悬臂传感器

近日，中科院上海微系统与信息技术研究所李昕欣研究员团队报道了一种基于谐振式微悬臂梁的热重分析技术（简称MEMS TGA）。与国际主流的TGA分析仪器相比，该MEMS TGA技术将毫克级的样品消耗量降至10纳克量级，质量变化分辨率从0.1ug提升至1pg，最高升降温速率从50 °C/min提升至数百°C/s，并进一步突破了现有TGA仪器难以测量强氧化剂/爆炸物的使用限制。该MEMS TGA技术还成功与拉曼光谱等表征技术实现了联用，成功实现了TGA-Raman原位实时同步表征，显著提升扩展了TGA的分析能力。相关研究成果以Thermogravimetric Analysis on a Resonant Microcantilever为题，发表在Analytical Chemistry期刊上，并被选为当期的Supplementary Cover论文（图1）。李昕欣团队的博士生姚方兰和许鹏程副研究员为论文的共同第一作者。图1 该工作被选为Analytical Chemistry当期的Supplementary Cover论文英文原题：Thermogravimetric Analysis on a Resonant Microcantilever通讯作者：李昕欣，中国科学院上海微系统与信息技术研究所作者：Fanglan Yao (姚方兰)#, Pengcheng Xu (许鹏程)#, Hao Jia (贾浩), Xinyu Li (李昕昱), Haitao Yu (于海涛), and Xinxin Li (李昕欣)* 背景介绍热重分析技术主要用来测量物质质量随温度变化的关系，被广泛应用于各种功能材料的研发、优化与质量监控。目前商用的热重分析仪器普遍使用高精度热天平进行称重，并利用高温炉来对样品实现加热；每次测试需要消耗毫克（10-3 g）量级的样品，且无法快速升温，测试效率不高。此外，这类仪器无法测试具有腐蚀性或易爆炸性的样品。在联用方面，商用的热重分析仪器通常需要将待测样品密封在TGA测试腔体中，难以与光谱联用，因而无法在加热过程对样品的结构演变进行实时测量。李昕欣团队的论文报道了一种集成片上加热和测温元件的MEMS谐振微悬臂梁，利用该集成谐振微悬臂梁具有的超灵敏质量测量功能（亚皮克量级），实现了微芯片上的热重分析技术（MEMS TGA，其工作原理如图2所示）。该技术只需要纳克（10-9 g）量级的样品即可进行TGA测试，而且可以在1秒钟内将样品加热至1000℃。图文解读图2 MEMS TGA技术的工作原理示意图该论文选取了两种常用的标准样品Cu2(OH)2CO3（碱式碳酸铜）和Ca2C2O4∙H2O（一水合草酸钙），验证了MEMS TGA技术的优势。如图3所示，当升温速率加快时，传统TGA的热重曲线表现出明显的热滞后效应。而MEMS TGA未表现出明显的热滞后现象，因此可在保证测量精度的情况下更高效地测量样品的热重曲线。图3 标准样品的热重分析结果对比：(a) Cu2(OH)2CO3；(b) Ca2C2O4∙H2O由于MEMS TGA具有皮克（10-12 g）量级的超高质量灵敏度，使得对单颗粒样品的TGA测试成为了可能。本论文利用MEMS TGA技术，首次对直径仅为4微米的单颗粒PS（聚苯乙烯）微球实现了TGA测试。而且在进行TGA测试过程中，同时利用光学显微镜实时观测并记录了PS微球在温度升高过程中的形貌演变（图4）。该技术不仅首次实现了单颗粒的TGA测试，还对TGA的测试过程实现了全程可视化。图4 在显微镜下利用MEMS TGA技术对单颗粒PS微球实现了可视化的热重分析MEMS TGA技术具有更广泛的应用范围，甚至可以测试爆炸物。若使用传统的TGA仪器测试具有爆炸性、腐蚀性或强氧化特性的样品，不仅会损毁TGA仪器，而且具有安全隐患。而MEMS TGA技术每次分析仅需要纳克（10-9 g）量级的痕量样品，消除了该方面的安全隐患，可以对此类危险系数高的样品进行测试。如图5所示，本论文成功利用MEMS TGA技术对强氧化物（高锰酸钾）和爆炸物（TNT炸药）进行了热重分析。图5 MEMS TGA在空气中测得的两种危险化学品的TGA曲线：(a) KMnO4；(b) TNTMEMS TGA与光谱具有很强的联用能力。本论文示意了TGA-Raman同步表征技术：在进行TGA测量的同时，可以将MEMS TGA芯片直接置于Raman光谱的光学镜头下，并将Raman激光束聚焦在样品上。