微懸臂梁法向和橫向彈性常數(shù)可溯源性標(biāo)定方法研究

微懸臂梁具有結(jié)構(gòu)簡單、高靈敏度、成本低等特點，是納米測試技術(shù)中的常用工具，尤其作為原子力顯微鏡探針時，在表面形貌測試、納米操縱方面應(yīng)用廣泛，而作為力的感應(yīng)元件微懸臂梁彈性常數(shù)對于掃描速度、力的測量等影響很大。本項目研究了一種新的精密天平與激光干涉相結(jié)合的微懸臂梁彈性常數(shù)可溯源性標(biāo)定方法，通過天平求出加載力值，通過光杠桿法求出微懸臂梁的偏轉(zhuǎn)量，最后由胡克定律求出彈性常數(shù)。該方法提高了微懸臂梁法向和橫向彈性常數(shù)的測量精度，進(jìn)而提高了原子力顯微鏡納米力學(xué)特性表征的精度，為納米材料的研究提供更為可靠的實驗數(shù)據(jù)；也改善了基于探針的納米量級操縱和加工的效果，為納米技術(shù)的真正應(yīng)用提供技術(shù)依托。 本項目完善了基于電磁天平標(biāo)定微懸臂梁法向彈性常數(shù)的技術(shù)理論，提出了法向測量時橫向扭轉(zhuǎn)對標(biāo)定結(jié)果影響的修正方法；將斜面法和天平相結(jié)合，建立原位標(biāo)定橫向彈性常數(shù)的數(shù)學(xué)模型。設(shè)計并搭建了超精密天平與光杠桿法結(jié)合的微懸臂梁彈性常數(shù)標(biāo)定系統(tǒng)，微懸臂梁的法向、橫向偏轉(zhuǎn)量由光杠桿獲得，彎曲力由天平測得；通過對系統(tǒng)的機(jī)械部件、光學(xué)系統(tǒng)及測控電路的優(yōu)化提高了標(biāo)定系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，將系統(tǒng)的機(jī)械噪聲降至最低，實現(xiàn)了微懸臂梁的法向和橫向運動、彎曲量的獲取等功能；對七種型號的微懸臂梁探針進(jìn)行了標(biāo)定，測量結(jié)果的重復(fù)性較好，并對標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行了分析，其相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度的A類評定優(yōu)于1%。 由于本方法力的測量結(jié)果具有可溯源性，具有其他方法不可比擬的優(yōu)勢。本項目中設(shè)計的實驗平臺還可為開發(fā)新型的納米力學(xué)特性測量儀器提供技術(shù)儲備，并帶動相關(guān)領(lǐng)域的研究與開發(fā)。 在本項目的資助下，共發(fā)表研究論文13篇，其中SCI檢索2篇，EI檢索9篇；獲得2項國家發(fā)明專利授權(quán)；培養(yǎng)2名博士、1名碩士畢業(yè)并獲得學(xué)位。

納米力學(xué)特性的表征對納米材料的研究與應(yīng)用具有重要意義。原子力顯微鏡是納米力學(xué)特性表征的重要工具之一，原子力顯微鏡微懸臂梁的法向和橫向彈性常數(shù)直接決定著力學(xué)測量的準(zhǔn)確性，同時也影響納米量級操縱和加工的效果。本項目研究一種精密天平與激光干涉相結(jié)合的微懸臂梁彈性常數(shù)可溯源性標(biāo)定新方法，旨在提高微懸臂梁法向和橫向彈性常數(shù)的測量精度，進(jìn)而提高原子力顯微鏡納米力學(xué)特性表征的精度，為納米材料的研究提供更為可靠的實驗數(shù)據(jù)；也可改善基于探針的納米量級操縱和加工的效果，為納米技術(shù)的真正應(yīng)用提供技術(shù)依托。本項目的研究還可為建立微懸臂梁力學(xué)性能校驗標(biāo)準(zhǔn)提供理論與實驗基礎(chǔ)。.本項目中設(shè)計的實驗平臺還可為開發(fā)新型的納米力學(xué)特性測量儀器提供技術(shù)儲備，并帶動相關(guān)領(lǐng)域的研究與開發(fā)。

以生物素- - 親和素體系BAS為分子識別機(jī)制，研究生物分子的金微球質(zhì)量放大原理的微懸臂梁生物傳感器換能技術(shù)。通過檢測帶有壓阻電極的微懸臂梁的頻率響應(yīng)進(jìn)行定量檢測。研究內(nèi)容包括：液體中微懸臂梁振動理論的研究，主要是微懸臂梁的振動特性與其有效質(zhì)量、彈性常數(shù)以及液體物性間的理論關(guān)系和實驗修正，微懸臂梁的品質(zhì)因數(shù)Q與液體物性的關(guān)系；金微球粒度選擇方法的研究；微懸臂梁的彈性常數(shù)的實時標(biāo)定方法，為該類生物傳感器的標(biāo)定奠定理論和實驗基礎(chǔ)；開發(fā)交流AC檢測法的微懸臂梁品質(zhì)因數(shù)Q控制電路，使其品質(zhì)因數(shù)可調(diào)且在液體中提高三個數(shù)量級，克服微懸臂梁在液體中形變漂移對檢測的影響；傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化。該種換能技術(shù)可達(dá)單分子靈敏度，結(jié)構(gòu)精巧，是現(xiàn)代傳感技術(shù)、機(jī)械學(xué)、信息學(xué)、生物學(xué)多學(xué)科交叉的前沿性研究。它的研制成功可以用于構(gòu)建多種生物傳感器，為食品安全、臨床檢驗、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域的超微量分析提供先進(jìn)的高科技的檢測手段。 2100433B

當(dāng)一側(cè)覆蓋有金屬和修飾物的微懸臂梁（以下簡稱微梁）與被測物特異性作用時，由于兩側(cè)的應(yīng)力不同，微梁產(chǎn)生變形，通過測量變形的程度可識別或定量測定被測物質(zhì)。本申請將電分析化學(xué)的方法和技術(shù)與微懸臂梁傳感器技術(shù)相結(jié)合，研究微梁電極上施加不同電信號的分析方法；在微梁電極上實現(xiàn)微梁變形信號與電化學(xué)反應(yīng)信號同步獲取以研究電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理；研究外部交流信號激發(fā)微梁共振的分析方法；研究當(dāng)電極與微梁近距離靠近時，電極反應(yīng)對微梁測定的控制與影響以及用微梁表征電極表面的電化學(xué)反應(yīng)。目的是研究出高靈敏度、高選擇性的無標(biāo)記免疫分析、酶催化反應(yīng)以及其它類型的新型電化學(xué)微梁傳感器。 2100433B