【正文】 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。 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)。若石英晶體表面沉積了一定質(zhì)量的物質(zhì)，其振蕩頻率就會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。交變激勵(lì)電壓施加于石英晶體兩側(cè)的電極時(shí)，石英晶體會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振蕩。 圖 24 檢測系統(tǒng)框圖 凝血因子檢測方法 壓電石英晶體生物傳感器是應(yīng)用“逆壓電效應(yīng)”進(jìn)行測量的。 凝血因子檢測系統(tǒng) 系統(tǒng)采用單片機(jī)來對(duì)石 英晶體的輸出頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)。 液體中常規(guī)壓電晶體的等效參數(shù)的關(guān)系式相應(yīng)為： kAlR ??0 (2— 5) 2020 4?? ACCCC k ????? (2— 6) 22/12 )(2111 K AfwCwLwCKXwLwCwLX sqqqaqqqq??????????? ??? (2— 7) 221 )(2)( KAfRK RRR sqaq ???????? (2— 8) 其中， w 是晶體的角頻率， A*及 l 是與晶體電極、引線極其結(jié)構(gòu)有關(guān)的常量。由剪切波在粘性介質(zhì)中的流體力學(xué)理論，對(duì)以剪切波在牛頓型液體中傳播的 AT 切壓電石英晶體，諧振晶體單位面積上受到液體的機(jī)械聲阻抗負(fù)載 mZ 可表述為： 2/1))(1( ??? smmm fjjXRZ ???? (2— 3) 設(shè)晶體諧振區(qū)僅限于其金屬電極部分并令電極面積為 A，則液體施加于晶體兩面電極上的總聲阻抗為 2/1))(1(22 ??? sma fjAjXaRaAZZ ????? (2— 4) 因 此液體中壓電石英晶體的分布參數(shù)等效于電路如圖 23 所示。 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。然而， 其它一些影響因素，如：由于電極末端邊緣場引起的聲電作用也能引起頻率的變化。已經(jīng)有很多人在液體環(huán)境中進(jìn)行了將壓電石英晶體傳感器作為監(jiān)測器的研究。只有解決了這兩個(gè)問題，才能使晶體振蕩（應(yīng)用）體系拓寬，也才能準(zhǔn)確的根據(jù)晶體振蕩頻率變化來獲取質(zhì)量傳感的信息。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。 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)。放大后的頻率經(jīng)整形后與參考頻率進(jìn)行差頻比較。當(dāng)晶體浸入液體后，由于液體阻尼的影響，振蕩器輸出電壓幅值下降。 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。由于頻率測定可以達(dá)到很高的精度，估計(jì)檢測限可達(dá) 1012g，因此振動(dòng)的 石英 晶體是非常靈敏的質(zhì)量監(jiān)測器，并稱作石英晶體微天平（ Quartz Crystal Microbalance,QCM）。 Sauerbery 方程 雖然壓電石英晶片的諧振頻率在恒定條件下非常穩(wěn)定，如普通石英鐘的精確度可達(dá)到誤差小于 1 秒，相對(duì)誤差在千萬分之一以下，但 Sauerbrey 指出，若在石 英晶體的電極表面加上一小質(zhì)量負(fù)載層，將導(dǎo)致晶振頻率的顯著下降。銀膜晶振已經(jīng)有成熟生產(chǎn)線工藝的生產(chǎn)，而且頻率穩(wěn)定，成本較低。 研究已證明，兩種電極石英晶體的響應(yīng)特性和生物結(jié)合特性并無顯著差異，均可用于壓電生物傳感器的電極。因此，我們?cè)诒狙芯恐校x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)。對(duì)于高頻的矩形切片，其振蕩頻率高低與石英晶片的厚度成反比，晶片太薄，頻率越高，靈敏度也就越高但加工特別是銑磨工藝越困難，因?yàn)樘〉木惺軌毫π?，易碎裂。晶體的厚度一般在 ~ 之間，晶體表面的激勵(lì)電極為銀（或金）膜電極，厚度 1? m 左右。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。 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。石英材質(zhì)輕，密度為 ，為不銹鋼的 31 ，彎曲強(qiáng)度為不銹鋼的 4 倍。同時(shí)石英晶體與單晶硅一樣，具有優(yōu)良的機(jī)械物理性質(zhì)。表 21 給出石英晶體的主要物理性質(zhì)。 1012 (C/N)。因此它的獨(dú)立壓電系數(shù)只有兩個(gè)： 11d 和 14d ，其壓電常數(shù)矩陣可寫為 ?????????????? 0000000202000001114141111dddddd ij (2— 1) 其 中 11d =179。 