石英晶体生物传感器在精密测量中的应用（上）

摘 要：石英晶体生物传感器近年来越来越多地应用于生物医学领域中的精密测量，包括检测多种微生物、检测体液蛋白质、测定靶基因序列、检测红细胞凝集时间和沉降速度等，也用于和生物医学密切相关的环境监测和食品卫生检验。 关键词：石英晶体生物传感器；生物医学；精密测量 0 引 言 石英晶体生物传感器是将微电子学、机械学、分子生物学等学科结合在一起的一种新型生物传感器。它将压电效应与生物技术相结合，兼有生物材料的高选择性和压电传感器的高灵敏度、操作简便、不需要任何标记，因此，在生物医学精密测量中得到越来越多的应用。 石英晶体生物传感器根据其生物敏感元件的不同，可分为石英晶体免疫传感器、石英晶体DNA传感器和石英晶体凝血传感器等。 1 工作原理及其结构 生物传感器的结构主要包括生物分子识别元件（感受器）和信号转换器（换能器）。生物分子识别元件是具有分子识别能力的生物活性物质，如，酶、抗体、微生物、细胞和组织等，它们都对待测物质有专一的选择性及很高的灵敏度，当待测物与分子识别元件特异性结合后，所产生的信号通过换能器转换为电信号，从而达到分析检测的目的。石英晶体生物传感器的换能器为石英晶体，信号转换是基于石英晶体的压电效应，对石英晶体施加电场作用时会引起内部正、负电荷中心的相对位移而导致石英晶体变形，变形方向随外电场的方向而改变。当外电场的振荡频率与石英晶体的固有振动频率一致时，石英晶体处于谐振状态。石英晶体生物传感器的敏感元件为各种生物分子，传感器将抗原与抗体、核酸（DNA）与DNA、受体与配体等相互作用的生物信号以及所处体系性状的变化转变成易于检测的频率信号。 根据检测原理石英晶体生物传感器可分为质量响应型和非质量响应型。 1．1 质量响应型石英晶体生物传感器 Sauerbrey指出，若在石英晶体的电极表面加上一个小质量负载层，将导致石英晶体谐振频率的显著下降，Sauer-brey将质量负载层等效于石英晶体的厚度增加，从理论上导出了晶体表面负载的质量与谐振频移的关系，即Sauer-bray方程。Sauerbrey方程是微质量检测的定量基础，也是石英晶体生物传感器设计的理论基础。 在气相中，晶体表面负载质量与频移的Sauerbrey方程 △f=－2.26×10-6f2△M／A, （1） 式中 △f为频移（晶体吸附外来物质后振动频率的改变），Hz；F为石英晶体基频，MHz；A为石英晶体电极区的面积，cm2；AM为负载（被吸附物质）的质量，g。 负号表示质量的增加导致频率的下降。 在液相中，晶体表面负载质量与频移的Sauerbrey方程为 △f=－2.26×10-6aBf2△M／A, （2） 式中a为压电晶体接触液体的面数；B为晶体频率的泛频级次。 1．2 非质量响应型石英晶体生物传感器 石英晶体浸入液体中受到液相参数（如，液体电导率等）的影响时会引起相应的变化。通过对非质量效应的传感理论研究，姚守拙等用机电耦合模型导出公式 △f= Co+ + － － ， （3） 式中 △f为频移，Ci（i=1，2，3，4）为与石英晶体、振荡器、检测池、温度等条件有关的系数；ρl，η1，ξ1，K为液体的密度、粘度、介电常数和电导率。 目前，对于质量响应型石英晶体生物传感器的研究应用较多。 1．3 石英晶体生物传感器的结构 石英晶体生物传感器主要由用生物识别物质包被的石英晶体、信号检测电路和数据处理系统等部分组成，基本结构如图1所示。 图1 石英晶体生物传感器的基本结构 石英晶体具有一定的谐振频率，通常为9MHz，按AT方式切割，直径一般为10~16mm，厚度0.15mm左右，其两侧表面镀有直径为3~8mm的金膜（或银膜）以形成金电极（或银电极），利于修饰和固定识别元件。石英晶体生物传感器通常是由上述规格的石英晶体层和金（或银）电极组成，晶体片夹在两片电极中。在晶体层表面涂有生物分子识别物质，石英晶体生物传感器的选择性取决于吸附剂的性能，灵敏度取决于晶体的性质。石英晶体质量的增加对振动频率的改变约为50Hz／×10-9，对基频为9MHz的石英晶体，如取电极直径为5mm，质量变化为1ug，代入式（1），有 △f＝－2.26×10－6f2△M∕A ＝－2.26×10－6×（9×106）2×1×10-6 ＝－933Hz． 从上式可知，1ug的质量变化可引起933Ｈz的频率降低，因此，频率测定可以达到很高的准确度。石英晶体是非常灵敏的质量检测器，被称为石英晶体微天平（QCM）。石英晶体微天平通过测量频率的改变来达到检测石英晶体表面附着质量的微小变化，其灵敏度可达1ng／Hz，非线性度一般在1％~2％范围内，从理论上讲，检测限可达到10-12g。如果从振荡电路频率测量信噪比方面考虑，容易达到10-9g，因而石英晶体生物传感器也被称为纳克微天平。石英晶体生物传感器的检测系统一般设置2个振荡电路：晶体检测振荡电路和晶体参比振荡电路。设置参比电路是为了校正温度、气压、粘度以及其他一些干扰的影响，消除误差。频率计数器测定石英晶体的谐振频率及其频率改变，然后，经计算机进行实时数据处理。