【正文】 (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。 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(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。 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)。 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(xiàn)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 fjAj X aRaAZZ ????? (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(chǎng)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(cè)器的研究。只有解決了這兩個(gè)問(wèn)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(lái)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(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）。 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(wàn)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(xiàn)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(wú)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?，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)。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(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。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(xiě)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(lèi)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(chēng)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(chēng)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(chēng)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(xiàn)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(zhǎng)容易，并存在超純無(wú)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(guó)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(guò)程中，主要的研究?jī)?nèi)容為： 1． 凝血因子檢測(cè)系統(tǒng)的原理 。介紹了血漿凝血因子檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理。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)。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(zhǎng)，細(xì)胞的分裂生長(zhǎng)過(guò)程對(duì)應(yīng)于器壁的質(zhì)量增加過(guò)程，故可以利用壓電傳感器的質(zhì)量特性對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)。Hoechst33258 的引入不僅提高了檢測(cè)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(guān)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(lái)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(mǎn)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(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(xiàn)性關(guān)系。 Park 等利用 SulfoLCSPDP 自組裝技術(shù)把琉基化得沙門(mén)氏菌抗體固定在 10MHZ 的石英晶體表面，提高了檢測(cè)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(cè)定。因?yàn)閴弘妭鞲衅鳒y(cè)定的是質(zhì)量變化，無(wú)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(jiǎn)化操作程序，提高分析速度 [12]。近年來(lái)在生物分析方面也取得長(zhǎng)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(guò)大的液相中還容易停振，而且其振蕩行為受振蕩電路類(lèi)型和元件參數(shù)的影響 [11]， 但這種直接測(cè)頻法的突出優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)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(mǎn)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(zhuān)門(mén)用于檢測(cè)質(zhì)量負(fù)載的 PQC 傳感器稱(chēng)為石英晶體微天平 （ Quartz Crystal Microbalance,簡(jiǎn)稱(chēng)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(jiǎn)稱(chēng) PQC)等一類(lèi)壓電材料為基底的體聲波器件在厚度剪切模式振蕩過(guò)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(lái)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(cè)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(cè) [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(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)和現(xiàn)場(chǎng) 檢測(cè)。 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。因此，它在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)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(cè)量技術(shù)才開(kāi)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(jiǎn)單的儀器裝置、快捷的分析速度、低廉的檢測(cè)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(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。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(shì)。 Detection xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 III 目錄 摘要 …… ....................................................................................................................... I Abstra