微悬臂梁传感器工作模式理论分析研究

第 10卷 第5 期2

0 13年 01 月

纳 器米 件与 技 术

Na no de iv c& eT ech n o l ogy

 o 1V. 1 0  No 5.  O tc b eo r 2  103  

微悬

臂梁传 器 工作模式理论感分研究 

析志伟刘 童朝 阳,,金张 平 郝,兰 群 

(防化 研 院究国民核 生化灾 害防护 国家重 点 实 验室,北  京 10 2 2 0 5 ) 

要:简要地介 了绍微悬梁臂传感的器工作原和理要特性 主,着介 绍了微重悬 梁臂传器感动  、

静 态工作模 式下的理 论分 析方 法 和 高灵提 度 的敏主 要 方 法微 悬。臂 传梁 感器 动 在态 .7 -作 式 模下  敏 度灵 极高 但 在, 态环 境 下使液 用易受到 液 阻尼体效应 的 响 ,影 适 只在 于空 气运中行 使 用; 相

对 于动 模 式态, 静态模 式受液 体黏 性 的影响 小较,更 适 于在液 态中使 用。  关键 词 微 :悬臂 梁传感 器 ;作 工 式 模;论理 析 ;分灵 敏 度; 影 因响素

 

Re se ar hc o  n  The o r eti c la A n lay s s   i fo  p Oe ra t ng i 

Mo des   o fr】Ⅵi c r 0一 ca n t i e v elr   Se n s or  

L U  ZIh —i w ei T, NG   O Zh a - yo an g,Z H AG N   i n - pJ in g HAO,  L a n - qu  n

S t at e   K e y   L ab o ra t r o  yo f  N C  B r P o e t c tio n   f o  rC i v i l ia n, R se e r cah I n  t is tu e t  fo   C e mihc a  l De ef n e , c   Bei ji n  1g  0 2 2 0 5,C h i a n) 

A bs t r c a tT h :  wo e kr in  pg n ri i p c el   n a dm  ian  c h a r a t e i r s c t cis  o f   im rc o -c a nt i l ve r  s ee n so rs a r e  i nt r dou ce d e , p e s i c la y l t h eor e t i a l c   ana y l i ss   f o  m ic ro c a—n t i l e ve r s e ns o   r i n   y d n aimc   a n d s t ta ic  op e r a t in  gmo d ,ea n   dth e  p im r a yr  met h

d  t o   mipr o v  e

e  h s en si ti v i yt  ar e  d s i c u s s e ds. I n   t eh  d ny mia c   ope r a t in g  o dme , Mic r o- c a nt li v e e r  s e s nor h  a s a   hi gh s  e n is tiv i t y, b u t i t   i s  

v u ln e ra b le   t o   t h e  da mpi gn  e f f c t e o f    th   el iq ui d. Thu ,st h e  o pe ra t i o n   si  o l y   n u s ita b le f  r  o su e  ni t  eh  a i .r C omp a r d e w it h  t h   e ydn a m c i  op e r a ti n g  m doe ,s t t ia c o p  er a t i n  g mod e   i  smo r e s  ui t a b le  f o r i  rs e  i n t h  e  li q iu d b ec a s ue  o f l  es s   i nl f u e c en   s r s u e ehd  f

ro m t  eh  vi s c o u s  .

K y ewo rd s : mi c o r —ca nt i le v er s  e n s or ; o ep rat i ng m  doe s ; the or et i a l c  a nal y si s; s nes i t i v ity ; i n l fu ne c in g   fa c t ors  

中图分 类

号 T P 2 : 12. 9  

献 标识码 A:

 

文编章号 : 18 21— 1 198 2 0(1 3) 05 —0 0 1 0 —05

 

0 引 言

由于微 臂悬梁感器传具体有积小 灵、度高敏 、  需不记标、 阵列可等优化点,在 发微型展化、集  化 、智成能化方面具有很大 等优的势 成为,年 

近目前, 以 悬臂 微传梁 感 为基 器础 的各种 生  

分化子 检测 究研已经成 为 生化 检 测领 域重的 研点究

 

方 向。而然 对 于微 悬 ,梁臂传 器 上感发 生生 的  反化 应 何 如引 起微悬 臂梁 弯 的 曲 或 (振谐 频 率 的改

 变

研究还较)少 在现阶。 ,微段悬梁臂感传器  

的 、动静态作工式模均不同的有论理模及型研究方 法  。本文主要概了括微臂悬梁传感 器的作工原理 和主要特性 . 着重介绍了悬微梁传感器动臂 、静  态作模工式下 的论分析

方法提和高敏度的主 

要灵方法  

的究研点热,并 广用于抗泛 原 【”、 DN tA2 、细菌1闭、  

病毒 [4 1 、化学毒 及爆炸物  、物生分物子构象变化 f

i ]

湿、度阎 流、  速、热量 【  ol 诸多检等测领 域  。收 稿

日期 : 201 -3 0 9 — 31 

lO  

第 1

0卷第 期5 

20 13 1年0月  

米器 件技 与 术

aN n o edv i ce &T e hcn o l g o y

 

0 l V _1 0 N o 5   Oc t . ob er   20 13  

时,i 

fi+  = (  、/ 【 者 [] 14 ‘

 ](

9 )  

由是 表于 面 结 合 子分引 起的 谐 振 率频改  变,△  是 所 合 结分子 总 质量 的.。『 由是分 于子结 

图3微 悬臂 梁 态动 式模工作 原 理

 合引起

生分子物相互间作产生用的表面力 应  。 由 ( 5 ) (、6 ) (、 7 式)可知 , 微悬臂 梁质 一 量定 、

合结同 样标 分子目的 情况 下 ,微梁 长 ,越 其(

)3 

刚度 改 变的 是均 的匀) : A   U = (   一  )  

