1、xx 大学学士学位论文- I -基于石英晶体的生物传感器的研究摘要凝血因子的分析在临床检查中被广泛应用，目前所有的检测方法都是以凝集反应为基础，通过血液凝集过程中反应体系的粘度、密度等的变化来判断血液凝集反应的终点。血液凝集终点的判断可通过自动化仪器或肉眼观察。肉眼观察，秒表计时，检测结果误差大，重复性较差；自动化仪器结果准确、快速、重复性好，但仪器昂贵、检测成本高，故需寻找一种灵敏、简单、精确测量、成本低廉的新检测方法。压电石英谐振测量技术能够准确地测量出微观反应过程中的微小变化并转化为可以定量检测的频率信号，具有亚 ng 级别的质检能力，从而为获取反应体系丰富的在线实时信息提供了一种简单、
2、快捷的手段。我们将血液凝集反应与之结合，通过适当的生物学处理和结构设计，构建出一个基于压电石英晶体传感技术的血浆凝血因子检测系统。基于单片机，采用等精度测频对压电石英生物传感器的硬件结构进行频率计数设计。以压电石英晶体传感器振荡频率检测系统为平台，建立了压电传感器频率动态响应模型。结果表明：本检测系统提高了凝血因子检测的方便性、精度和一致性，具有精度高和成本低等优点，有广阔的推广前景。关键词 压电石英晶体；生物传感器；检测 xx 大学学士学位论文- II -Studies of Biosensor Based on Piezoelectric Quartz CrystalAbstractThe
3、 analyses of coagulation factor has been widely used in the clinical examination, now all kinds of detection methods based on agglutination, the end of the blood agglutination is judged by the viscosity and density of reaction system during blood agglutination. The end of the blood agglutination is
4、judged by automated equipment or visual observation. The error of detection is big and poor repeatability by visual inspection and stopwatch time. The results obtained by automation equipment is accurate, rapid and reproducible, but the equipment is expensive and testing cost is high, so a sensitive
5、, simple, precise measurement, low-cost new detection method is developed.Piezoelectric quartz resonator measurement technique can accurately measure the small change in the microcosmic reaction process and can be transformed into quantitative detection frequency signal, with sub-ng level quality in
6、spection capabilities, so a simple and fast method is provided for obtaining the abundant online real-time information of response system. Combined with the blood agglutination, through appropriate biological processing and structural design, we propose a plasma coagulation factor detection system s
