1、2013 年国家基金进展报告（61271099）一重要研究进展【填写说明：主要阐述本年度研究工作中取得的重要进展，发表论文和取得专利等成果，请利用“成果在线”导入报告正文后面的基金委项目研究成果目录。(字数限制 2000 字)】项目执行的第一年，我们很好的地完成了预定计划中的各项工作，同时组织学生参与了国际学术交流，计划中的几个方面工作都有了显著的进展。1. 研究工作进展1.1 有极 QCM-D/ LSPR 双技术芯片及其测试系统的方案设计QCM-D 和 LSPR 是机理完全不同的两种生物薄膜实时测试技术，两种技术在生物检测领域具有各自的独特优势，把二者集成在一个石英晶片，会产生明显的优势互补
2、效果。方案设计内容如下：石英晶片切型、厚度等参数的选择与确定。有极双技术芯片的研制：研究如何将石英晶片上金属电极与金属纳米阵列合理布局，制备出结构简单，工艺兼容的有极双技术芯片，并验证有极双技术芯片在实现对局部折射率变化进行 LSPR 检测的同时，可通过 f 和 D 的测量，同步获得机械耦合质量和阻尼变化的信息。测量池的设计与制作：测量池为双技术芯片提供一个正常工作的恒温环境和气液通道；同时，要为待测样液和激发光的输入与输出，以及芯片的安装与拆卸提供方便。微流控系统的研究：在完成微流控系统的总体布局与结构设计基础上，进行微流泵的理论分析与设计以及结构尺寸参数的设计，最后进行加工制作和测试。测试
3、分析与实验验证：在芯片和系统研究的基础上，利用研制的 QCM-D/LSPR 双技术芯片及其系统进行测试分析。通过研究免疫球蛋白G（IgG）和金黄色葡萄球菌蛋白 A 之间的结合实验验证双技术芯片及其系统的可行性及其优势。1.2 QCM-D 振荡测试电路的设计与制作传统的石英晶体振荡电路在液相条件下很难工作，并且不能测量串联电阻和 D 因子。在液体中晶体的等效电阻较大，放大器所提供的增益有限，幅度特性难以满足，并且在液体中引入的并联电容较大，使振荡电路的特性难以满足。因此我们采用了基于自动增益运算放大器(AGC)和并联电容补偿模块的差频电路方案。该电路包括 AGC 控制、电容补偿、信号放大、滤波、
4、D 因子采集以及等效电阻采集等模块。AGC 控制模块：该模块是为了满足电路具有较大的动态范围，减小静态电容对电路的影响。电路中使用 AD8367 芯片作为 AGC芯片，它具有较宽的动态范围以及较大的带宽。滤波器模块：我们同时设计出5Mhz、15Mhz、25Mhz 滤波器，可以分别观察基波、三次谐波和五次谐波曲线。通过比较我们得出在高次谐波下时晶体具有更高的灵敏度，同时采用高次谐波可以减小样品池夹具对晶体振荡的影响。电容补偿模块：在石英晶片两端并联一个大小与晶体并联电容 C0相等的负电容 C，从而去除并联电容的影响，这种方法不会受到频率的影响，在任何频率下 C0都可以得到补偿。负电容 C 采用可
5、调电容，可根据测试样液的不同来调节 C，使得晶片能够正常工作。D 因子采集模块：把一个开关接入振荡电路中，当开关断开时可以把振荡电路改造为衰减振荡的模式，用 FPGA 采集晶体的衰减振荡曲线，并与阻尼正弦方程 A(t)=A0e-t/sin(t+)+constant 相对应,可得出时间常数 ，根据公式 D=1/f 计算得 D因子。等效电阻采集模块：通过测量 AD8367 的 GAIN 脚的 VGAIN信号得到。1.3 有极 QCM-D/LSPR 双技术芯片的研制与测试分析（1）利用 ANSYS 软件对石英晶体微天平进行三维建模，验证了建模的正确性，并对不同电极结构尺寸进行仿真，得出随着电极半径的
6、增大谐振频率不断减小的结论。利用 MATLAB 对不同谐波下电极尺寸对能陷情况的影响进行分析，通过实验结果对比，提出理想的电极尺寸结构为厚度 100nm，半径 3cm。实验中首先选择市场供应的圆形 AT 切石英晶片，厚度为0.3cm，基频为 5MHz 的常规晶片进行实验。采用 ITO 透明导电膜代替金电极，满足了 LSPR透射谱检测要求，测得方块电阻为 10/ 。（2）利用 DDSCAT 软件先后对单个金纳米环和金纳米环阵列的 LSPR 现象进行理论分析与仿真，确定了石英晶片上金纳米环的形状结构对消光光谱以及折射灵敏度的影响。仿真结果表明随着纳米环直径的增加、高度的降低以及壁厚的减小，纳米环的
7、折射灵敏度越高。根据仿真结果，总结得到了理想的金纳米环阵列结构：纳米环高度为 50nm，直径为 500nm，环与环间距 1um。实验采用一种新的在 ITO 表面制作金纳米环阵列的 MEMS 工艺：首先在ITO 膜电极表面旋涂 150nm 厚 PMMA 层，然后采用电子束光刻技术（EBL）在 PMMA 层上形成金纳米环阵列图案，接着用热蒸镀的方法在石英片表面形成 50nm 厚金膜，再采用反转胶lift-off 技术，随后在丙酮中清洗样品几个小时，最后得到金纳米环阵列。折射灵敏度的测试中选用了折射率从 1.00 到 1.36 的几种溶液，测得金纳米环阵列具有很高的折射灵敏691nm/RIU。（3）