率 频化 值变 大越,微悬 臂 的梁 敏灵度 越 也 。高   悬微臂 梁传 感器 在 态动 作工 模 式下灵敏 度极 

臂 谐 振 频梁 率随 悬 梁臂质 量的 增 而加减 小 , 悬臂随 梁弹 性系 数增 加 而增 的 加。 前 大 多目

 高, 但液态环境下在用使受到液体易阻效尼应 的 影,只适于响空气中运在使用行,相 对动于模态

  式静, 模态 受 液式体黏 性 的 影较响小 ,更 适在于  态液 使 中 。用

 数的报

认道悬臂为谐振梁率的频化主变是要由  于分 子结\ 7合 、引 I起  的质 量增加 , 质量 变 改 相对使 弹性 

系 数 改 变对,悬 臂 梁 振 谐 率频 的变 化占 主导 作 

用,因 ,此上中式性弹数项系忽可略,谐振频 

率变化公 可简化式为 :

 mA一

 4

提灵敏 高的度要方主 法 4. 1  优化微 臂悬梁何结构几 

由st o n ey方 程_ 2l_ 可 知微 。 悬臂梁 的 弯 曲大小 与  微悬 臂梁 的 度及长厚 有度关 与 。长其 度 平的  方正 比成, 与厚其度 的平 方成反 比因,此 ,理论上 

_ 

) 4

 由

( ) 4式可 ,知微悬梁谐振臂频 的率变化  未结与合目 标分 时子 的固有频率 质量及增加 正 成比 与未结合 ,目分标时微子的梁量质成 比,反  因 此若,在证保微梁表积大面小变不能结而上同合  多的样标目分的情子下况 ,微梁制作的越 ,其 薄 未合结 标目分时固有频率越

子大 、质量越小 微 . 梁也 灵 更敏 。  但最 近研有究报道表 明 , 谐振率频的 化  主要变是由生物分子间相于互用诱作 导的面 

应表 导力致 刚 度变 化 引而 ,总起的 量 质 改 引起变 频 率 变化 是不主 。 由分子因间 作 用引 起的 表应 力面  可 下面用这个 公式 来估 算 : 

来说 ,

微悬臂梁 长的度长 ,越度越厚 ,薄灵其敏  越度高。而然,目前制 作微臂悬梁 技的而言 ,  

过 长和术过 薄会 导致 微悬 臂 梁容 易裂断 因, 此保 在 证 微悬 臂梁 固的前 牢提 .加下 大 微悬 臂梁 长 度与 厚   的度相 比值对 以可显著增加 其 敏灵度。  

4. 2使 杨用 氏模量 更 的材料低

 

除 用 硅、氮 硅 化和 氧二化 等硅 硅材 制料作微 

j  i

丁 :

【 L孚 2 ( )筝J+ ( 筝 2 )]

  1 

5 (  

)(6 )  

梁 ,还臂可 应 用杨氏 模量 更低 的 聚物高 材来 料

备制 杨微氏模 量只 有硅 材 料的1 / 40 ,由s t on ey 

丁 。 是单位 长 度微每悬臂 梁 的 弯曲载荷 ,  

丁o = }  

程_

l 2 ] 知 ,可 氏模杨降量 低,敏灵提度 。高相悬对 臂  梁 ,分部文【 献18 Ⅱ  9 应]用由 s u 一 8料材制的微悬 

臂 作梁来检 测 目标 物 由 S。 一 8U 作 制的 微 臂悬 梁适  于氮 化 等硅 料 ,而对材P H 、 酸 度 碱 等化 学物 质  相 应 不 感敏,在很 多场 合下 以更可 地 消 除 好本底  噪音 但. 制 工造还艺不 是很 熟成 应,用 不多 。 

4 3.纳 米料材的 信号 放大 

为占悬梁臂的抗弯刚 , 度  悬臂梁为长的度。  f

表可示 为 :

(   )   、 /  

7) 

( 8 )

 为

悬梁臂的有质效量。  A

  满 先足 验 程 方 :

c o s A i oc sh A  + 1 0 = 

微在臂悬梁面结表合分子引而频起变率化至 1

纳 米料可材 增加以微悬梁 臂检的测敏灵度。  

5  期

2 0 3年1l 0月 

米 科技 

o . 5  N O tc oebr   2 01 3 

a nos ci e cn e N& ano te c h n o l o gy

 

前 。已目研有究I 2者0 N ̄硅用纳米子修饰粒的 c — D N A 成形疫免合物来检复测H B V( 乙型肝 病炎毒 )

 D N的A 检 测, 灵敏 度达 到2 3 . 1 f M一 2 3.1 M,n 比不

 

Hed d e n    DL, L a r e au    R .TD e o rs pt io n c  ha r a ct e ri st i c s  o f   u

n o ca t e  ds i l ic n o  i mcr o c n ta l ie ve r   s u r fa ces   o fr   e xp lo s i v e  

a dn  c o mmo n   n o ne x p l osi v e  v pao s[rJ ] . l tUr a m ic r 0s c 叩 y,  

2 0 4, 010 0 : 12  1 -2 1 .6 

纳米用粒 子 免疫 复 物合 检测的灵 敏 度 提高 了 2—3 个 数量级 。   4 . 4 磁力大 加 弯 曲 在 用 纳 利米材料 修饰 的抗体 与 原形 成抗免 疫 

6 [】 

P nn a id wu g e   L  a,APi nn a du w a g e    AL, W gi A, He d de n    D

. eL t  a 1 . e D tec ti on o   f  t ri ni t ro to l e u e n  v ai  e d lfa g r at ion o n a   

cir oc an t ile ve r【J ] J _ou r anl o  f A  pp l ie d P h y is sc,  

20 0, 4 59 : 587 1— 5 8 57 .

 M

ukh o p a hd ay y  R ,S mu b a e vy  V, L o re n z etn  M , K j ms  eJ ,

 A dn re a s n   e  P ,ABe se n  ba c eh r   F.aC n ti l e ve r  se n s o r  or f   n nao m ec h aui c a l   ed te t c oin o  f s p e c iif c   p r o t e i  nc o no r f a m — 

复合将物号放大信的础上基 ,可还通过结对上 

的合纳米材 施料加 力来 大增悬臂 梁 弯 曲的。有 究研  者 2 l 【_利 用磁性 四 氧化 铁 纳三米 粒 修饰 子的抗体 与  抗 形原成 疫免 合复 物 测 检 P AS(前 列 腺特 异 性抗  )原 磁.性 氧 四 化 三铁纳 粒米子 免疫 复 合物 在微  臂悬 梁 表 形面 成后以 用, 一块 径 直为2 c m 的 圆  柱形永久 铁磁在微距臂悬 约梁5   I0 x m的地 方 加 大 微 悬臂  梁的 弯曲 结果 。 示 显, 在 PS A 为同

0  . 4 n  g m /的情 L 况下 .由 磁 场于 对 性 磁纳 米粒子  

i o ns [ ] . J a nNo   Let t er s ,2 0 0 5 , 5 2 :3 8 —5 23 88 .  [8 ]   hSi  X ai — oL ei , C h e n 

Q i, F n ag J  ,ie t a 1  .A 1 2 03- c o at e d  im—   c r o c n at i le v e r s   f r o d et c et i on   of  mo i s t r e u  t  ap p m l e  v el[ J ] . 