7、ensor based on piezoelectric quartz crystal technology. The frequency count of hardware structure of piezoelectric crystal biosensor is designed based on microcontroller, using equal precision frequency measure. Using piezoelectric quartz crystal sensor oscillation frequency detection system for the
8、 platform, we establish piezoelectric sensor frequency dynamic response model. The results showed that: the detection system improve convenience, consistency, and accuracy of detection coagulation factor, with low cost, high accuracy and widely popularizing prospect.Keywords Piezoelectric Quartz Cry
9、stal; Biosensor; Detectionxx 大学学士学位论文- III -目录摘要 .IAbstract .II第 1 章 绪论 .11.1 课题背景 .11.2 压电传感器的发展史 .21.3 压电生物传感器的研究进展 .31.4 论文研究内容 .4第 2 章 压电生物传感器与凝血因子检测系统 .62.1 硅材料 .62.2 压电石英晶体传感器的基本原理 .62.2.1 压电石英晶体 .62.2.2 切型及金属电极的选择 .82.2.3 Sauerbery 方程 .82.2.4 振荡电路 .92.2.5 液相压电传感理论 .92.3 凝血因子检测系统 .122.3.1 凝血因子
10、检测方法 .122.3.2 石英振子的加工制备 .132.3.3 压电传感器检测池的设计 .142.3.4 检测仪的设计 .152.4 本章小结 .16第 3 章 压电石英传感器频率测量技术的实现 .173.1 频率的测量 .173.1.1 等精度频率的测量技术 .173.1.2 等精度频率测量的基本原理 .173.1.3 等精度测频的测量误差 .193.2 石英晶体传感器凝血因子-频率检测 .193.2.1 压电石英晶体传感器等精度频率测量的硬件实现 .193.2.2 压电石英晶体传感器等精度测频的软件实现 .253.3 本章小结 .26第 4 章 压电传感器频率动态响应模型的建立 .274
11、.1 凝血反应体系粘度密度变化规律 .274.2 压电石英晶体传感器频率变化与性质的关系 .284.3 粘度密度乘积变化与F 的关系 .284.4 粘度密度乘积变化与F 的关系 .28xx 大学学士学位论文- IV -4.5 本章小结 .30结论 .31致谢 .32参考文献 .33附录 A.33附录 B.40xx 大学学士学位论文- 1 -第 1 章 绪论1.1 课题背景现代生物分析技术研究和发展的一个重要目标就是努力简化分析方法，使之能够在普通和常规条件下进行，并尽量减少操作技巧。在应用科学领域，分析系统操作步骤和技巧的任何简化，都被视为应用技术领域的进步 1。为实现此目标进行的种种成功尝试
12、使生物传感器应运而生，并呈迅猛发展之势。发达国家已形成了传感器研究开发产业，无论在基础研究、应用研究，还是在新产品开发及产业化方面都取得了惊人的成果 2。近年来我国也逐渐加入了传感器技术的研究与开发力度，许多企业和民间资本更是瞄准了生物传感器广阔的市场开发前景和诱人的高额利润，不惜投入巨资纷纷涉足这一高科技领域，组建了多个专门从事生物传感器研究的机构，掀起了生物传感器研究的热潮，极大地推动了生物传感器的研究、开发与应用。压电生物传感器在生命科学中的应用研究与探索也成为近年来热点研究方向。压电石英晶体生物传感器正以其灵敏的压电质量传感功能及其简单的仪器装置、快捷的分析速度、低廉的检测成本等优点而
