【正文】 傳感器領(lǐng)域中的一項(xiàng)研究熱點(diǎn)。 目前應(yīng)用最廣泛的是市售的三明治式壓電石英晶體。 4． 易操作與自動(dòng)化：操作系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分析，準(zhǔn)確度高， 一般相對(duì)誤差可以達(dá)到 1%。 壓電石英晶體傳感技術(shù)是 20 世紀(jì) 60 年代建立起來(lái)的一種新型傳感測(cè)量技術(shù)。 Biosensor。血液凝集終點(diǎn)的判斷可通過(guò)自動(dòng)化儀器或肉眼觀察。以壓電石英晶體傳感器振蕩頻率檢測(cè)系統(tǒng)為平臺(tái)，建立了壓電傳感器頻率動(dòng)態(tài)響應(yīng)模型。近年來(lái)我國(guó)也逐漸加入了傳感器技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)力度，許多企業(yè)和民間資本更是瞄準(zhǔn)了生物傳感器廣闊 的市場(chǎng)開(kāi)發(fā)前景和誘人的高額利潤(rùn)，不惜投入巨資紛紛涉足這一高科技領(lǐng)域，組建了多個(gè)專(zhuān)門(mén)從事生物傳感器研究的機(jī)構(gòu)，掀起了生物傳感器研究的熱潮，極大地推動(dòng)了生物傳感器的研究、開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。 2． 專(zhuān)一性與特異性：只對(duì)特定物質(zhì)起反應(yīng)，而且不受顏色、濁度的影響。壓電效應(yīng)包含有壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)兩個(gè)方面。 進(jìn)入 80 年代，壓電傳感領(lǐng)域的幾個(gè)著名研究組如： ,姚守拙， 等組相繼發(fā)表了晶體在液相中穩(wěn)定振蕩成功地研究論文 [9]，從而大大拓寬了壓電在傳感領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。由于當(dāng)時(shí)壓電傳感器只能在氣相中振蕩，因此需抗體吸附于晶體表面并干燥后才能進(jìn)行質(zhì)量測(cè)定。 Wong[13]等采用覆蓋聚乙烯亞胺薄膜的銀電極上用戊二醛交聯(lián)劑固定單克隆抗體，來(lái)區(qū)分和檢測(cè)沙門(mén)氏菌的 ABD 血清型；在 510 ~5 810? cells/ml 的范圍成線性關(guān)系。他們認(rèn)為出現(xiàn)這種差異肯呢個(gè)是由于連在電極上的單鏈DNA 所產(chǎn)生的雜交空間位阻比雙鏈 DNA 大所致。此外，細(xì)菌生長(zhǎng)過(guò)程中的新陳代謝作用也會(huì)改變培養(yǎng)基的物理活性參數(shù)如粘度等，這一現(xiàn)象也可用壓電傳感器加以監(jiān)測(cè)。 基于單片機(jī)，根據(jù)石英晶體生物傳感器的工作原理即壓電諧振技術(shù)優(yōu)化設(shè) xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 5 計(jì)頻率計(jì)數(shù)系統(tǒng)。單晶硅為立方晶體，是各向異性材料，其機(jī)械特性和電子特性取決于晶向，其電阻應(yīng)變靈敏系數(shù) ( 03RRG? )高，在同樣的輸入下，可以得到比金屬應(yīng)變計(jì)更高的信號(hào)輸出，一般為金屬 10~100倍，能在 610? 級(jí)甚至在 610? 級(jí)上感到輸出信號(hào)。 壓電石英晶體 壓電傳感器的核心傳感元件是壓電石英晶片，其工作原理是石英晶體的壓電效應(yīng)。其中，石英晶體因其良好的機(jī)械、電化學(xué)和溫度等綜合性能，成為壓電生物傳感的主要元件。 1012 (C/N)。 切型及金屬電極的選擇 Z 型石英晶體具有機(jī)械品質(zhì)因素較高（ Q 值可高達(dá) 86 10~10 ）、介電常數(shù)和壓電系數(shù)非常穩(wěn)定（在 20~200℃范圍內(nèi)，其溫度系數(shù)為 %/℃，居里點(diǎn)位573℃）、機(jī)械強(qiáng)度高、絕緣性好、抗輻射能力強(qiáng)、反應(yīng)無(wú)遲滯性、耐酸堿腐蝕、壓電特性不易丟失、整體結(jié)構(gòu)工藝好、適于大量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，因 此本研究采用 Z 型石英晶體作為生產(chǎn)石英基片的基體。因此，我們?cè)诒狙芯恐?，選用 AT 切型、基頻 10MHz 的石英晶體，晶體直徑 ,厚度在 100~150nm范圍內(nèi)。由于頻率測(cè)定可以達(dá)到很高的精度，估計(jì)檢測(cè)限可達(dá) 1012g，因此振動(dòng)的 石英 晶體是非常靈敏的質(zhì)量監(jiān)測(cè)器，并稱(chēng)作石英晶體微天平（ Quartz Crystal Microbalance,QCM）。 圖中， C0 為靜電容， Cq 及 Lq 為動(dòng)態(tài)電容和動(dòng)態(tài)電感，與壓電晶體的柔度及質(zhì)量成正比， Rq 為機(jī)械能損耗電阻， Xq 為動(dòng)態(tài)臂阻抗， K 為機(jī)電耦合系數(shù)。