石英晶體的壓電特性與其分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)。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。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。 迄今已經(jīng)出現(xiàn)的壓電材料分為三種類型：一是壓電晶體（單晶），它包括壓電石英晶體和其他壓電晶單晶；二是壓電陶瓷（多晶半陶瓷）；三是新型壓電材料，其中有壓電半導(dǎo)體和有機(jī)高分子壓電材料兩種。這種將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的現(xiàn)象 ，稱為“逆壓電效應(yīng)”。這種將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，稱為“順壓電效應(yīng)”。 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)。 正是這些優(yōu)點(diǎn)，使硅材料稱為制造機(jī)電和微機(jī)械結(jié)構(gòu)及其微傳感器最主要的優(yōu)選材料。 3． 與微電子集成電子線路便于集成 。 綜上所述，硅材料的優(yōu)點(diǎn)可歸納如下： 1． 優(yōu)異的機(jī)械特性 。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)。 硅材料質(zhì)量輕，密度為 ，是不銹鋼密度的 ，而彎曲強(qiáng)度卻為不銹鋼的 倍，具有較高的強(qiáng)度 /密度比和較高的剛度 /密度比。 硅材料儲(chǔ)量豐富，成本低，硅晶體生長容易，并存在超純無雜的材質(zhì)，不純度在十億分之一的量級(jí)；因而本身的內(nèi)耗小， 因數(shù)高達(dá) 610 數(shù)量級(jí)（實(shí)際值往往比其最高值小幾倍）。 3． 壓電傳感器頻率動(dòng)態(tài)響應(yīng)模型的建立 。 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)。以德國物理學(xué)家 Sauerbrey 導(dǎo)出的壓電石英晶體頻移與晶體表面均勻吸附的物質(zhì)質(zhì)量之間變化關(guān)系的 Sauerbrey 方程為理論基礎(chǔ)。 在課題的研究過程中，主要的研究內(nèi)容為： 1． 凝血因子檢測系統(tǒng)的原理 。介紹了血漿凝血因子檢測系統(tǒng)的工作原理。此外，細(xì)菌生長過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。這已結(jié)果也在預(yù)料之中，因此細(xì)胞的典型直徑約為 10um，比壓電晶體表面聲波 的作用距離大得多，細(xì)胞中只有貼壁的一小部分參與晶體的振蕩；另外，細(xì)胞在表面不是均勻剛性膜，而且細(xì)胞含大量的細(xì)胞漿，在溶液中細(xì)胞還受溶液的浮力作用。貼壁細(xì)胞顧名思義就是在培養(yǎng)器皿的壁上生長，細(xì)胞的分裂生長過程對(duì)應(yīng)于器壁的質(zhì)量增加過程，故可以利用壓電傳感器的質(zhì)量特性對(duì)細(xì)胞生長過程進(jìn)行監(jiān)測。Hoechst33258 的引入不僅提高了檢測的靈敏度，而且為 DNA 和 DNA 嵌入劑的定量分析提供了新的研究途徑 [16]。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。 Ito 等觀察了溶液酸堿度對(duì) DNA 連接的影響，發(fā)現(xiàn)在酸性或堿性條件下，DNA 探針連在電極上的量最多，而在中性溶液中， DNA 雜交效果最好。結(jié)果表明，當(dāng)有一個(gè)連續(xù)的互補(bǔ)堿基存在時(shí)，也可以進(jìn)行雜交，但隨著互補(bǔ)堿基的數(shù)量下降雜交也變得越來越不穩(wěn)定。 日本 Okahato 等人采用了一個(gè) 9MHz 的 AT 切割的鍍金的石英晶體，利用10 個(gè)堿基的能與單鏈的 M13 噬菌體 DNA 的 EcorⅠ結(jié)合位點(diǎn)互補(bǔ)的脫氧核糖核苷酸作為探針， 研究了由于雜交引起 的頻率差隨時(shí)間的變化，獲得了滿意的結(jié)果 [15]。 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，來區(qū)分和檢測沙門氏菌的 ABD 血清型；在 510 ~5 810? cells/ml 的范圍成線性關(guān)系。 Park 等利用 SulfoLCSPDP 自組裝技術(shù)把琉基化得沙門氏菌抗體固定在 10MHZ 的石英晶體表面，提高了檢測的靈敏度和特異性。在壓電晶體表面直接固定蛋白質(zhì)易導(dǎo)致蛋白質(zhì)的失活，因此一般需要對(duì)晶體表面先進(jìn)行修飾，然后再在修飾層上固定抗體或抗原。和其它免疫化學(xué)傳感器一樣，抗原或抗體的固定化技術(shù)是制備免疫傳感器的關(guān)鍵。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)量測定。因?yàn)閴弘妭鞲衅鳒y定的是質(zhì)量變化，無需經(jīng)典的免疫分析方法如放射性同位素標(biāo)記法及酶聯(lián)偶合法中的標(biāo)記和分離步驟，可以簡化操作程序，提高分析速度 [12]。