Se s onr s  a n d Ac   t u ato r s  B ,20 08 , 129 : 21—4 425 .

 【

]9  Z h a n g Q  i, R u a n  W n — Zeh o u, W na  g aHn e,t   1a. A  s e f —  

bl e dn de  pi e z r eos ist i v e  im cr c a no ti l e v e r l f ow s e n s o  r of r 

l ow l f o w   ra t e   mea su r m een [ Jt] . Se ns o r s  a n d  A ct au to r s   A,  

2 0 01 1 5,8 :2 73 — 2 79   . ch el s  T T, i f e enb c ha re  F ,S ch af er R.Co n d n e a t s ion   of [ 1   0]  a

B 引而吸引起 的 输 电出压加大 4 . 了3 倍  。

so l a t e d  m tea l   c l su t e sr  s tu d i ed  w it   ha  c a lo ri me t e r[ J J.  

J o ur n l a o f C h emic al   P hy s i c s , 919 9 1 , 1 0 : 10 0 801—0 1 0 5.  

结5语 

文简本地概要 了括微臂悬传梁感的器工作原

理 、主  要特 性着, 重 介绍了 悬微臂 梁 感 传器动 、 

J o hn osn  B  N, uM t a hr as a n  R .Bi soe n si n g u s in g   y nd am—  

i c —m doe   a cnt i le v er s e n so rs : A  r e v eiw[ J] .B o i se ns o r   s n da 

 …

i o l e cet or i c sn, 21 0  1. S T ON EY   G   G. Th e   te sni o n   o   me f at l l ic  i f lm s d  ep o s t i ed

b y   e el c tr o y sl s[ iJ] . P r co e ed ni g s  o f   t h e  o y aRl   S oci e

y   o  fL

o d no n s  er i e s  — Coa n ati n ing  P pae rs  o f  a   Mat h em ta cia l

 静态工作

式模下的论理分方法析以提及高敏灵度 的

主要方 。 法

参考 文献

 u  W G  H J ,  i   H,FHa n s en   , e K t  1 . B ia o s asa y   o f   pr os t a te —

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r e i gn  D W  T,h u n da  t T. i Suml a t o ni   fo Ad s  or p t io n   n I—  [ 1 4]   aD

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Bi toe c hn o lo g ,y 2 0 01, 19 : 8 65 - 6 8 .   0l ic   B ,a Yng  Y, A ubi  nK, e t  a 1 En.u m e ra it n o  o f  D NA  [2 ]   I

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m ol ec u e s  bl o und  t o   a   na n o m e hca n ic a  lo s ci l a lt or[ ] .J  N

a n  oL e tt e r s 2, 0 05, 5:9 5—2 2 99 .    .S Mn t h a ars n  aR.A  no v e  l e t h omd   f o r  m on tio irn g   [ 3]  Xu am s s — ch an g e r e s p o ns e  of   p ie z eo le ct r ic e—x ci t ed  m l l i mi —  e

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 NA  Ra p t aem r   as  rec e p to r  m o l ecu l e s f o r l   abe l — — rf e e  d . .e

 t

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o s   r fo r   d et c te o ni   fo  eH ap t t ii s  A  an d   C v i  ru se s   i n  s ue【 rmI l  

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n na du a gw  e L A , T h un da t T, Ge  hl  A ,Wil os n S    ,D  [5   ]Pi

i sc, 2 0 07 2 ,3 : 549 — 4 6 5.

 

下(转 2 第0)页  

第1 卷第 5 0期 

2 01 3 年 1 0 月 

加米 工工 艺 N

noa— p or ecs s i ng  T e chn iq e u

 Vo

1. 1 0   o .N5  

Oc

t bo e r 2 01  3

04  .

ab om in i c s   Luo u r[J 】 .M at   R e s  B u ll, 2 0 1  1,4 6: 7 01 —8

1  7 13 . 

[9]   A cse n ico   J. A

. M , eji a   Y . , L iu H. B   , e.t   a 1. B i ore d u c t o n  i s y n hte si s o f  E u — Au n nao p a rt ic l e s [ J 1 L a.n g mu ir ,  

2 0 0 3 ,19 5 8 : 285—8 8 6 .  

1 4】 Ca t s or  L . , L ius   a .B M., G o n azl ze  F . 1. , e t a  1. x E r a tce l u l — l

ar  b i os y n t he si s   o   g o f d  ln a n opa r tic le  su si n   s ug gar   b eet  

[1 0 】 K um ar   V . , Y d aa v  S.K . , Pl n t a-me d ai te d  y nst h e s i s  o f  s i l v e r   and   gol d   a n n o pa r i ctl es   nad   t eh ri   app i c alt i o n s [ J] . J 

Che m  T e ch o nl  B o it e ch nol , 0 029 , 84 1 :   1—1 5 5 .  

7 up p l [J . C h ] em  E n g  J, 20 1 0 ,1 6 4 9 :2- 7 9.  

者 作 介 

[ 1   简1 】S h a k anr   . S ,R i a A ., A k a nmw ar  B , e .   t 1 a. B i ol og i c a l s  yn —  t h es is  o f  t r i a ng u l r a g o l d   n a n op ri sm  fsJ ] . Na t  Ma t er ,

2 0 0  , 3 4 4 8:2— 84 8.  