然而， 其它一些影響因素，如：由于電極末端邊緣場(chǎng)引起的聲電作用也能引起頻率的變化。 凝血因子檢測(cè)系統(tǒng) 系統(tǒng)采用單片機(jī)來(lái)對(duì)石 英晶體的輸出頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)。 壓電石英晶體生物傳感器選擇的吸附物是酶、抗原、抗體等生物識(shí)別物質(zhì)。凝血酶原時(shí)間（ PT）是評(píng)價(jià)外源性凝血途徑的實(shí)驗(yàn)。 3． 石英壓電振子的洗滌：石英晶體基片采用 的 NaOH 溶液、 的Hcl 溶液分別浸泡 30min，三蒸水浸泡 30min，超凈環(huán)境干燥。提供一個(gè) O 形硅膠密封圈卡位；內(nèi)壁設(shè)計(jì)一固定槽與壓塊的固定栓對(duì)應(yīng)；基座外側(cè)壁采用滾花設(shè)計(jì)，方便裝配檢測(cè)池。 為空氣中諧振穩(wěn)定，記下該刻度作為基準(zhǔn)后調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)。 6． 減小整機(jī)的體積和質(zhì)量，儀器外表美觀大方。溫度控制是一種非線性的、滯后的時(shí)變的復(fù)雜過(guò)程，采用傳統(tǒng)的PID 控制是不適宜的。對(duì)傳統(tǒng)檢測(cè)儀進(jìn)行了改進(jìn)，使測(cè)量過(guò)程更便捷、成本更低、結(jié)果更精確。 等精度頻率的測(cè)量技術(shù) 隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是單片微機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展，使傳統(tǒng)的電子測(cè)量?jī)x器在原理、功能、精度及自動(dòng)化水平等方面都發(fā)生了巨大的變化，形成了一種完全突破傳統(tǒng)概念的新一代測(cè)量?jī)x器 。 等精度頻率測(cè)量的基本原理 基于傳統(tǒng)測(cè)頻原理的頻率計(jì)的測(cè)量精度將隨被測(cè)信號(hào)頻率的變化而變化。實(shí)現(xiàn)了全范圍等精度測(cè)量，減少了低頻測(cè)量的誤差。 石英 晶體傳感器凝血因子 頻率檢測(cè) 整個(gè)石英生物傳感器的信號(hào)硬件檢測(cè)和處理系統(tǒng)的框架如下圖 32 所示，主要由振蕩電路、差頻電路、頻率計(jì)和微處理器組成 [19][20]。施密特觸發(fā)器一方面起到整形作用，用于把放大器生成的單相脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成與 TTL/CMOS 兼容的方波信號(hào)。 2． 計(jì)數(shù)器部分 計(jì)數(shù)器包括事件計(jì)數(shù)器和時(shí)間計(jì)數(shù)器兩部分，它們是兩組完全相同的計(jì)數(shù) 電路。鍵盤(pán)和數(shù)碼顯示部分主要完成測(cè)量功能的選擇和測(cè)量頻率的數(shù)據(jù)顯示。 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 22 圖 34 硬件電路圖 1 123456ABCD654321D C B ATitleNumberRevisionSizeBDate:27Jun2009Sheet of File:C:\Documents and Settings\Administrator\桌面\GB4728.DDBDrawn By:R11D2C13S45 6U14A74LS74121U10A74LS04121U11A74LS04121U12A74LS04121U13A74LS04121U15A74LS04121U16A74LS0412 3≥1U8A74LS0212 3≥1U9A74LS02R4R3C4 CAPC510MHZ23 4 5 6CT1U4A74LS39323 4 5 6CT1U5A74LS39323 4 5 6CT1U6A74LS39323 4 5 6CT1U7A74LS3931192 4 6 811 13 15 1718 16 14 12 3 5 7 9BUFU2 74LS2441192 4 6 811 13 15 1718 16 14 12 3 5 7 9BUFU3 74LS244EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P10/T1P11/T2P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10U1121U18A74LS04121U17A74LS04123≥1U20A74LS02123≥1U19A74LS02P2.7P2.6P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RSTP2.7P2.6T0 T1T1P1.2T0P1.0P1.。根據(jù) D 觸發(fā)器的功能， Q 端與 D 端的邏輯狀態(tài)不同，觸發(fā)器處于閉鎖狀態(tài)，這時(shí)被測(cè)信號(hào)即使到達(dá) CK 端，也不能使其翻轉(zhuǎn)，保證了同步門(mén)可靠關(guān)閉。