在TGA测量过程中，原位实时采集了材料的拉曼信号，从而实现了TGA-Raman同步表征，其工作原理和部分测试结果如图6所示。图6 TGA-Raman同步表征技术总结/展望综上所述，李昕欣团队提出并开发了一种基于谐振悬臂梁微芯片的材料表征技术——MEMS TGA技术。该技术具有显著的优势：纳克样品量要求、皮克超高质量分辨率、数百°C/s的超快升降温速率、极低的功耗和广泛的应用范围。使用该技术甚至已经可以对单颗粒样品实现TGA测试。该MEMS TGA技术还可以与拉曼光谱仪联用，对样品进行TGA-Raman同步表征。在上述研究基础上，李昕欣团队近期还进一步将该MEMS TGA技术与原位TEM技术进行了联用，在进行气体池 in situ TEM表征的同时，实时原位测试了Ni(OH)2等纳米材料的TGA曲线，首次实现了TGA-TEM的同步表征，该部分工作也于近期发表于Analytical Chemistry (DOI: 10.1021/acs.analchem.2c01051)。作者简介：李昕欣，研究员，国家杰出青年科学基金获得者。长期研究微纳电子机械系统（MEMS/NEMS）和微纳传感器技术，是该领域国际知名的学者和国内的学术带头人之一。有约300篇SCI论文发表在国际重要SCI期刊如Nano Letters, Nat. Comm., Anal. Chem., Nano Today, JMCA, PRL, Small, IEEE EDL, IEEE J-MEMS等。

在满足目前各种应用需求的前提下，光谱分析仪器和方法也在不断的创新发展中，不论是分子光谱还是原子光谱都涌现了一系列创新的成果，特别是拉曼光谱、近红外光谱、激光诱导击穿光谱、太赫兹、超快光谱、荧光相关光谱、高光谱等相关技术彰显了极具诱惑的市场活力，引领着行业发展的方向。第十二届光谱网络会议（iCS 2023）中，近50位专家报告充分彰显了光谱创新潜力，纷纷展示了一系列的创新成果：从仪器整机到关键部件；从系统集成到方法开发；从大型科研仪器，到用于现场的便携、手持设备；从实验室检测设备，到过程分析技术……为了更好的展示这些创新成果，同时也进一步加深专家、用户、厂商之间的合作交流，会议主办方特别策划《光谱创新成果“闪耀”iCS2023》网络专题成果展，集中展示本次光谱会凸显的创新成果，包括但不限于仪器、部件、技术、方法、应用等。大连理工大学 陈珂副教授本次会议中大连理工大学陈珂副教授介绍了其课题组在光纤光声气体传感技术及应用方面开展的一系列工作（点击回看》》》），得到与会老师的关注和认可。会后，我们也再次邀请陈珂副教授分享大连理工大学光纤光声传感研究团队的系列成果。1、成果简介大连理工大学光纤光声传感研究团队开展了光纤声波/振动传感技术和光声光谱微量气体检测技术的应用基础研究工作。在光纤传感技术研究方面，首次提出并设计了超高灵敏度光纤悬臂梁声波传感器，信噪比相比于传统电学麦克风提高了1-2个数量级；研制出超高速振动/声波传感解调仪器，采用光谱解调法实现了200 kHz的解调速度，将解调算法集成到FPGA中，大幅度提升了解调的稳定性。在光声光谱技术研究方面，将光纤声波传感器用于光声信号探测，提出了干涉型光纤声波锁相探测方法，设计了新型的光纤悬臂梁增强型光声光谱仪器，实现了对多种微量气体的超高灵敏度检测。研究了基于光纤光声传感的变压器油中溶解气体原位检测技术，研究了气体绝缘设备中六氟化硫分解产物的光纤光声检测技术，并在多个变电站开展了示范应用。根据变压器油中溶解气分析和煤矿瓦斯突出应用需求设计了多套激光光声光谱多组分气体分析仪器，掌握了目前世界上唯一的高瓦斯背景中多组分微量气体光学检测技术。成果1：光纤振动/声波传感器及解调仪器设计的光纤振动/声波传感器采用MEMS悬臂梁结构，具有灵敏度高、稳定性好的特点。研制了基于光谱解调的超高速光纤法布里-珀罗（F-P）传感解调仪，在FPGA中集成光谱采集、光谱相位解调等功能，显著提升了解调速度和稳定性。成果2：光声光谱变压器油中溶解气体分析仪针对高电压油浸式变压器油中溶解气体分析需求，研制了多套激光光声光谱气体分析仪。其中对油中溶解乙炔气体的检测极限达到0.05μL/L。，同时课题组还开发了光声光谱油中溶解气体原位检测仪，可以直接将光声传感器安装于变压器取油口。 成果3：光纤光声传感解调仪器本团队创新性地将光纤F-P声波传感器用于微弱光声信号探测，研制了多套光纤光声传感解调仪器。