微悬臂梁法向和横向弹性常数可溯源性标定方法研究

微悬臂梁具有结构简单、高灵敏度、成本低等特点，是纳米测试技术中的常用工具，尤其作为原子力显微镜探针时，在表面形貌测试、纳米操纵方面应用广泛，而作为力的感应元件微悬臂梁弹性常数对于扫描速度、力的测量等影响很大。本项目研究了一种新的精密天平与激光干涉相结合的微悬臂梁弹性常数可溯源性标定方法，通过天平求出加载力值，通过光杠杆法求出微悬臂梁的偏转量，最后由胡克定律求出弹性常数。该方法提高了微悬臂梁法向和横向弹性常数的测量精度，进而提高了原子力显微镜纳米力学特性表征的精度，为纳米材料的研究提供更为可靠的实验数据；也改善了基于探针的纳米量级操纵和加工的效果，为纳米技术的真正应用提供技术依托。 本项目完善了基于电磁天平标定微悬臂梁法向弹性常数的技术理论，提出了法向测量时横向扭转对标定结果影响的修正方法；将斜面法和天平相结合，建立原位标定横向弹性常数的数学模型。设计并搭建了超精密天平与光杠杆法结合的微悬臂梁弹性常数标定系统，微悬臂梁的法向、横向偏转量由光杠杆获得，弯曲力由天平测得；通过对系统的机械部件、光学系统及测控电路的优化提高了标定系统的稳定性和准确性，将系统的机械噪声降至最低，实现了微悬臂梁的法向和横向运动、弯曲量的获取等功能；对七种型号的微悬臂梁探针进行了标定，测量结果的重复性较好，并对标定结果进行了分析，其相对标准不确定度的A类评定优于1%。 由于本方法力的测量结果具有可溯源性，具有其他方法不可比拟的优势。本项目中设计的实验平台还可为开发新型的纳米力学特性测量仪器提供技术储备，并带动相关领域的研究与开发。 在本项目的资助下，共发表研究论文13篇，其中SCI检索2篇，EI检索9篇；获得2项国家发明专利授权；培养2名博士、1名硕士毕业并获得学位。

纳米力学特性的表征对纳米材料的研究与应用具有重要意义。原子力显微镜是纳米力学特性表征的重要工具之一，原子力显微镜微悬臂梁的法向和横向弹性常数直接决定着力学测量的准确性，同时也影响纳米量级操纵和加工的效果。本项目研究一种精密天平与激光干涉相结合的微悬臂梁弹性常数可溯源性标定新方法，旨在提高微悬臂梁法向和横向弹性常数的测量精度，进而提高原子力显微镜纳米力学特性表征的精度，为纳米材料的研究提供更为可靠的实验数据；也可改善基于探针的纳米量级操纵和加工的效果，为纳米技术的真正应用提供技术依托。本项目的研究还可为建立微悬臂梁力学性能校验标准提供理论与实验基础。.本项目中设计的实验平台还可为开发新型的纳米力学特性测量仪器提供技术储备，并带动相关领域的研究与开发。

以生物素- - 亲和素体系BAS为分子识别机制，研究生物分子的金微球质量放大原理的微悬臂梁生物传感器换能技术。通过检测带有压阻电极的微悬臂梁的频率响应进行定量检测。研究内容包括：液体中微悬臂梁振动理论的研究，主要是微悬臂梁的振动特性与其有效质量、弹性常数以及液体物性间的理论关系和实验修正，微悬臂梁的品质因数Q与液体物性的关系；金微球粒度选择方法的研究；微悬臂梁的弹性常数的实时标定方法，为该类生物传感器的标定奠定理论和实验基础；开发交流AC检测法的微悬臂梁品质因数Q控制电路，使其品质因数可调且在液体中提高三个数量级，克服微悬臂梁在液体中形变漂移对检测的影响；传感器的结构设计与优化。该种换能技术可达单分子灵敏度，结构精巧，是现代传感技术、机械学、信息学、生物学多学科交叉的前沿性研究。它的研制成功可以用于构建多种生物传感器，为食品安全、临床检验、环境监测等领域的超微量分析提供先进的高科技的检测手段。 2100433B

当一侧覆盖有金属和修饰物的微悬臂梁（以下简称微梁）与被测物特异性作用时，由于两侧的应力不同，微梁产生变形，通过测量变形的程度可识别或定量测定被测物质。本申请将电分析化学的方法和技术与微悬臂梁传感器技术相结合，研究微梁电极上施加不同电信号的分析方法；在微梁电极上实现微梁变形信号与电化学反应信号同步获取以研究电化学反应机理；研究外部交流信号激发微梁共振的分析方法；研究当电极与微梁近距离靠近时，电极反应对微梁测定的控制与影响以及用微梁表征电极表面的电化学反应。目的是研究出高灵敏度、高选择性的无标记免疫分析、酶催化反应以及其它类型的新型电化学微梁传感器。 2100433B