前級(jí)由雙 4 位異步計(jì)數(shù)器 74LS393 級(jí)聯(lián)構(gòu)成八位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器；后級(jí)由 AT89C52 單片機(jī)內(nèi)的定時(shí) /計(jì)數(shù)器構(gòu) 成十六位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器。第三級(jí)采用十進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器 74160，第二級(jí)輸出的方波加到 74160 的 CLK，當(dāng)從 74160 的 TC 輸出可實(shí)現(xiàn) 10 分頻。 壓電石英晶體傳感器等精度頻率測(cè)量的硬件實(shí)現(xiàn) 硬件設(shè)計(jì) 在頻率計(jì)設(shè)計(jì)中，硬件電路采用了單 片機(jī) AT89C52， D 觸發(fā)器 74LS74，異 步計(jì)數(shù)器 74LS393，緩存器 74LS244，六反相器 74LS0或非門(mén) 74LS02，鍵盤(pán)控制芯片 HD7279A， 8 位 LED 數(shù)碼管等。即在實(shí)際閘門(mén)時(shí)間計(jì)數(shù)，從而提高了測(cè)量精度。等精度頻率的測(cè)量原理圖如圖 31 所示。傳統(tǒng)的頻率計(jì)測(cè)量誤差較大，等精度頻率計(jì)以其測(cè)量準(zhǔn)確、精度高、方便等優(yōu)勢(shì)得到了廣泛的應(yīng)用。周期性過(guò)程重復(fù)出現(xiàn)一次所需要的時(shí)間稱(chēng)為“周期”，記為 T（單位是 s）；單位時(shí)間內(nèi)周期性過(guò)程重復(fù)出現(xiàn)的次數(shù)稱(chēng)為“頻率”，記為 f（單位是 Hz）。 3． 儀器減震功能的改進(jìn) 采用隔離震動(dòng)源和緩沖減震技術(shù)結(jié)合的方法解決。 在新電路設(shè)計(jì)上，除了包括振蕩電路外，還增加了頻率計(jì)單元、溫度控制單元、顯示控制單元和單片機(jī)控制單元。 圖 26 檢測(cè)池調(diào)節(jié)流程 檢測(cè)儀的 設(shè)計(jì) 根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，檢測(cè)儀整體在以前的基礎(chǔ)上改進(jìn)，其改進(jìn)方案如下： 1． 重新設(shè)計(jì)電路，電路包括振蕩電路、溫度控制單元、頻率計(jì)數(shù)單元、單片機(jī)控制單元及顯示控制單元，并具有較強(qiáng)的電磁屏蔽功能。 內(nèi)螺紋螺母：主要功能是為提供垂直壓力，使得壓塊、 O 形密封圈和晶振 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 15 形成檢 測(cè)池，并有電磁屏蔽功能。 壓電傳感器檢測(cè)池的設(shè)計(jì) 凝血功能為一個(gè)精密的實(shí)驗(yàn)，它對(duì)精確度和重復(fù)性上要求較高。因此，石英振子激勵(lì)電極的制備是石英晶體換 能器的關(guān)鍵技術(shù)。通常將可選擇性吸收待測(cè)物質(zhì)的某種材料均勻地涂在壓電石英晶體表面，得到一個(gè)基礎(chǔ)頻率 1f ，然后將其放到有待測(cè)物質(zhì)的氣體或液體中，壓電石英晶體與被測(cè)物質(zhì)作用而形成復(fù)合物， 再對(duì)吸附了被測(cè)物質(zhì)后的壓電石英晶體進(jìn)行頻率測(cè)定 ，從而得到新的頻率 2f ，振動(dòng)頻率的變化 12 ffF ??? (2— 9) 石英晶體諧振頻率和晶體電極表面質(zhì)量負(fù)載變化之間的關(guān)系可由 Sauerbrey方程表示： ? ? 2/122 qqA mff ?? ???? (2— 10) 其中， f? 是覆蓋上的晶 體的共振頻率的變化， f 是晶體的共振頻率， m? 是增加的質(zhì)量， A 是覆蓋的晶體的有效面積， q? 和 q? 分別是石英晶體的密度和剪切模量。 圖 24 檢測(cè)系統(tǒng)框圖 凝血因子檢測(cè)方法 壓電石英晶體生物傳感器是應(yīng)用“逆壓電效應(yīng)”進(jìn)行測(cè)量的。 晶體兩面電極均浸入液體中，會(huì)受到液體機(jī)械聲負(fù)載和介電負(fù)載的協(xié)同作用。石英晶體的應(yīng)用范圍也得到拓寬，特別是在生物學(xué)中的應(yīng)用引起科研工作者的極大興趣。 振蕩電路 振蕩電路如圖 21 工作在 石英晶體串聯(lián)諧振頻率上。 研究已證明，兩種電極石英晶體的響應(yīng)特性和生物結(jié)合特性并無(wú)顯著差異，均可用于壓電生物傳感器的電極。最常用的石英晶片是 AT 切型，即沿著與石英晶體主光軸成 176。表 21 給出石英晶體的主要物理性質(zhì)。石英晶體是單晶結(jié)構(gòu)，外型呈六角棱柱體，兩端呈六角棱錐形體。這種將機(jī)