生物传感技术在检测和量化生物信号或分子方面发挥着至关重要的作用，其应用已覆盖从医疗保健到环境污染物监测等广泛领域。作为生物学、医学和环境科学的重要工具，生物传感仍是一个值得持续研发的领域。
生物传感器可以采用包括电学、光学和声学在内的多种传感原理。其中，声学重量分析生物传感器因其简单、坚固且成本低而脱颖而出，使其在即时诊断（POCT）应用等很多领域具有广泛的吸引力。
尽管声学生物传感器具有很多优点，但它们往往面临一个共同的缺点，即在液体测量中品质因数（Q）较低。Q值可用于衡量声学系统中的能量损失（或耗散），对声学生物传感器的灵敏度和准确性有很大影响。对于平面外模式声学生物传感器，低Q值主要由声辐射能量损失造成。因此，为了避免声能直接辐射到周围环境中，平面内模式成为首选。然而，即使是平面内声学生物传感器，也会由于剪切倏逝边界层内的摩擦而导致能量耗散。
多年来，已有研究探索了多种方法来提高声学生物传感器的Q值，例如利用波的干涉，将传感器与周围环境隔离，以及采用超构结构捕获声能等。然而，这些努力只是部分解决了低Q值的问题，并没有完全解决根本难题。据麦姆斯咨询介绍，美国杜克大学（Duke University）和Qatch Technologies公司的研究人员展示了一种创新的声学生物传感器设计，它能有效消除液相中的耗散，从而显著提高Q值。通过解决这一根本问题，该设计为提高声学生物传感器在各种应用中的性能开辟了新的可能。
研究人员采用石英晶体微天平（QCM）作为模型系统来实现这种新范例。QCM是一种厚度剪切模式（TSM）谐振器，能够通过测量谐振频率偏移和耗散偏移来检测表面结合质量及相关的能量损失。之所以选择QCM作为模型系统，是因为它操作简单、应用广泛、生产成本低，而且其工作原理与表面声波（SAW）谐振器、薄膜体声波谐振器（FBAR）和体声波（BAW）谐振器等其它声学重量分析生物传感技术具有相关性。
µ-QCM的设计和表征
研究人员提出的这种新的方法，可以改善液体环境中声学重量分析生物传感器的耗散损耗，从而提高其Q值。具体来说，研究人员利用MEMS器件制造中常用的光刻法，在传统QCM传感器顶部添加刚性微流控通道，进而制造出一种微流控石英晶体微天平（µ-QCM）。其中的微流控通道通过毛细作用被动充满探针液体。与传统的QCM传感器相比，这种µ-QCM传感器的实验特性表明，在液体环境中工作时，耗散偏移降低了10倍以上。这表明基本上消除了所有由液体引起的耗散。此外，研究人员还发现，µ-QCM只对液体质量（密度）的变化敏感，而传统QCM会受到密度和粘度的复杂影响。
实验表明，（a）传统QCM的归一化频移随乙醇重量百分比的增加而减小，因为它主要受混合物粘度增加的影响；（b）相比之下，µ-QCM的归一化频移增加，因为它只取决于混合物密度的减小。此外，传统QCM的耗散会随着粘度的增加而增加，而对于µ-QCM来说这种耗散则可以忽略不计。
为了深入了解µ-QCM运行的基本物理原理，研究人员利用有限元分析（FEA），采用分层构建流程构建了仿真模型，并根据实验结果对这些模型进行了验证。结合尺寸分析，有限元分析揭示了影响器件性能的两个关键因素：（1）通道宽度与压力波长之比，（2）通道高度与剪切倏逝波长之比。通过将耗散响应映射为这两个无量纲比率的函数，生成了一个等高线图，可用于指导其它声学生物传感器的设计和制造。
µ-QCM的制造采用了广泛使用的MEMS制造工艺，主要步骤包括光刻胶（S1813）的旋涂、光刻、DC溅射以及用DMSO剥离。
这种µ-QCM不仅能将液体负载引起的耗散偏移降低10倍，还能直接测定液体密度（质量）的变化，最大限度地减少样品体积的要求，并且对温度控制的要求也更低。这些综合优势使µ-QCM对于各种生物传感应用，尤其是在即时诊断应用中具有很高的吸引力。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41378-024-00732-2