8、通过研究免疫球蛋白 G（IgG）和金黄色葡萄球菌蛋白 A 之间的结合实验，测得 QCM-D的频移为 30Hz，D 因子为 0.510-6，LSPR 发生红移 5nm，根据 Sauerbrey 方程计算得晶体表面吸附质量为 520ng/cm2，膜厚 5.3nm。 1.4 微流泵的设计与制作提出一种基于旋转微磁阵列协调驱动的行波式无阀微泵，采用固定于柔性微流管道的圆柱微型磁铁阵列和固定于小型电机转轴上的环形微型磁铁阵列作为微泵驱动部件，在电机转轴旋转过程中，使两组磁铁阵列交替吸引、排斥。通过微型磁铁阵列合理布局, 在微流管道中激发多列驻波，进而在管道中合成行波,驱动液体定向流动。通过调节电机的转速
9、，改变四列驻波的频率，从而改变微流管道上合成的行波的频率，从而实现对流速的控制。目前该泵的最高流速达到 350L/min 。22013 年开展的学术活动(1)3 月 5 日至 3 月 8 日，项目组成员李文彬、叶巍翔、黄舜参与了第八届 IEEE-NEMS2013会议，就微纳米学术界前沿问题进行专题讨论。(2) 5 月 30 日、31 日，项目组成员朱琎、朱卯参与了由瑞典 Q-sense 公司在北京清华科技园举办的 QCM-D 技术研讨会，通过交流了解到 QCM-D 技术的广泛应用以及最新取得的进展。(3)11 月 3 日至 11 月 6 日，项目组成员朱琎参与了中国微米纳米技术学会第十五届学术
10、年会，就微纳米传感器和微流体控制方面进行了交流。二存在问题及解决办法【填写说明：简要说明项目实施中遇到的问题以及采取或拟采取的措施，研究计划调整情况及原因。(字数限制 2000 字)】测量池使用的 PDMS 材料是疏水的，容易在微流体通道内残存气泡，为了提高微流体通道的浸润性，降低气泡的残存，需要对表面进行亲水处理。另外有极 QCM-D/LSPR 双技术芯片的电极采用的是 ITO 导电膜，虽然 ITO 具有良好的耐腐蚀性质和导电性能，但化学稳定性不如金材质稳定，在无极 QCM-D/LSPR 双技术芯片的设计中考虑用金电极，并改进电极形状，不仅满足 LSPR 检测，而且满足能陷性质要求。三其它需
11、要说明的情况【填写说明：前面几部分没有涵盖而需要说明的问题。若有经费管理办法规定范围内的预算科目间调整，也需在此予以说明。(字数限制 2000 字)】四研究成果作者/成果获论文名称/来源/ 出版日期类别（期刊论文、会议论文、发明专利）引用次数是否标注（指论文中是否标注基金号）收录情况（SCI、 EI、CPCI-S、 ISTP）Ruping Liu、Cheng Wang、Quan Jiang、Wei Zhang、Zhao Yue and Guohua Liu/ Magnetic- particle -based, ultrasensitive chemiluminescence enzyme i
12、mmunoassay for free prostate-specific antigen/ Analytica Chimica Acta,801:p91-p96/2013.11.1期刊论文 0 是 SCICheng Wang、 Wei Zhang、Ruping Liu and Guohua Liu/Time-division self-referencing multichannel spectral SPR sensor without mechanical scanning/ Electronics Letters，49(7):p436-p438/ 2013.3.28期刊论文 0 是 S
13、CICheng Wang、Ruping Liu、Wei Zhang、Yujian Wang、Kai Xu、Zhao Yue and Guohua Liu / Multichannel scan surface plasmon resonance biochip with stationary optics and baseline updating capability/ Journal of Biomedical Optics,18(11):p115002/2013.11.1期刊论文 0 是 SCIWenbin Li、Zhao Yue、Cheng Wang、Wei Zhang and Guo