在FPGA中集成了相位解调算法、数字锁相、激光调制等功能。对乙炔气体的检测极限可达到ppt量级。 成果4：光声光谱煤矿自然发火监测仪研制的光声光谱煤矿自然发火监测仪，可对多种特征气体进行同时测量。检测指标如下：乙炔：0.5ppm；乙烯：1ppm；一氧化碳：1ppm；乙烷：5ppm；甲烷：0.1%；二氧化碳：0.1%成果5：高精度光声光谱环境气体分析仪开发的二氧化氮和二氧化硫气体分析仪，可对环境中痕量气体进行实时监测。二氧化氮气和二氧化硫气体的检测限分别达到1ppb和10ppb。下图中实验数据是开发的二氧化氮气体分析仪与环境监控站的对比结果。成果6：多通道同步FPGA数字锁相放大器针对光谱探测中微弱光信号检测需求，开发了多通道同步FPGA数字锁相放大器。采用定制的线阵探测器对光谱进行同步快速读取，光功率检测极限达到10fW量级，动态范围达到120dB。 2、产业化探索本团队开发的光谱检测、光纤传感类检测仪器具有较高的技术成熟度。在电力、石化等行业具有较好的应用前景。3、课题组未来研究计划光声光谱与光纤传感技术结合后，具有本质安全、抗电磁干扰、灵敏度高、可远距离探测以及多点测量等优势。本课题组将重点研究光纤光声传感技术中的基础科学问题以及工程应用关键技术。欢迎电力、石化、煤矿和环境监测等相关科研院所和公司联系我们。联系人：陈珂（大连理工大学）Email：chenke@dlut.edu.cn课题组介绍陈珂，大连理工大学光电工程与仪器科学学院副教授，博士生导师，大连市青年科技之星，光纤光声传感团队负责人，主要从事光纤传感、激光光谱和微弱信号检测等方面的研究工作。担任中国光学工程学会光谱技术及应用专委会委员，中国电气工程学会测试技术及仪表专委会状态监测学组委员，国家自然科学基金通讯评审专家。工作近8年来，共主持科研项目32项，其中，国家自然科学基金面上项目等国家级项目2项，省部级项目2项，大连市高层次人才创新支持计划项目1项，企业合作项目20余项；在Analytical Chemistry、Optics Letters等期刊上发表SCI/EI论文93篇，其中第一/通讯作者论文63篇；已申请和授权发明专利43项，其中第一发明人专利21项。

p　　strong仪器信息网讯/strong 2017年11月6日，第十三届全国化学传感器学术会议(13th SCCS)在广西桂林成功召开。6日下午，漓江瀑布大酒店会议厅迎来四个分会场的同时开幕，50个邀请报告、41个口头报告将于两天内在这里次第上演。仪器信息网摘录部分精彩报告，以飨读者。/pp style="text-align: center"img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201711/insimg/abc31f7b-e1e6-4d29-948f-dc2fc8fb8cea.jpg" title="IMG_0675_副本.jpg"//pp style="text-align: center "span style="color: rgb(0, 112, 192) "strong13th SCCS分会场速递/strong/span/ppspan style="color: rgb(0, 112, 192) "/span/pp style="text-align: center"img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201711/insimg/cc310345-38dc-4f41-943f-b0c7c629e3a0.jpg" title="肖丹.jpg"//pp style="text-align: center "span style="color: rgb(0, 112, 192) "strong报告题目：几种化学传感器研究进展/strong/span/pp style="text-align: center "span style="color: rgb(0, 112, 192) "strong报告人：四川大学 肖丹/strong/span/pp　　团队开展了电容耦合非接触式电导检测器(C4D)研究，设计了双激励的电容耦合非接触式电导检测器(DIC4D) 研究了离子选择性电极测量的电子集成多电极检测电路(EIMES)，获得了响应斜率的增加 利用静电纺丝聚苯胺微管纤维制备了葡萄糖传感器 设计了气体 pH 电极测量装置，直接测定空气和烟气的 pH 值 合成了 HBI 衍生物 HSA 荧光探针，测定了血清中 HSA 的含量 合成了电致化学发光试剂用于细胞液中 GSH 的检测 设计了自增强的电致化学发光试剂用于钴离子的测定 制备了耐磨且持续稳定的电致化学发光玻碳电极 利用生物质的电致化学发光进行了强碱体系的测试。