13、博得化学生物学研究人员的青睐。压电石英晶体传感技术是 20 世纪 60 年代建立起来的一种新型传感测量技术。在 20 世纪 80 年代压电石英晶体在液相稳定振荡获得成功后，压电石英谐振测量技术才开始广泛应用于生物传感器领域。石英晶体振荡频率对晶体表面质量负载和反应体系物理性状如密度、粘度、电导率等的改变高度敏感，具有亚 ng 级的质量检测灵敏度，能够敏感地测量微观反应过程中的微小变化并转化为可以定量检测的频率信号，为获取反应体系丰富的实时在线信息提供了一种简单、快捷的可靠手段。因此，它在工业、农业、国防、生命科学等诸多领域极富有应用前景 3。上述石英晶体生物传感器具有以下的优点：1经济性与简便
14、性：通常是选择性好的生物材料构成的分子识别元件，因此一般不需要进行样品的预处理，它利用优异的选择性把样品中的被检测组分的分离与检测统筹为一体，测定时一般不需要另外添加其他试剂，克服了过去试剂费用高和化学分析繁琐复杂的缺点。2专一性与特异性：只对特定物质起反应，而且不受颜色、浊度的影响。因为生物传感器主要是利用酶和底物、抗原和抗体、DNA-DNA 或 DNA-RNA等特异性识别机理，所以具有其他化学法无法比拟的优越性。3便携性与实时性：体积小便于携带，可以实现连续在线实时检测和现场检测。4易操作与自动化：操作系统比较简单，容易实现自动分析，准确度高，一般相对误差可以达到 1%。5成本低与便推广：
15、样品用量小，响应快，并且由于敏感材料是固定化的xx 大学学士学位论文- 2 -可以反复使用多次，传感器本身成本低，价格低廉，便于推广应用。1.2 压电传感器的发展史1880 年，比尔和约克居里兄弟首先发现石英等一些晶体的压电现象 4。他们指出，表面所形成的电荷和外加压力成正比。压电效应包含有压电效应和逆压电效应两个方面。前者是指当压电晶体在外力作用下发生形变时，在其某些对应的面上会出现正负束缚电荷，也即没有电场作用，只是由于形变而产生极化现象；反之，在此类晶体上施加电压，则晶体会发生形变，这称为逆压电效应。压电传感器就是利用了压电材料所具有的压电效应，如以压电石英晶体(Piezoelectri
16、c Quartz Crystal，简称 PQC)等一类压电材料为基底的体声波器件在厚度剪切模式振荡过程中与周边环境的相互作用，由器件超高频声波的声电阻抗谱、频谱或相位等的参量变化来对黄精介质包括质量、粘弹性、导纳、介电或流变特性、离子/溶剂传输等物理、化学性能作出相关应答并转换为相应传感检测信号，获取有关目标组成或多元组分体系的成分、性状的一维或多维信息，以求得到对象的全面、动态、实时或在位描述，用于化学、生物学、药学、临床医学和环境科学等领域的传输检测 5。目前应用最广泛的是市售的三明治式压电石英晶体。专门用于检测质量负载的 PQC 传感器称为石英晶体微天平（Quartz Crystal M
17、icrobalance,简称 QCM） 。QCM 的应用始于 60 年代初，是一种非常灵敏的质量监测器，可以进行纳克级的质量测定 6。1959 年 G.Z.Sauerbery7导出了 QCM 的频率响应 与沉积在F其电极表面的质量 的关系：m(11)2/1202 ）（ qAF其中 、A、 和 分别为石英晶体的基频、电极的面积、弹性模量和0Fq密度。由于 Sauerbery 方程首先是在真空或气相条件下导出的，1964 年 King 首先利用 QCM 技术成功地支撑气体传感器使得 QCM 在气相分析等领域取得了广泛的应用，文献 8已做了详细的综述。进入 80 年代，压电传感领域的几个著名研究组如
18、：P.L.Konash, 姚守拙，J.K.Kaufman 等组相继发表了晶体在液相中稳定振荡成功地研究论文 9，从而大大拓宽了压电在传感领域的应用范围。自此压电晶体其它的一些非质量传感特性如：电导传感、密度传感、粘度传感等亦被相继揭示与应用，至 90 年代末形成了压电体声波质量传感与非质量传感并行发展的研究姿态 10。直至今日，压电传感器的分析技术仍以传统的振荡器方法为主，虽然振荡器法只能提供 PQC 的串联共振频率这一单一的信号，PQC 在粘度过大的液相中还容易停振，而且其振荡行为受振荡电路类型和元件参数的影响 11，但这种直接测频法的突出优点是简单，对于一般的并不复杂的体系，采用这种方法完