吴凌 风( 1 9 8 一 8 ,),男族汉, 福建省漳州市人 ,士 硕研

生 .主究 要研 领究域 为 米材纳 的 制 料 备和形 貌调 控 

【1 2 】 i Xe  J ., L ee   .J . , WaY gn  .D I. C ., e   a lt 1 .S i l ve   r nan o pl a et s : 

维吴维( 1 8 79 一),女 , 族汉,福建 省 漳州市 ,人硕士 

研 究生 .主要研 究领 域为 米材纳料 的 制 备 和分离 纯化 。

 f rom   bi o o l igc al   to b i oi m met ic   s y n t he s si[J ] _ CA  S a nNo ,  

20 0 7 1 :, 429— 43 9.  

彪 (1 9 6 3 )一 男,, 汉 ,族 福建 省 厦市人门 教, 授 ,博 士 究生导 研师,主 要研 究 域领为 境环化 与工 生 

物中 纳米 技术  /

;  /;   / ;  / ; /  ;/ ; \!  / :  

1   3]  N a r yaa n a n  K B .. ,S k ta h i evl   . ,N E xt r a ce l l u l a   r ys nt h esi s  

of  s i l v e r n  n ao par t e l ei   u ss nig   h et  le a f   xe rta c t  fo  C o le us  

; \ /! :\ :

/   ; 

/;  

/;  

 ; :/ /   : / ; 

( 上接

第9页) 

P o r r eg ss   n i D v e l o p em ent   of  M on o l t ihi c  A cti v e  P ixe l  eD—   t e c to r  f or  X r— a y As t r o no m y  wi h t S  I   COMO S  Te ch n o l o yg 

8  [1 王超. R F S O I   CM O 工S 艺器 件 仿 真 及 电 路 应 用 研究 

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者 简 介作

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c k s o  nT ,O Bu l z c cah el l i  J F , Fri e dma  n DJ .A  1 2一 Gb s   [ / 】 6  D

1i  1 — — m W h a l f— . r ate   a sp ml ed  5 . t ap   d ec is i no   eo d bfa c k e . .   q

u ali z e   ri wt h  c u r r en t — i n— t eg r at ing   s mme ru  s i n 4  — — n 5m 

( 1 98 7一 ) ,男 汉,族 陕, 西渭 南人 ,硕 士 究 研

SO l C M0S   t e c nho lo g [yJ ] .S o l d i S —ta t  e C ir cu t s i , 0 0 2 , 494  

f 41 : 1 2 89 1—3 0 5 . 

生 . 要主 研究领 域为 通 信集 成 路电 设 计。

 商世 广 1 (97 5一 ), 男,汉族 , 河 信南阳人 , 副 教 授,  

硕 士研 究 导 师 生, 要研主究 域领为 纳微 电 材子料 器与 。  

件[

7 】   骆苏 ,华刘

丽 张苗, ,等 .S O I在频 电射路 的应 中用 

IJ J .微 子 电, 2 学 00 5 3 ,5( 1 ) : 6 — 7 07  

.仝 ,: ;\ ! 仝: , ; 、 ! 舍 :,; \ !全 :  合舍: 合  舍 / : 、;: 金    金全! / ; \ : 舍 !金 /  \ !;, ; \: 合 合  {合   :/\ : / ; \ ! 合/  ;\ ! 金   金: 仓 / ! \;: 仓 !/ ; \ :   金  金/ \ :!仓 /: : 、 合  

上第接 1页3)  【

1 】 8V  S ,R aj o yra   A P, a n   tP, t   a 1 e .Po l mey r  m i er o c n tai el v er 

b i co he i m c a l  se n s o rs w   t ih  i n e g rta t ed  p o l yme r c  omp o s i ets  

na n poa tr icl e p  ro be s   Ij] . e n sS ros a n d    c At u t oar s  B,

  2 0 1 1 , 1 6 0 : 560 - 6 5 .5

  f r oe l e  c r it c al   de t ect i n o 【 J ]. So lid  S ta t e  S c e in c es,   20

9, 0 11 1: 066 1  116  

.作

简者 介 

[ 91  ] Ca ll e ja   ,M N o r d st r m o M ,A l av e z r  , M t   a e1 .i g hH l   sy en si —   r

iv e  p o l y em r— — b a s e   d can t i l v e r e—— s e ns o r s  o rf  DNA  d ete c —-  

刘 伟 (志1 9 89 一 ) ,男,汉族, 南湖娄省底市人 , 硕士 

研究 生.要主 研 领究域 为 物 检 生 测  

。 tio n [J ] . U r ah mi cr os c o y , p20 0 ,5 1 5 :02 1 5— 22 2  

h.a B    H ,L e   e  SM, P ra k T   C , te a 1 . Det e c t io n o f  He  p —  [ 2 0 】 C

  童朝阳( 19 7 2一 ) ,男汉,族 ,四川 省山市乐 ,人 研究  员博 .士研究生 师 ,主导要 究领域 研为 物生传 与感 生物

检测。  

 a

itt i s   B  Vi r u s H(B V ) D N A  a   tf em t om o lar   c on c e nt r at i n s  ou

i ng a   s il ic a   n na op ra t i cle e — h na n c e  md i c r o ac n ti l e ve r

 s

e n sor l J 1 .B i o s e n s o r s a nd  B i o el cet r o ni c s 2 ,0 0 9,2 5 : 

1 03 — 1 53 .

张 平 f金 9 17 8一) , 男 ,汉族, 东山省 平度人市 硕,士  研 究 生 .

理助研 究 员,主要研 究领 域 为生 物 测 检。   郝群 兰 1 ( 9 70 )一, 女 汉 族 ,, 河北 省 衡 水市 人 ,本  科 .

