本科毕业论文基于石英晶体的生物传感器的研究 推荐文档格式.docx
《本科毕业论文基于石英晶体的生物传感器的研究 推荐文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《本科毕业论文基于石英晶体的生物传感器的研究 推荐文档格式.docx（43页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
不要删除行尾的分节符，此行不会被打印
目录
摘要……
Abstract
第1章绪论1
1.1课题背景1
1.2压电传感器的发展史2
1.3压电生物传感器的研究进展3
1.4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6
2.1硅材料6
2.2压电石英晶体传感器的基本原理6
2.2.1压电石英晶体6
2.2.2切型及金属电极的选择8
2.2.3Sauerbery方程8
2.2.4振荡电路9
2.2.5液相压电传感理论9
2.3凝血因子检测系统12
2.3.1凝血因子检测方法12
2.3.2石英振子的加工制备13
2.3.3压电传感器检测池的设计14
2.3.4检测仪的设计15
2.4本章小结16
第3章压电石英传感器频率测量技术的实现17
3.1频率的测量17
3.1.1等精度频率的测量技术17
3.1.2等精度频率测量的基本原理17
3.1.3等精度测频的测量误差19
3.2石英晶体传感器凝血因子-频率检测19
3.2.1压电石英晶体传感器等精度频率测量的硬件实现19
3.2.2压电石英晶体传感器等精度测频的软件实现25
3.3本章小结26
第4章压电传感器频率动态响应模型的建立27
4.1凝血反应体系粘度密度变化规律27
4.2压电石英晶体传感器频率变化与性质的关系28
4.3粘度密度乘积变化与△F的关系28
4.4粘度密度乘积变化与△F的关系28
4.5本章小结30
结论31
致谢32
参考文献33
附录A33
附录B40
千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。
在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。
打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行
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：
样品用量小，响应快，并且由于敏感材料是固定化的
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（PiezoelectricQuartzCrystal，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（QuartzCrystalMicrobalance,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.Sauerbery[7]导出了QCM的频率响应
与沉积在其电极表面的质量
的关系：
（1—1）
其中
、A、
和
分别为石英晶体的基频、电极的面积、弹性模量和密度。
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：
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，采用这种方法完全能够满足分析的需要。
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
cells/ml的范围成线性关系。
2．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EcorⅠ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55~60℃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osteoblasts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。
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Invar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，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10~100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，在沿一定方向受到外力的作用时，内部会产生极化现象，同时在其表面上产生电荷；
当外力去掉以后，又重新回到不带电的状态，晶体表面所产生的电荷和外加压力成正比。
这种将机械能转变为电能的现象，称为“顺压电效应”。
相反，在电介质极化的方向上施加电场，它会产生机械形变；
当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失。
这种将电能转变成机械能的现象，称为“逆压电效应”。
具有压电效应的的电介质物质称为压电材料。
迄今已经出现的压电材料分为三种类型：
一是压电晶体（单晶），它包括压电石英晶体和其他压电晶单晶；
二是压电陶瓷（多晶半陶瓷）；
三是新型压电材料，其中有压电半导体和有机高分子压电材料两种。
在传感技术中，目前国内普遍应用的是石英晶体和压电陶瓷。
其中，石英晶体因其良好的机械、电化学和温度等综合性能，成为压电生物传感的主要元件。
石英晶体是最常用的压电晶体之一。
石英晶体是单晶结构，外型呈六角棱柱体，两端呈六角棱锥形体。
石英晶体的各个方向的特性是不同的，一般采用直角坐标系：
Z轴与晶体上、下晶定点连线重合，因光线沿该轴通过石英晶体时无折射，而且沿该轴方向上没有压电效应，故称Z轴为光轴或中性轴；
X轴经过六棱柱棱线垂直于光轴Z，因垂直于此轴的面上压电效应最强，故称X轴为电轴；
Y轴垂直于光轴Z和电轴X，因此在电场的作用下沿该轴方向的机械变形最明显，故称Y轴为机械轴。
石英晶体的压电特性与其分子内部结构有关。
由于石英晶体结构的较好的对称性，它使介子各向同性和完全个向异性之间的晶体。
因此它的独立压电系数只有两个：
，其压电常数矩阵可写为
（2—1）
=2.31×
10-12（C/N）；
=0.73×
10-12（C/N）。
表2-1石英晶体的主要物理性质
名称
数据
密度
2.65
弹性模量E/MPa
弯曲强度/MPa
90
介电常数
4.6
压电常数
热膨胀系数
热导率
电阻率
0.1
在室温的条件下，石英晶体具有三方晶系的结构，这种
晶体具有左旋或右旋结构，当温度高于居里温度点537℃时，其结构转变成六方晶系的
晶体，其压电效应活性明显降低。
表2-1给出石英晶体的主要物理性质。
石英晶体是绝缘材料，在其表面淀积金属电极引线，不会产生漏电现象。
同时石英晶体与单晶硅一样，具有优良的机械物理性质。
它材质纯、内耗低，机械品质因数的理想值可高达
数量级，迟滞和蠕变极小，可忽略不计。
石英材质轻，密度为2.65g/cm3，为不锈钢的
，弯曲强度为不锈钢的4倍。
其最高工作温度不应超过250℃。
2.2.
升级会员 