/pp style="text-align: center"img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201711/insimg/f6ec847b-4866-41e8-a653-5134741e2982.jpg" title="杨海峰.jpg"//pp style="text-align: center "strongspan style="color: rgb(0, 112, 192) "报告题目：基于拉曼探针构筑的生物化学传感/span/strong/pp style="text-align: center "strongspan style="color: rgb(0, 112, 192) "报告人：上海师范大学 杨海峰/span/strong/pp　　团队合成系列 SERS 纳米复合材料(磁性或多孔)，通过表面功能化，构筑拉曼探针，利用磁场富集分离或表面反应选择性富集目标分子，来提高检测灵敏度，实现体液中生物标志物和病毒等快速拉曼分析。合成金/磁网 SERS 探针，利用小型拉曼光谱仪，可以快速定量检测尿液中腺苷，有望用于肺癌早期诊断。在金或银纳米粒子表面，进行功能化，制备高选择性拉曼探针，也可高灵敏检测 RNA 型高致病性流感病毒、尿路感染标志物亚硝酸根、神经递质多巴胺、结肠癌标志物等。/pp style="text-align: center"img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201711/insimg/a294b462-adaa-4e10-aed8-8b81fbef077d.jpg" title="王赪胤.jpg"//pp style="text-align: center "strongspan style="color: rgb(0, 112, 192) "报告题目：自驱动自传感微悬臂传感器/span/strong/pp style="text-align: center "strongspan style="color: rgb(0, 112, 192) "报告人：扬州大学 王赪胤/span/strong/pp　　团队利用 PVDF 压电材料的自激、自感特性作为自制微悬臂传感器的加工材料，结合集成电路强大的信号处理、运算分析能力，首次探索出一套不需外加驱动器(自驱动)同时又可实现自我感知外界信号(自传感)的微悬臂传感器“读出系统”。对传感器表面进行功能化修饰，将抗体固定到传感器的金表面，利用固定化的分子识别物质和分析物之间的免疫反应，将抗原和抗体之间特异性结合的信息转换为可检测的电压信号。与传统的方法相比，方法具有成本低廉、样品使用量少、响应速度快、可便携化、适用于现场检测等诸多优点。/pp style="text-align: center"img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201711/insimg/e3fbde69-749d-46dd-a9e7-fe85f9b0e78a.jpg" title="王桦.jpg"//pp style="text-align: center "strongspan style="color: rgb(0, 112, 192) "报告题目：金银纳米功能材料的制备及其化学生物传感应用/span/strong/pp style="text-align: center "strongspan style="color: rgb(0, 112, 192) "报告人：曲阜师范大学 王桦/span/strong/pp　　团队采用蛋白质(酶)、肽、明胶等生物基质，通过一锅式生物矿化超分子自组装途径，合成了一系列特异光电特性的金银纳米功能材料，用以构建了一些化学与生物光电传感技术。