工程 ,师主要 研 领 究 为域生 物 检 。 测

 [ 2

1 ]  

Ma

  L i yua n, W ang  C a h mio n ,g Zh n ga  M ni gh u i.eD te c itn g   p ro t ei n   a d s orp t i n o  a n d  b nid i ng   u s i n g   amg ne t ic 

第 10卷 第5 期2

0 13年 01 月

纳 器米 件与 技 术

Na no de iv c& eT ech n o l ogy

 o 1V. 1 0  No 5.  O tc b eo r 2  103  

微悬

臂梁传 器 工作模式理论感分研究 

析志伟刘 童朝 阳,,金张 平 郝,兰 群 

(防化 研 院究国民核 生化灾 害防护 国家重 点 实 验室,北  京 10 2 2 0 5 ) 

要:简要地介 了绍微悬梁臂传感的器工作原和理要特性 主,着介 绍了微重悬 梁臂传器感动  、

静 态工作模 式下的理 论分 析方 法 和 高灵提 度 的敏主 要 方 法微 悬。臂 传梁 感器 动 在态 .7 -作 式 模下  敏 度灵 极高 但 在, 态环 境 下使液 用易受到 液 阻尼体效应 的 响 ,影 适 只在 于空 气运中行 使 用; 相

对 于动 模 式态, 静态模 式受液 体黏 性 的影响 小较,更 适 于在液 态中使 用。  关键 词 微 :悬臂 梁传感 器 ;作 工 式 模;论理 析 ;分灵 敏 度; 影 因响素

 

Re se ar hc o  n  The o r eti c la A n lay s s   i fo  p Oe ra t ng i 

Mo des   o fr】Ⅵi c r 0一 ca n t i e v elr   Se n s or  

L U  ZIh —i w ei T, NG   O Zh a - yo an g,Z H AG N   i n - pJ in g HAO,  L a n - qu  n

S t at e   K e y   L ab o ra t r o  yo f  N C  B r P o e t c tio n   f o  rC i v i l ia n, R se e r cah I n  t is tu e t  fo   C e mihc a  l De ef n e , c   Bei ji n  1g  0 2 2 0 5,C h i a n) 

A bs t r c a tT h :  wo e kr in  pg n ri i p c el   n a dm  ian  c h a r a t e i r s c t cis  o f   im rc o -c a nt i l ve r  s ee n so rs a r e  i nt r dou ce d e , p e s i c la y l t h eor e t i a l c   ana y l i ss   f o  m ic ro c a—n t i l e ve r s e ns o   r i n   y d n aimc   a n d s t ta ic  op e r a t in  gmo d ,ea n   dth e  p im r a yr  met h

d  t o   mipr o v  e

e  h s en si ti v i yt  ar e  d s i c u s s e ds. I n   t eh  d ny mia c   ope r a t in g  o dme , Mic r o- c a nt li v e e r  s e s nor h  a s a   hi gh s  e n is tiv i t y, b u t i t   i s  

v u ln e ra b le   t o   t h e  da mpi gn  e f f c t e o f    th   el iq ui d. Thu ,st h e  o pe ra t i o n   si  o l y   n u s ita b le f  r  o su e  ni t  eh  a i .r C omp a r d e w it h  t h   e ydn a m c i  op e r a ti n g  m doe ,s t t ia c o p  er a t i n  g mod e   i  smo r e s  ui t a b le  f o r i  rs e  i n t h  e  li q iu d b ec a s ue  o f l  es s   i nl f u e c en   s r s u e ehd  f

ro m t  eh  vi s c o u s  .

K y ewo rd s : mi c o r —ca nt i le v er s  e n s or ; o ep rat i ng m  doe s ; the or et i a l c  a nal y si s; s nes i t i v ity ; i n l fu ne c in g   fa c t ors  

中图分 类

号 T P 2 : 12. 9  

献 标识码 A:

 

文编章号 : 18 21— 1 198 2 0(1 3) 05 —0 0 1 0 —05

 

0 引 言

由于微 臂悬梁感器传具体有积小 灵、度高敏 、  需不记标、 阵列可等优化点,在 发微型展化、集  化 、智成能化方面具有很大 等优的势 成为,年 

近目前, 以 悬臂 微传梁 感 为基 器础 的各种 生  

分化子 检测 究研已经成 为 生化 检 测领 域重的 研点究

 

方 向。而然 对 于微 悬 ,梁臂传 器 上感发 生生 的  反化 应 何 如引 起微悬 臂梁 弯 的 曲 或 (振谐 频 率 的改

 变

研究还较)少 在现阶。 ,微段悬梁臂感传器  

的 、动静态作工式模均不同的有论理模及型研究方 法  。本文主要概了括微臂悬梁传感 器的作工原理 和主要特性 . 着重介绍了悬微梁传感器动臂 、静  态作模工式下 的论分析

方法提和高敏度的主 

要灵方法  

的究研点热,并 广用于抗泛 原 【”、 DN tA2 、细菌1闭、  

病毒 [4 1 、化学毒 及爆炸物  、物生分物子构象变化 f

i ]

湿、度阎 流、  速、热量 【  ol 诸多检等测领 域  。收 稿

日期 : 201 -3 0 9 — 31 

lO  

第 1

0卷第 期5 

20 13 1年0月  

米器 件技 与 术

aN n o edv i ce &T e hcn o l g o y

 

0 l V _1 0 N o 5   Oc t . ob er   20 13  

时,i 

fi+  = (  、/ 【 者 [] 14 ‘

 ](

9 )  

由是 表于 面 结 合 子分引 起的 谐 振 率频改  变,△  是 所 合 结分子 总 质量 的.。『 由是分 于子结 

图3微 悬臂 梁 态动 式模工作 原 理

 合引起

生分子物相互间作产生用的表面力 应  。 由 ( 5 ) (、6 ) (、 7 式)可知 , 微悬臂 梁质 一 量定 、

合结同 样标 分子目的 情况 下 ,微梁 长 ,越 其(

)3 

刚度 改 变的 是均 的匀) : A   U = (   一  )  

率 频化 值变 大越,微悬 臂 的梁 敏灵度 越 也 。高   悬微臂 梁传 感器 在 态动 作工 模 式下灵敏 度极 

臂 谐 振 频梁 率随 悬 梁臂质 量的 增 而加减 小 , 悬臂随 梁弹 性系 数增 加 而增 的 加。 前 大 多目

 高, 但液态环境下在用使受到液体易阻效尼应 的 影,只适于响空气中运在使用行,相 对动于模态

  式静, 模态 受 液式体黏 性 的 影较响小 ,更 适在于  态液 使 中 。用

 数的报

认道悬臂为谐振梁率的频化主变是要由  于分 子结\ 7合 、引 I起  的质 量增加 , 质量 变 改 相对使 弹性 

系 数 改 变对,悬 臂 梁 振 谐 率频 的变 化占 主导 作 

用,因 ,此上中式性弹数项系忽可略,谐振频 

率变化公 可简化式为 :

 mA一

 4

提灵敏 高的度要方主 法 4. 1  优化微 臂悬梁何结构几 

由st o n ey方 程_ 2l_ 可 知微 。 悬臂梁 的 弯 曲大小 与  微悬 臂梁 的 度及长厚 有度关 与 。长其 度 平的  方正 比成, 与厚其度 的平 方成反 比因,此 ,理论上 

