随着第四次工业革命的不断推进,人们的生活环境进入全新时代,传感技术的发展愈发不可阻挡。在传感领域中,生物传感技术是生物医学、信息科学和生命科学的智能连接,近几年发展迅猛。在新时代背景下,高性能检测生物分子、细胞或细菌已成为生物传感器发展的必然趋势。作为生物传感器的核心——敏感单元需有更优的性能:高灵敏度、高可靠性、高精度、可集成等。金纳米颗粒(AuNP)与PDMS(Polydimethylsiloxane)形成的复合材料具有协同效应和良好的生物适应性,在生物传感器领域得到了较好的应用。表面应力生物传感器由于具有易集成、易制备等优点,已成为近几年的研究热点。设计高性能的AuNP-PDMS复合薄膜作为敏感单元,可提高表面应力生物传感器的性能,使表面应力传感器在疾病预防、食品安全、毒性检测应用中具有关键性作用。然而,目前AuNP-PDMS复合薄膜用于生物传感器仍然存在稳定性差、特异性低的问题,表现出一定的应用局限性。因此,本论文通过可控制备方法,解决AuNP-PDMS复合薄膜稳定性差的问题;制备并优化了基于AuNP-PDMS复合薄膜的表面应力生物传感器,实现葡萄糖、大肠杆菌和BSA的探测;设计传感器表面功能化工艺,并提出表面应力信号放大技术,提升传感器的灵敏度、特异性和可靠性,逐步降低传感器的检测极限。具体研究内容如下:1.基于PDMS的还原特性,通过调节PDMS的还原时间、厚度和质量比,实现AuNPs在PDMS内部的可控制备,可有效提高AuNP-PDMS复合薄膜的稳定性,同时克服复合薄膜导电性差的问题。结果显示,在PDMS中原位还原生成了粒径为2.01±0.51 nm的金量子点,并在PDMS内部形成约2.00μm厚度的分布层;AuNPs分布层到PDMS表面的最短距离为2.90±0.47μm,且与PDMS的还原时间和物理性质无关;优化复合薄膜的制备条件为:还原时间为18 h,PDMS厚度为26μm,质量比为10:1。特别地,AuNP-PDMS复合薄膜表现出量子隧穿效应,并对微应变敏感,可应用于表面应力生物传感器。2.设计基于物理吸附的单层型AuNP-PDMS复合薄膜表面应力生物传感器,优化了传感器结构,并利用16-MHA进行表面改性。基于静电吸附和疏水性吸附产生表面应力的原理,研究了传感器对对葡萄糖、E.coli O157:H7和BSA的生物传感测试。结果表明,具有4 mm直径的圆形通孔为传感器最优结构;传感器对葡萄糖、E.coli浓度的对数和BSA均具有线性响应;线性范围分别为0-30 mmol/L、10~3-10~7CFU/mL以及15-100μg/mL;检测极限分别为1.25 mmol/L、10~3?CFU/mL和2.06μg/mL。3.基于上述工作中传感器的特异性问题,通过分别修饰葡萄糖氧化酶(GOx)、E.coli O157:H7抗体和BSA抗体,提高表面应力生物传感器的特异性和可靠性,实现对葡萄糖、BSA和E.coli O157:H7的特异性检测。检测结果表明,传感器的相对电阻变化均与对葡萄糖浓度、E.coli浓度的对数和BSA浓度具有线性关系;检测极限分别降低至0.607 mmol/L、43CFU/mL和1.14μg/mL;与物理吸附法相比,检测极限分别降低了一倍、百倍和一倍;同时传感器对三种待测物表现出良好的重复性和稳定性。此外,本文还明确传感器生物信号-力信号-电信号转换的原理和传感机制,为将此传感器应用于医学检测提供了理论依据。4.针对单层型AuNP-PDMS复合薄膜表面应力生物传感器抗干扰能力低的问题,提出AuNP-PDMS-AuNP三明治复合薄膜的制备方法;基于直接分析法,并通过酶和抗体进行修饰,系统的研究了三明治型复合薄膜对葡萄糖和BSA分子的生物传感特性。结果显示,传感器对葡萄糖和BSA分子检测极限进一步将低至0.021 mmol/L和0.261μg/mL;与单层型传感器的特异性检测方法相比,检测极限均降低了一个数量级。最后,论文提出基于夹心免疫分析法放大表面应力的BSA检测技术,引入BSA二级抗体,提高传感器的灵敏度,与直接分析法相比,检测极限再次降低,为0.035μg/mL。