19、全能够满足分析的需要。xx 大学学士学位论文- 3 -1.3 压电生物传感器的研究进展压电生物传感器是一种将高灵敏度的压电传感器与特异的生物反应结合在一起的新型生物分析方法，这一方法不需要任何标记，且仪器结构简单、操作方便，引起人们的浓厚兴趣，组建成为生物传感器领域中的一项研究热点。近年来在生物分析方面也取得长足进展，以下仅从免疫、基因及细胞等方面作些介绍。1压电免疫传感器压电免疫传感器的基本原理就是将抗体或者抗原固定于石英晶体表面，利用抗原与抗体的特异亲和反应，当待测的抗原或抗体与所固定的识别物质相互作用而产生特性吸附时，就会导致晶体表面质量负载的增加，所吸附的抗体或抗原的量可以通过传感器的
20、频率变化加以检测。因为压电传感器测定的是质量变化，无需经典的免疫分析方法如放射性同位素标记法及酶联偶合法中的标记和分离步骤，可以简化操作程序，提高分析速度 12。早在 1972 年，shons 等便以抗原（牛血清蛋白，马 r-球蛋白）作为晶体涂层，用于检测溶液中的抗体活性。由于当时压电传感器只能在气相中振荡，因此需抗体吸附于晶体表面并干燥后才能进行质量测定。直接在溶液中进行测定的最先为 Roederer 等人的工作，他们以硅烷修饰晶体表面以获得对蛋白质高度亲和的表面后，再将 anti-IgG 固定于晶体表面以测定溶液中的 IgG。和其它免疫化学传感器一样，抗原或抗体的固定化技术是制备免疫传感器
21、的关键。固定化过程既要把目标蛋白质固定于载体表面，又要保留蛋白质的活性。在压电晶体表面直接固定蛋白质易导致蛋白质的失活，因此一般需要对晶体表面先进行修饰，然后再在修饰层上固定抗体或抗原。另外，压电免疫传感器已用于微生物检验研究。Park 等利用 Sulfo-LC-SPDP 自组装技术把琉基化得沙门氏菌抗体固定在 10MHZ 的石英晶体表面，提高了检测的灵敏度和特异性。以硫酸盐缓冲液来检测细菌标本悬液中的目的细菌，该方法的检测范围在 9.9 1.8 CFU/ml。Wong 13等采用覆盖聚乙5108烯亚胺薄膜的银电极上用戊二醛交联剂固定单克隆抗体，来区分和检测沙门氏菌的 ABD 血清型；在 5
22、cells/ml 的范围成线性关系。 582压电基因传感器压电传感器测定 DNA 的基本原理是将单链 DNA 探针固定到晶体表面，当序列与之互补的待测 DNA 在晶片上杂交形成双链 DNA 时，晶体的质量增加和产生表面粘弹性变化，根据传感器频率变化或网络分析加以测定 14。日本 Okahato 等人采用了一个 9MHz 的 AT 切割的镀金的石英晶体，利用10 个碱基的能与单链的 M13 噬菌体 DNA 的 Ecor结合位点互补的脱氧核糖核苷酸作为探针，研究了由于杂交引起 的频率差随时间的变化，获得了满意的结果 15。同时，他们还研究了不完全互补的靶 DNA 的杂交情况。结果表明，当有一个连续
23、的互补碱基存在时，也可以进行杂交，但随着互补碱基的数量下降杂交也变得越来越不稳定。他们还研究了温度对杂交的影响，发现在 5560xx 大学学士学位论文- 4 -之间，随温度的上升，杂交双链开始熔链，熔点为 60。Ito 等观察了溶液酸碱度对 DNA 连接的影响，发现在酸性或碱性条件下，DNA 探针连在电极上的量最多，而在中性溶液中， DNA 杂交效果最好。还发现将双链 DNA 连在电极上之后加热变性成单链，比单链 DNA 直接连在电极上杂交的 DNA 量多。他们认为出现这种差异肯呢个是由于连在电极上的单链DNA 所产生的杂交空间位阻比双链 DNA 大所致。一般来说，电极上 DNA 探针量与杂交
24、 DNA 量追之比仅为 100：1.他们还将 DNA 嵌入剂 Hoechst33258 引入到实验体系中，发现 Hoechst33258 的潜入量与杂交 DNA 量成线性关系。Hoechst33258 的引入不仅提高了检测的灵敏度，而且为 DNA 和 DNA 嵌入剂的定量分析提供了新的研究途径 16。3压电传感器应用于细胞核微生物研究根据细胞在培养液中的状态可以把细胞分为悬液细胞核贴壁细胞。贴壁细胞顾名思义就是在培养器皿的壁上生长，细胞的分裂生长过程对应于器壁的质量增加过程，故可以利用压电传感器的质量特性对细胞生长过程进行监测。Redepenning 等人用压电传感器对成骨细胞 osteobl