_ 

) 4

 由

( ) 4式可 ,知微悬梁谐振臂频 的率变化  未结与合目 标分 时子 的固有频率 质量及增加 正 成比 与未结合 ,目分标时微子的梁量质成 比,反  因 此若,在证保微梁表积大面小变不能结而上同合  多的样标目分的情子下况 ,微梁制作的越 ,其 薄 未合结 标目分时固有频率越

子大 、质量越小 微 . 梁也 灵 更敏 。  但最 近研有究报道表 明 , 谐振率频的 化  主要变是由生物分子间相于互用诱作 导的面 

应表 导力致 刚 度变 化 引而 ,总起的 量 质 改 引起变 频 率 变化 是不主 。 由分子因间 作 用引 起的 表应 力面  可 下面用这个 公式 来估 算 : 

来说 ,

微悬臂梁 长的度长 ,越度越厚 ,薄灵其敏  越度高。而然,目前制 作微臂悬梁 技的而言 ,  

过 长和术过 薄会 导致 微悬 臂 梁容 易裂断 因, 此保 在 证 微悬 臂梁 固的前 牢提 .加下 大 微悬 臂梁 长 度与 厚   的度相 比值对 以可显著增加 其 敏灵度。  

4. 2使 杨用 氏模量 更 的材料低

 

除 用 硅、氮 硅 化和 氧二化 等硅 硅材 制料作微 

j  i

丁 :

【 L孚 2 ( )筝J+ ( 筝 2 )]

  1 

5 (  

)(6 )  

梁 ,还臂可 应 用杨氏 模量 更低 的 聚物高 材来 料

备制 杨微氏模 量只 有硅 材 料的1 / 40 ,由s t on ey 

丁 。 是单位 长 度微每悬臂 梁 的 弯曲载荷 ,  

丁o = }  

程_

l 2 ] 知 ,可 氏模杨降量 低,敏灵提度 。高相悬对 臂  梁 ,分部文【 献18 Ⅱ  9 应]用由 s u 一 8料材制的微悬 

臂 作梁来检 测 目标 物 由 S。 一 8U 作 制的 微 臂悬 梁适  于氮 化 等硅 料 ,而对材P H 、 酸 度 碱 等化 学物 质  相 应 不 感敏,在很 多场 合下 以更可 地 消 除 好本底  噪音 但. 制 工造还艺不 是很 熟成 应,用 不多 。 

4 3.纳 米料材的 信号 放大 

为占悬梁臂的抗弯刚 , 度  悬臂梁为长的度。  f

表可示 为 :

(   )   、 /  

7) 

( 8 )

 为

悬梁臂的有质效量。  A

  满 先足 验 程 方 :

c o s A i oc sh A  + 1 0 = 

微在臂悬梁面结表合分子引而频起变率化至 1

纳 米料可材 增加以微悬梁 臂检的测敏灵度。  

5  期

2 0 3年1l 0月 

米 科技 

o . 5  N O tc oebr   2 01 3 

a nos ci e cn e N& ano te c h n o l o gy

 

前 。已目研有究I 2者0 N ̄硅用纳米子修饰粒的 c — D N A 成形疫免合物来检复测H B V( 乙型肝 病炎毒 )

 D N的A 检 测, 灵敏 度达 到2 3 . 1 f M一 2 3.1 M,n 比不

 

Hed d e n    DL, L a r e au    R .TD e o rs pt io n c  ha r a ct e ri st i c s  o f   u

n o ca t e  ds i l ic n o  i mcr o c n ta l ie ve r   s u r fa ces   o fr   e xp lo s i v e  

a dn  c o mmo n   n o ne x p l osi v e  v pao s[rJ ] . l tUr a m ic r 0s c 叩 y,  

2 0 4, 010 0 : 12  1 -2 1 .6 

纳米用粒 子 免疫 复 物合 检测的灵 敏 度 提高 了 2—3 个 数量级 。   4 . 4 磁力大 加 弯 曲 在 用 纳 利米材料 修饰 的抗体 与 原形 成抗免 疫 

6 [】 

P nn a id wu g e   L  a,APi nn a du w a g e    AL, W gi A, He d de n    D

. eL t  a 1 . e D tec ti on o   f  t ri ni t ro to l e u e n  v ai  e d lfa g r at ion o n a   

cir oc an t ile ve r【J ] J _ou r anl o  f A  pp l ie d P h y is sc,  

20 0, 4 59 : 587 1— 5 8 57 .

 M

ukh o p a hd ay y  R ,S mu b a e vy  V, L o re n z etn  M , K j ms  eJ ,

 A dn re a s n   e  P ,ABe se n  ba c eh r   F.aC n ti l e ve r  se n s o r  or f   n nao m ec h aui c a l   ed te t c oin o  f s p e c iif c   p r o t e i  nc o no r f a m — 

复合将物号放大信的础上基 ,可还通过结对上 

的合纳米材 施料加 力来 大增悬臂 梁 弯 曲的。有 究研  者 2 l 【_利 用磁性 四 氧化 铁 纳三米 粒 修饰 子的抗体 与  抗 形原成 疫免 合复 物 测 检 P AS(前 列 腺特 异 性抗  )原 磁.性 氧 四 化 三铁纳 粒米子 免疫 复 合物 在微  臂悬 梁 表 形面 成后以 用, 一块 径 直为2 c m 的 圆  柱形永久 铁磁在微距臂悬 约梁5   I0 x m的地 方 加 大 微 悬臂  梁的 弯曲 结果 。 示 显, 在 PS A 为同

0  . 4 n  g m /的情 L 况下 .由 磁 场于 对 性 磁纳 米粒子  

i o ns [ ] . J a nNo   Let t er s ,2 0 0 5 , 5 2 :3 8 —5 23 88 .  [8 ]   hSi  X ai — oL ei , C h e n 

Q i, F n ag J  ,ie t a 1  .A 1 2 03- c o at e d  im—   c r o c n at i le v e r s   f r o d et c et i on   of  mo i s t r e u  t  ap p m l e  v el[ J ] . 

