摘 要：石英晶體生物傳感器近年來越來越多地應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的精密測量，包括檢測多種微生物、檢測體液蛋白質(zhì)、測定靶基因序列、檢測紅細(xì)胞凝集時間和沉降速度等，也用于和生物醫(yī)學(xué)密切相關(guān)的環(huán)境監(jiān)測和食品衛(wèi)生檢驗(yàn)。 關(guān)鍵詞：石英晶體生物傳感器；生物醫(yī)學(xué)；精密測量 0 引 言 石英晶體生物傳感器是將微電子學(xué)、機(jī)械學(xué)、分子生物學(xué)等學(xué)科結(jié)合在一起的一種新型生物傳感器。它將壓電效應(yīng)與生物技術(shù)相結(jié)合，兼有生物材料的高選擇性和壓電傳感器的高靈敏度、操作簡便、不需要任何標(biāo)記，因此，在生物醫(yī)學(xué)精密測量中得到越來越多的應(yīng)用。 石英晶體生物傳感器根據(jù)其生物敏感元件的不同，可分為石英晶體免疫傳感器、石英晶體DNA傳感器和石英晶體凝血傳感器等。 1 工作原理及其結(jié)構(gòu) 生物傳感器的結(jié)構(gòu)主要包括生物分子識別元件（感受器）和信號轉(zhuǎn)換器（換能器）。生物分子識別元件是具有分子識別能力的生物活性物質(zhì)，如，酶、抗體、微生物、細(xì)胞和組織等，它們都對待測物質(zhì)有專一的選擇性及很高的靈敏度，當(dāng)待測物與分子識別元件特異性結(jié)合后，所產(chǎn)生的信號通過換能器轉(zhuǎn)換為電信號，從而達(dá)到分析檢測的目的。石英晶體生物傳感器的換能器為石英晶體，信號轉(zhuǎn)換是基于石英晶體的壓電效應(yīng)，對石英晶體施加電場作用時會引起內(nèi)部正、負(fù)電荷中心的相對位移而導(dǎo)致石英晶體變形，變形方向隨外電場的方向而改變。當(dāng)外電場的振蕩頻率與石英晶體的固有振動頻率一致時，石英晶體處于諧振狀態(tài)。石英晶體生物傳感器的敏感元件為各種生物分子，傳感器將抗原與抗體、核酸（DNA）與DNA、受體與配體等相互作用的生物信號以及所處體系性狀的變化轉(zhuǎn)變成易于檢測的頻率信號。 根據(jù)檢測原理石英晶體生物傳感器可分為質(zhì)量響應(yīng)型和非質(zhì)量響應(yīng)型。 1．1 質(zhì)量響應(yīng)型石英晶體生物傳感器 Sauerbrey指出，若在石英晶體的電極表面加上一個小質(zhì)量負(fù)載層，將導(dǎo)致石英晶體諧振頻率的顯著下降，Sauer-brey將質(zhì)量負(fù)載層等效于石英晶體的厚度增加，從理論上導(dǎo)出了晶體表面負(fù)載的質(zhì)量與諧振頻移的關(guān)系，即Sauer-bray方程。Sauerbrey方程是微質(zhì)量檢測的定量基礎(chǔ)，也是石英晶體生物傳感器設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。 在氣相中，晶體表面負(fù)載質(zhì)量與頻移的Sauerbrey方程 △f=－2.26×10-6f2△M／A, （1） 式中 △f為頻移（晶體吸附外來物質(zhì)后振動頻率的改變），Hz；F為石英晶體基頻，MHz；A為石英晶體電極區(qū)的面積，cm2；AM為負(fù)載（被吸附物質(zhì)）的質(zhì)量，g。 負(fù)號表示質(zhì)量的增加導(dǎo)致頻率的下降。 在液相中，晶體表面負(fù)載質(zhì)量與頻移的Sauerbrey方程為 △f=－2.26×10-6aBf2△M／A, （2） 式中a為壓電晶體接觸液體的面數(shù)；B為晶體頻率的泛頻級次。 1．2 非質(zhì)量響應(yīng)型石英晶體生物傳感器 石英晶體浸入液體中受到液相參數(shù)（如，液體電導(dǎo)率等）的影響時會引起相應(yīng)的變化。通過對非質(zhì)量效應(yīng)的傳感理論研究，姚守拙等用機(jī)電耦合模型導(dǎo)出公式 △f= Co+ + － － ， （3） 式中 △f為頻移，Ci（i=1，2，3，4）為與石英晶體、振蕩器、檢測池、溫度等條件有關(guān)的系數(shù)；ρl，η1，ξ1，K為液體的密度、粘度、介電常數(shù)和電導(dǎo)率。 目前，對于質(zhì)量響應(yīng)型石英晶體生物傳感器的研究應(yīng)用較多。 1．3 石英晶體生物傳感器的結(jié)構(gòu) 石英晶體生物傳感器主要由用生物識別物質(zhì)包被的石英晶體、信號檢測電路和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等部分組成，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。 圖1 石英晶體生物傳感器的基本結(jié)構(gòu) 石英晶體具有一定的諧振頻率，通常為9MHz，按AT方式切割，直徑一般為10~16mm，厚度0.15mm左右，其兩側(cè)表面鍍有直徑為3~8mm的金膜（或銀膜）以形成金電極（或銀電極），利于修飾和固定識別元件。石英晶體生物傳感器通常是由上述規(guī)格的石英晶體層和金（或銀）電極組成，晶體片夾在兩片電極中。在晶體層表面涂有生物分子識別物質(zhì)，石英晶體生物傳感器的選擇性取決于吸附劑的性能，靈敏度取決于晶體的性質(zhì)。石英晶體質(zhì)量的增加對振動頻率的改變約為50Hz／×10-9，對基頻為9MHz的石英晶體，如取電極直徑為5mm，質(zhì)量變化為1ug，代入式（1），有 △f＝－2.26×10－6f2△M∕A ＝－2.26×10－6×（9×106）2×1×10-6 ＝－933Hz． 從上式可知，1ug的質(zhì)量變化可引起933Ｈz的頻率降低，因此，頻率測定可以達(dá)到很高的準(zhǔn)確度。石英晶體是非常靈敏的質(zhì)量檢測器，被稱為石英晶體微天平（QCM）。石英晶體微天平通過測量頻率的改變來達(dá)到檢測石英晶體表面附著質(zhì)量的微小變化，其靈敏度可達(dá)1ng／Hz，非線性度一般在1％~2％范圍內(nèi)，從理論上講，檢測限可達(dá)到10-12g。如果從振蕩電路頻率測量信噪比方面考慮，容易達(dá)到10-9g，因而石英晶體生物傳感器也被稱為納克微天平。石英晶體生物傳感器的檢測系統(tǒng)一般設(shè)置2個振蕩電路：晶體檢測振蕩電路和晶體參比振蕩電路。設(shè)置參比電路是為了校正溫度、氣壓、粘度以及其他一些干擾的影響，消除誤差。頻率計(jì)數(shù)器測定石英晶體的諧振頻率及其頻率改變，然后，經(jīng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)處理。