近年來在生物分析方面也取得長足進(jìn)展，以下僅從免疫、基因及細(xì)胞等方面作些介紹。 直至今日，壓電傳感器的分析技術(shù)仍以傳統(tǒng)的振蕩器方法為主，雖然振蕩器法只能提供 PQC 的串聯(lián)共振頻率這一單一的信號(hào)， PQC 在粘度過大的液相中還容易停振，而且其振蕩行為受振蕩電路類型和元件參數(shù)的影響 [11]， 但這種直接測頻法的突出優(yōu)點(diǎn)是簡單，對(duì)于一般的并不復(fù)雜的體系，采用這種方法完全能夠滿足分析的需要。 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。 1959 年 [7]導(dǎo)出了 QCM 的頻率響應(yīng) F? 與沉積在其電極表面的質(zhì)量 m? 的關(guān)系： 2/1202 2 ）（ qqAmFF ?????? (1— 1) 其 中 0F 、 A、 q? 和 q? 分別為石英晶體的基頻、電極的面積、彈性模量和密度。專門用于檢測質(zhì)量負(fù)載的 PQC 傳感器稱為石英晶體微天平 （ Quartz Crystal Microbalance,簡稱QCM）。 壓電 傳感器就是利用了壓電材料所具有的壓電效應(yīng)，如以壓電石英晶體(Piezoelectric Quartz Crystal，簡稱 PQC)等一類壓電材料為基底的體聲波器件在厚度剪切模式振蕩過程中與周邊環(huán)境的相互作用，由器件超高頻聲波的聲電阻抗譜、頻譜或相位等的參量變化來對(duì)黃精介質(zhì)包括質(zhì)量、粘彈性、導(dǎo)納、介電或流變特性、離子 /溶劑傳輸?shù)任锢怼⒒瘜W(xué)性能作出相關(guān)應(yīng)答并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)傳感檢測信號(hào)，獲取有關(guān)目標(biāo)組成或多元組分體系的成分、性狀的一維或多維信息，以求得到對(duì)象的全面、動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)或在位描述，用于化學(xué)、生物學(xué)、藥學(xué)、臨床醫(yī) 學(xué)和環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域的傳輸檢測 [5]。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。居里兄弟首先發(fā)現(xiàn)石英等一些晶體的壓電現(xiàn)象 [4]。 5． 成本低與便推廣：樣品用量小，響應(yīng)快，并且由于敏感材料是固定化的 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 可以反復(fù)使用多次，傳感器本身成本低，價(jià)格低廉，便于推廣應(yīng)用。 3． 便攜性與實(shí)時(shí)性：體積小便于攜帶，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)在線實(shí)時(shí)檢測和現(xiàn)場 檢測。 2． 專一性與特異性：只對(duì)特定物質(zhì)起反應(yīng)，而且不受顏色、濁度的影響。因此，它在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、生命科學(xué)等諸多領(lǐng)域極富有應(yīng)用前景 [3]。在 20 世紀(jì) 80 年代壓電石英晶體在液相穩(wěn)定振蕩獲得成功后， 壓電石英諧振測量技術(shù)才開始廣泛應(yīng)用于生物傳感器領(lǐng)域。壓電石英晶體生物傳感器正以其靈敏的壓電質(zhì)量傳感功能及其簡單的儀器裝置、快捷的分析速度、低廉的檢測成本等優(yōu)點(diǎn)而博得化學(xué)生物學(xué)研究人員的青睞。近年來我國也逐漸加入了傳感器技術(shù)的研究與開發(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 的市場開發(fā)前景和誘人的高額利潤，不惜投入巨資紛紛涉足這一高科技領(lǐng)域，組建了多個(gè)專門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、開發(fā)與應(yīng)用。為實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)進(jìn)行的種種成功嘗試使生物傳感器應(yīng)運(yùn)而生，并呈迅猛發(fā)展之勢。 Detection xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 III 目錄 摘要 …… ....................................................................................................................... I Abstract ........................................................................................................................ II 第 1 章 緒論