Se s onr s  a n d Ac   t u ato r s  B ,20 08 , 129 : 21—4 425 .

 【

]9  Z h a n g Q  i, R u a n  W n — Zeh o u, W na  g aHn e,t   1a. A  s e f —  

bl e dn de  pi e z r eos ist i v e  im cr c a no ti l e v e r l f ow s e n s o  r of r 

l ow l f o w   ra t e   mea su r m een [ Jt] . Se ns o r s  a n d  A ct au to r s   A,  

2 0 01 1 5,8 :2 73 — 2 79   . ch el s  T T, i f e enb c ha re  F ,S ch af er R.Co n d n e a t s ion   of [ 1   0]  a

B 引而吸引起 的 输 电出压加大 4 . 了3 倍  。

so l a t e d  m tea l   c l su t e sr  s tu d i ed  w it   ha  c a lo ri me t e r[ J J.  

J o ur n l a o f C h emic al   P hy s i c s , 919 9 1 , 1 0 : 10 0 801—0 1 0 5.  

结5语 

文简本地概要 了括微臂悬传梁感的器工作原

理 、主  要特 性着, 重 介绍了 悬微臂 梁 感 传器动 、 

J o hn osn  B  N, uM t a hr as a n  R .Bi soe n si n g u s in g   y nd am—  

i c —m doe   a cnt i le v er s e n so rs : A  r e v eiw[ J] .B o i se ns o r   s n da 

 …

i o l e cet or i c sn, 21 0  1. S T ON EY   G   G. Th e   te sni o n   o   me f at l l ic  i f lm s d  ep o s t i ed

b y   e el c tr o y sl s[ iJ] . P r co e ed ni g s  o f   t h e  o y aRl   S oci e

y   o  fL

o d no n s  er i e s  — Coa n ati n ing  P pae rs  o f  a   Mat h em ta cia l

 静态工作

式模下的论理分方法析以提及高敏灵度 的

主要方 。 法

参考 文献

 u  W G  H J ,  i   H,FHa n s en   , e K t  1 . B ia o s asa y   o f   pr os t a te —

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 中

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76— 869 . 

r e i gn  D W  T,h u n da  t T. i Suml a t o ni   fo Ad s  or p t io n   n I—  [ 1 4]   aD

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Bi toe c hn o lo g ,y 2 0 01, 19 : 8 65 - 6 8 .   0l ic   B ,a Yng  Y, A ubi  nK, e t  a 1 En.u m e ra it n o  o f  D NA  [2 ]   I

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[ 5 ]  1 景 大, 王 飞,雷 赵 学增, 等 .压 微电悬臂 梁气 体感传 器

 

m ol ec u e s  bl o und  t o   a   na n o m e hca n ic a  lo s ci l a lt or[ ] .J  N

a n  oL e tt e r s 2, 0 05, 5:9 5—2 2 99 .    .S Mn t h a ars n  aR.A  no v e  l e t h omd   f o r  m on tio irn g   [ 3]  Xu am s s — ch an g e r e s p o ns e  of   p ie z eo le ct r ic e—x ci t ed  m l l i mi —  e

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6: 9-2633 .

 王

飞,王晓明 等. ,考虑中性 层位置 变 化微  [ 的16 】  景雷 ,大

悬 臂梁气传感体器 静 态 模的型分 f析J ] 固.体力 学学  ,报 02 12, 3 3 0( )5: 3 0 9 3— 1 5.

n  g  K  S, Le e  S  , ME m  o,Ke t   a 1. N ano e c m a h i n cal   【 l ] 7 Hw mai c r o ca t n ile ve   r ope rat e d i n   vib ra ti on   m doe s   wi h t  sue  o f

 NA  Ra p t aem r   as  rec e p to r  m o l ecu l e s f o r l   abe l — — rf e e  d . .e

 t

er - si z e d c an t i lev e ( PrE MC ) es ns r so [J】 . S e ns ors   na d

A  tcu a t o rs  B, 20 0 9 , 413 1:4 4~1 5 1.  mu rd g oan  ,E l Aa c a  B   E, K av a k li   I  H, e  t a1 .MES   Mb oi s en — 【 4  ] T i

o s   r fo r   d et c te o ni   fo  eH ap t t ii s  A  an d   C v i  ru se s   i n  s ue【 rmI l  

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n na du a gw  e L A , T h un da t T, Ge  hl  A ,Wil os n S    ,D  [5   ]Pi

i sc, 2 0 07 2 ,3 : 549 — 4 6 5.

 

下(转 2 第0)页  

第1 卷第 5 0期 

2 01 3 年 1 0 月 

加米 工工 艺 N

noa— p or ecs s i ng  T e chn iq e u

 Vo

1. 1 0   o .N5  

Oc

t bo e r 2 01  3

04  .

ab om in i c s   Luo u r[J 】 .M at   R e s  B u ll, 2 0 1  1,4 6: 7 01 —8

1  7 13 . 

[9]   A cse n ico   J. A

. M , eji a   Y . , L iu H. B   , e.t   a 1. B i ore d u c t o n  i s y n hte si s o f  E u — Au n nao p a rt ic l e s [ J 1 L a.n g mu ir ,  

2 0 0 3 ,19 5 8 : 285—8 8 6 .  

1 4】 Ca t s or  L . , L ius   a .B M., G o n azl ze  F . 1. , e t a  1. x E r a tce l u l — l

ar  b i os y n t he si s   o   g o f d  ln a n opa r tic le  su si n   s ug gar   b eet  

[1 0 】 K um ar   V . , Y d aa v  S.K . , Pl n t a-me d ai te d  y nst h e s i s  o f  s i l v e r   and   gol d   a n n o pa r i ctl es   nad   t eh ri   app i c alt i o n s [ J] . J 

Che m  T e ch o nl  B o it e ch nol , 0 029 , 84 1 :   1—1 5 5 .  

7 up p l [J . C h ] em  E n g  J, 20 1 0 ,1 6 4 9 :2- 7 9.  

者 作 介 

[ 1   简1 】S h a k anr   . S ,R i a A ., A k a nmw ar  B , e .   t 1 a. B i ol og i c a l s  yn —  t h es is  o f  t r i a ng u l r a g o l d   n a n op ri sm  fsJ ] . Na t  Ma t er ,

2 0 0  , 3 4 4 8:2— 84 8.  