25、asts 的贴壁速率进行了监测，并用扫描电子显微镜测定细胞的表面覆盖率，结果发现晶体的频率下降值与晶体表面细胞的覆盖率有线性关系，但信号主要来自细胞贴壁所导致的表面粘度变化，因此 Sauerbrey 方程不成立 17。这已结果也在预料之中，因此细胞的典型直径约为 10um，比压电晶体表面声波的作用距离大得多，细胞中只有贴壁的一小部分参与晶体的振荡；另外，细胞在表面不是均匀刚性膜，而且细胞含大量的细胞浆，在溶液中细胞还受溶液的浮力作用。由于在细胞与晶体的作用中，粘弹性的作用大于质量作用，所以在压电传感器的检测方式上，除采用频率外还以阻抗分析法测量与能量损耗有关的参数。此外，细菌生长过程中的新陈代
26、谢作用也会改变培养基的物理活性参数如粘度等，这一现象也可用压电传感器加以监测。1.4 论文研究内容本文主要阐述压电石英晶体生物传感器对凝血因子检测系统的研究过程。介绍了血浆凝血因子检测系统的工作原理。压电石英晶体生物传感器以石英晶体的压电谐振电路为核心，利用石英晶体的“逆压电效应” ，使被测物质直接作用于石英晶体元件表面，通过质量变化，引起频率变化，使被测物质质量的变化直接转换为频率的变化，即频率输出信号。在课题的研究过程中，主要的研究内容为：1凝血因子检测系统的原理。凝血因子检测系统的工作原理是利用石英晶体的逆压电效应进行测量的。以德国物理学家 Sauerbrey 导出的压电石英晶体频移与晶
27、体表面均匀吸附的物质质量之间变化关系的 Sauerbrey 方程为理论基础。2石英晶体传感凝血因子-频率检测系统的设计。基于单片机，根据石英晶体生物传感器的工作原理即压电谐振技术优化设xx 大学学士学位论文- 5 -计频率计数系统。采用等精度频率测量法，同时提高传感器的灵敏度和减少非线性。 3压电传感器频率动态响应模型的建立。xx 大学学士学位论文- 6 -第 2 章 压电生物传感器与凝血因子检测系统2.1 硅材料硅在集成电路线路和微电子器件的生产中有着广泛的应用，主要是利用硅的电学性；在微机械结构中，则是利用其机械特性，或者同时利用其机械特性和电学性，继而产生新一代的硅机电器件和装置。硅材料
28、储量丰富，成本低，硅晶体生长容易，并存在超纯无杂的材质，不纯度在十亿分之一的量级；因而本身的内耗小，因数高达 数量级（实际值往610往比其最高值小几倍） 。设计得当的微活动机构，如微传感器，能达到极小的迟滞和蠕变、极佳的重复性和长期的稳定性一级高可靠性；所以用硅材料制作传感器，有利于解决长期困扰传感器领域的三个难题：迟滞、重复性和长期漂移。硅材料质量轻，密度为 2.33g/ ，是不锈钢密度的 ，而弯曲强度却3cm5.31为不锈钢的 3.5 倍，具有较高的强度/密度比和较高的刚度 /密度比。单晶硅具有很好的导热性，是不锈钢的 5 倍，而热膨胀系数则不到不锈钢的 1/7，能很好的和低膨胀 Inva
29、r 合金连接，避免热应力产生。单晶硅为立方晶体，是各向异性材料，其机械特性和电子特性取决于晶向，其电阻应变灵敏系数( )高，03RG在同样的输入下，可以得到比金属应变计更高的信号输出，一般为金属 10100倍，能在 级甚至在 级上感到输出信号。同时硅材料的制造工艺与集成610610电路工艺有良好的兼容性，便于微型化、集成及批量生产。综上所述，硅材料的优点可归纳如下：1优异的机械特性。2便于批量生产微机机械机构和微机电元件。3与微电子集成电子线路便于集成。4微机械与微电子线路便于集成。正是这些优点，使硅材料称为制造机电和微机械结构及其微传感器最主要的优选材料。2.2 压电石英晶体传感器的基本原理压电石英晶体传感器是利用石英晶体作为基底的体声波器件在厚度剪切模式振荡过程中与周边环境的相互作用，由器件超高频声波的声电阻抗谱、频谱或相位等参量变化对环境介质如质量、粘弹性、导纳、介电或流变特性等物理化学性能作出相关应答并转化成相应的检测信号。2.2.1 压电石英晶体压电传感器的核心传感元件是压电石英晶片，其工作原理是石英晶体的压电效应。压电现象是 1880 年由 Curie 首先发现并描述的：某些电解质物质，在