14、hua Liu/An absolutely green approach to fabricate carbon nanodots from soya bean grounds/RSC Advances, (3) : p20662-p20665/ 期刊论文 0 是 SCI2013.Liu Jiazhuo、Ye Weixiang、Zhang Wei、Wang Cheng and Liu Guohua/Design and Implementation of a fuzzy control filtering approach based on the fractal dimension of t
15、he SPR signal/Proceeding of the 2th International Coference on Signal Processing, Communication and Computing, Kunming，P.R. China，5-8 Augest 2013/2013.8.30会议论文 0 是 EI刘儒平、孔祥贵、岳钊、牛文成、刘国华/ 水滑石纳米材料特性及其在电化学生物传感器方面的应用/ 化工进展, 32 (11) : p2661-p2667/ 2013.11.5期刊论文 0 是刘儒平、王程、徐万帮、岳钊、牛文成、刘国华/基于生物素-亲和素放大的 spr 传感
16、器检测大肠杆菌研究/传感技术学报，26(6)：p757-p761/2013.6.15期刊论文 0是刘儒平、杜利东、岳钊、牛文成、刘国华/Cu2O 纳米晶制备及其在乙醇气体传感器中的应用/传感器与微系统，32(12):p138-p141/2013期刊论文 0 是Wenbin Li、Cheng Wang、Wei Zhang、Weixiang Ye、Shun Huang、Zhao Yue and Guohua Liu/Fabrication of Stable Silver Nanoparticles through a Green Approach/Proceedings of the 8th I
17、EEE International Conference On Nano/Micro Engineered And Molecular Systems, Suzhou, P.R. China,7-10 April 2013会议论文 0 是叶巍翔、徐凯、刘佳卓、马丁、刘国华/用于生化传感检测的自适应增量 PID 恒温控制系统/南开大学学报,46(5):p20-p25/2013.10期刊论文 0 是刘国华、张维、叶巍翔、王程、李文彬/一种基于旋转微磁阵列协调驱动的行波式无阀微泵(专利号：201310378611.5)发明专利刘国华、李文彬、张维、王程、叶巍翔、岳钊/一种制备稳定的银纳米颗粒的绿色方
18、法(专利号：201310076938.7)发明专利参考材料：年度研究计划：2013.01-2013.06：在深入调研的基础上，完成有极 QCM-D/ LSPR 双技术芯片及其测试系统的方案设计。并初步完成器材的选购及相关工艺的准备与实验。2013.07-2013.12：完成 QCM-D 振荡测试电路的设计与制作，完成有极 QCM-D/ LSPR 双技术芯片及其测试系统的制备与测试分析研究，重点研究金属纳米阵列的设计与制备工艺；发表研究论文 1 篇。2014.01-2014.06：完成适合双技术同步测试的测量池及无极双技术芯片的电极布局与结构设计方案，完成微流泵、储液池及废液池制作、测试，以及微
19、流泵流速控制研究；发表研究论文 1 篇。2014.07-2014.12：对无极双技术芯片及测量池进行制作与测试研究，选择适当时机，组织部分课题组人员参加国际学术会议等国际交流活动；申请发明专利1 项，发表研究论文 1 篇。2015.01-2015.06：通过理论分析与实验研究，进一步优化无极双技术芯片和测量池的设计与制作工艺，并完成双技术同步检测及其检测数据的融合、互补和校正算法研究；申请发明专利 1 项，发表研究论文 2 篇以上。2015.072015.12：以上述研究为基础，将各部分组合为一个完整的系统，并对系统的总体性能进行测试和优化，为最终的系统集成做好准备；发表研究论文1 篇。2016.012016.06：在对组合系统测试与优化的基础上，在同一基片上，将双技术芯片测量池与微流控系统集成在一起，研制成功高度集成化的无极双技术微流控系统；发表研究论文 2 篇以上。2016.072016.12：完成集成系统的应用测试分析与实验验证，对系统整体性能指标进行测试，对项目进行技术总结；申请发明专利 1 项以上，发表研究论文2 篇以上，并完成项目验收结题。