吴凌 风( 1 9 8 一 8 ,),男族汉, 福建省漳州市人 ,士 硕研

生 .主究 要研 领究域 为 米材纳 的 制 料 备和形 貌调 控 

【1 2 】 i Xe  J ., L ee   .J . , WaY gn  .D I. C ., e   a lt 1 .S i l ve   r nan o pl a et s : 

维吴维( 1 8 79 一),女 , 族汉,福建 省 漳州市 ,人硕士 

研 究生 .主要研 究领 域为 米材纳料 的 制 备 和分离 纯化 。

 f rom   bi o o l igc al   to b i oi m met ic   s y n t he s si[J ] _ CA  S a nNo ,  

20 0 7 1 :, 429— 43 9.  

彪 (1 9 6 3 )一 男,, 汉 ,族 福建 省 厦市人门 教, 授 ,博 士 究生导 研师,主 要研 究 域领为 境环化 与工 生 

物中 纳米 技术  /

;  /;   / ;  / ; /  ;/ ; \!  / :  

1   3]  N a r yaa n a n  K B .. ,S k ta h i evl   . ,N E xt r a ce l l u l a   r ys nt h esi s  

of  s i l v e r n  n ao par t e l ei   u ss nig   h et  le a f   xe rta c t  fo  C o le us  

; \ /! :\ :

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( 上接

第9页) 

P o r r eg ss   n i D v e l o p em ent   of  M on o l t ihi c  A cti v e  P ixe l  eD—   t e c to r  f or  X r— a y As t r o no m y  wi h t S  I   COMO S  Te ch n o l o yg 

8  [1 王超. R F S O I   CM O 工S 艺器 件 仿 真 及 电 路 应 用 研究 

[D ] . 海:上华 东师 范大学 2,0 01.  

者 简 介作

[   ]J P.h y s i cs  P or e d ci a , 2 0 12, 73: 13 3 7 — 318 .0 

c k s o  nT ,O Bu l z c cah el l i  J F , Fri e dma  n DJ .A  1 2一 Gb s   [ / 】 6  D

1i  1 — — m W h a l f— . r ate   a sp ml ed  5 . t ap   d ec is i no   eo d bfa c k e . .   q

u ali z e   ri wt h  c u r r en t — i n— t eg r at ing   s mme ru  s i n 4  — — n 5m 

( 1 98 7一 ) ,男 汉,族 陕, 西渭 南人 ,硕 士 究 研

SO l C M0S   t e c nho lo g [yJ ] .S o l d i S —ta t  e C ir cu t s i , 0 0 2 , 494  

f 41 : 1 2 89 1—3 0 5 . 

生 . 要主 研究领 域为 通 信集 成 路电 设 计。

 商世 广 1 (97 5一 ), 男,汉族 , 河 信南阳人 , 副 教 授,  

硕 士研 究 导 师 生, 要研主究 域领为 纳微 电 材子料 器与 。  

件[

7 】   骆苏 ,华刘

丽 张苗, ,等 .S O I在频 电射路 的应 中用 

IJ J .微 子 电, 2 学 00 5 3 ,5( 1 ) : 6 — 7 07  

.仝 ,: ;\ ! 仝: , ; 、 ! 舍 :,; \ !全 :  合舍: 合  舍 / : 、;: 金    金全! / ; \ : 舍 !金 /  \ !;, ; \: 合 合  {合   :/\ : / ; \ ! 合/  ;\ ! 金   金: 仓 / ! \;: 仓 !/ ; \ :   金  金/ \ :!仓 /: : 、 合  

上第接 1页3)  【

1 】 8V  S ,R aj o yra   A P, a n   tP, t   a 1 e .Po l mey r  m i er o c n tai el v er 

b i co he i m c a l  se n s o rs w   t ih  i n e g rta t ed  p o l yme r c  omp o s i ets  

na n poa tr icl e p  ro be s   Ij] . e n sS ros a n d    c At u t oar s  B,

  2 0 1 1 , 1 6 0 : 560 - 6 5 .5

  f r oe l e  c r it c al   de t ect i n o 【 J ]. So lid  S ta t e  S c e in c es,   20

9, 0 11 1: 066 1  116  

.作

简者 介 

[ 91  ] Ca ll e ja   ,M N o r d st r m o M ,A l av e z r  , M t   a e1 .i g hH l   sy en si —   r

iv e  p o l y em r— — b a s e   d can t i l v e r e—— s e ns o r s  o rf  DNA  d ete c —-  

刘 伟 (志1 9 89 一 ) ,男,汉族, 南湖娄省底市人 , 硕士 

研究 生.要主 研 领究域 为 物 检 生 测  

。 tio n [J ] . U r ah mi cr os c o y , p20 0 ,5 1 5 :02 1 5— 22 2  

h.a B    H ,L e   e  SM, P ra k T   C , te a 1 . Det e c t io n o f  He  p —  [ 2 0 】 C

  童朝阳( 19 7 2一 ) ,男汉,族 ,四川 省山市乐 ,人 研究  员博 .士研究生 师 ,主导要 究领域 研为 物生传 与感 生物

检测。  

 a

itt i s   B  Vi r u s H(B V ) D N A  a   tf em t om o lar   c on c e nt r at i n s  ou

i ng a   s il ic a   n na op ra t i cle e — h na n c e  md i c r o ac n ti l e ve r

 s

e n sor l J 1 .B i o s e n s o r s a nd  B i o el cet r o ni c s 2 ,0 0 9,2 5 : 

1 03 — 1 53 .

张 平 f金 9 17 8一) , 男 ,汉族, 东山省 平度人市 硕,士  研 究 生 .

理助研 究 员,主要研 究领 域 为生 物 测 检。   郝群 兰 1 ( 9 70 )一, 女 汉 族 ,, 河北 省 衡 水市 人 ,本  科 .

工程 ,师主要 研 领 究 为域生 物 检 。 测

 [ 2

1 ]  

Ma

  L i yua n, W ang  C a h mio n ,g Zh n ga  M ni gh u i.eD te c itn g   p ro t ei n   a d s orp t i n o  a n d  b nid i ng   u s i n g   amg ne t ic 


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