析结果与传感器的实测数据吻合。

图6 传感器对甲胺(a)，二甲胺(b)，三甲胺(c)的响应结果，其中(a)的插入图片显示了传感器的噪声水平

图7 传感器在3个月后对三甲胺的重复测试结果

为了验证传感器的长期稳定性，我们使用同一传感器在3个月后相同条件下对三甲胺气体进行了重复检测，测试结果如图7所示。同一传感器对于浓度为500 ppb和1 ppm的三甲胺，传感器的响应值分别约为30 Hz和64 Hz。该结果与3个月前的测试结果(见图6c)基本相同，差值在10%以内。这一研究结果表明:功能化介孔材料修饰的谐振式微悬臂梁痕量胺类传感器在3个月后性能没有明显下降，具有良好的重复使用性，使用寿命超过3个月。

3 结论

本文将羧基功能化的高比表面积SBA-15介孔材料作为敏感层，谐振式微悬臂梁作为检测平台，设计制造了一种高灵敏的挥发性胺类同系物传感器，实现了对挥发性胺类同系物的痕量检测，检测下限达到了ppb量级，且同一传感器对相同浓度三甲胺气体的响应值在3个月后未见下降。通过对一系列胺类气体的检测结果比较，发现传感器响应信号的大小与待测物和敏感膜之间的作用强度大小相一致，从而揭示了待测气体在羧基修饰的敏感材料表面的吸附数量与气相碱度性质的正相关关系。

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