如以谷胱甘肽合成强荧光银纳米材料，开发了一种基于醇溶剂效应的化学传感技术 建立了microRNA 的电化学传感技术 基于超分子自组装途径合成三聚氰胺银纳米材料用以修饰电极 设计了一种锁核酸修饰的探针用以结合纳米孔蛋白，构建了一种高选择性检测 microRNA 及其单碱基错配的传感技术等。/pp style="text-align: center"img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201711/insimg/02effc8e-22a5-4b2e-b3ec-c525226f3474.jpg" title="王文.jpg"//pp style="text-align: center "strongspan style="color: rgb(0, 112, 192) "报告题目：声表面波化学传感器研究进展/span/strong/pp style="text-align: center "strongspan style="color: rgb(0, 112, 192) "报告人：中国科学院声学研究所 王文/span/strong/pp　　基于敏感膜式的SAW化学传感技术体积小、功耗低、响应快，特别是适合于小型化单兵毒害气体快速检测与报警应用。基于冷凝吸附原理的SAW化学传感器灵敏度高(ppb级)、可检测气体组分多(多大数百种)，并可很好的解决交叉干扰问题，符合复杂大气背景条件下的便携式气体成分分析应用要求。报告人从上述传感器敏感机理及物理功能结构两方面出发，结合实验室研究成果，介绍SAW化学传感器的研究进展及应用现状，并分析其未来发展趋势。/pp style="text-align: center"img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201711/insimg/2a3c7273-2371-4377-ba67-bad3d264fe0a.jpg" title="曹忠.jpg"//pp style="text-align: center "strongspan style="color: rgb(0, 112, 192) "报告题目：基于二氧化锡中空微球的硫化氢气体传感器研究与应用/span/strong/pp style="text-align: center "strongspan style="color: rgb(0, 112, 192) "报告人：长沙理工大学 曹忠/span/strong/pp　　团队通过以氨基酚醛树脂球作模板制备中空微球(HMS)结构的二氧化锡，从而制成一种新型薄膜式硫化氢传感器。实验表明，二氧化锡中空微球对硫化氢气体表现出良好的气敏特性。在最佳工作温度200℃时，所制作的传感器对硫化氢的灵敏度高，响应快，线性范围为0.2~100 ppm，检出限达到 0.1086ppm，且不受环境湿度、温度的影响，具有良好的重现性和选择性。该技术可在养殖场连续工作 10 个月以上，适于远程无线监测，在环境保护领域有潜在的应用价值。/pp style="text-align: center"img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201711/insimg/6de0f32b-2011-4e24-8ca0-64ea5aff39f1.jpg" title="刘继锋.jpg"//pp style="text-align: center "strongspan style="color: rgb(0, 112, 192) "报告题目：Zn 2+ 离子诱导的多肽自组装行为及其检测应用/span/strong/pp style="text-align: center "strongspan style="color: rgb(0, 112, 192) "报告人：天津科技大学 刘继锋/span/strong/pp　　团队将特异性结合锌离子的小肽片段和拉曼报告分子 4-MBA 通过 Au-S 键结合到纳米金表面，构建了一种 Au-肽探针，实现体外对Zn 2+ 的检测，具有较高灵敏度和较好的特异性，并通过拉曼成像技术，实现了对细胞内 Zn 2+ 分布的检测，此外还发现了由 Zn 2+ 诱导的探针有序的组装形貌，为此类探针在今后食品安全以及生物医学等方面的检测提供了理论基础和方法。/p