生物传感器-6

第九章压电晶体生物传感器9.1概述声波传感器检测的是机械波或是声波(acousticwave),当声波沿着物体表面或内部传播时,对传播途径特征的任何改变都会影响波的传播速率和振幅.通过测量传感器的振动频率或相特征可以监测传播速率的变化,然后将这种变化与待测定的相应的物理量联系起来.声波传感装置常常采用压电材料产生声波.许多类型的晶体都有压电现象,其中石英晶体的电子、机械和化学性能最适合作为压电传感材料，称为压电石英晶体(piezoelectricquartzcrystal,PQC).反之，我们对压电材料施加合适的电场，能够产生机械压力。石英晶体微天平(quartzcrystalmicrobalance,QCM)是一种压电装置，可以非常灵敏地测定电极表面质量的变化。通常是在石英片两面沉积的金膜作为电极，然后施加一个交流、高频的电场而产生一种机械共振剪切震荡模式。Saurebrey80首先认识到这种装置可以测量晶体表面的质量变化。由于震荡频率与电极表面物质的总质量有关，所以可以灵敏地测定质量的变化，灵敏度达到ng。这种装置被广泛地应用于膜表面的各种沉积、吸附等能引起质量变化的过程研究。如果沉积物质的密度知道的话，还可以测得沉积物质的厚度，所以这种装置也被应用于许多商品化的膜厚度监测器。9.2发展历史1880’JacquesP和ierreCurie发现压电效应1959,Sauerbray提出著名的Sauerbray方程。指出石英晶体频率的下降与表面质量呈线性关系。1969Jones和Meiure首次用QCM测量了石英晶体电极表面的质量变化，在电极表面镀了金属之后在空气中测量。八十年代初期，Konash、Bastiaans和Nomura提出可以在溶液中检测晶体表面质量的变化。1981Nomura(EQCM)与其合作者用电化学QCM在线测定了Cu和Ag。此后，QCM被广泛地应用于单层膜和多层膜的沉积和解离，聚合物的沉积过程，电极的腐蚀和生物分析当中。尤其是在生物传感器中得到越来越多的应用。9.3器件和工作原理9.3.1晶体用于制作声波传感器的压电基质材料中，石英、钽酸锂、铌酸锂最为常用。在QCM中使用的晶体几乎全是石英晶体，因为其具有非常好的机械和压电性质。石英晶体中不同的晶体切割角度和声波的传播方向表现出不同的对对温度依赖程度。通常我们用的是AT-cut的石英晶体。它是与母体中z轴呈32.25°的角度切割的晶体。AT-cut的石英晶体呈现非常高的频率稳定性(Δf/f=10-8),这也使其适用于许多的电子器件中。另外，AT-cut的石英晶体在0-50℃的温度范围内有一个稳定的温度系数。这也使它成为最适宜做QCM传感器的材料。ModeShearDistortionEdgeviewofQCMdiskshowingsheardeformation.石英片一般是薄的、圆盘状的，以剪切的模式震荡的。这种剪切模式意味着圆盘表面的运动正好是与圆盘表面平行的。对AT-cut的晶体来说，其使用的基频一般在1-10Hz之间.QCM一般在基频下工作也可以使用更高的频率工作。使用高的频率的优点是更加灵敏，但是要求石英片更薄，比较难以制作。基频为15Hz的晶体几乎是目前能得到的最大的基频晶体，厚度仅为100m多一点。可以使用低频的倍数谐振来达到高频的目的，震荡电路要复杂。使用高频的另一个缺点是晶体的震荡在溶液中更容易受到粘弹性率减作用影响而停止。小的晶体便宜，但是检测系统也会靠近压电活性中心，会干扰测定。大的晶体贵，但检测系统远离活性中心，干扰小。石英晶体的尺度设计方式对其频率，振幅和剪切模式都有影响。晶体的尺度包括：石英片的厚度(tq),晶体的直径(dc),中心电极的直径(de).如果dc/tq50,而de/tq18,那么许多不希望有的震荡模式将被避免.Flag：一般情况下不把这部分考虑到面积里面，通常情况下对晶体振荡的稳定性影响比较小．SkechmeticofQCMCrystals金膜下面一般要先镀一层Cr和Si在石英晶体上面,使金膜更加牢固.9.3.2晶体震荡方式晶体振动有两种类型:体声波(bulkacousticwave,BAW)和表面声波(surfaceacousticwave,SAW).它们都可以用于声波生物传感器的研制.体声波属于厚度剪切模式震荡器(thicknessshearmoderesonator,TSM),是最经典也是最简单的声波装置.TSM器件通常在石英博片两侧有一对圆形电极,在两个电极间施加电压,使警惕产生一个剪切变形.声波传感方向从内部垂直超向晶体表面.仅仅在两个基本点电极之间的区域有压电活性,因此电极所覆盖的区域振动强度最大,离开这个区域,制动迅速减弱.TSM有很多优点，制造简单，温度稳定性好，灵敏度高．由于其能测量液体，适用于生物传感器．9.3.3金属膜的选择现在所用的QCM中几乎所有的膜都是金膜,首先是因为金比较容易进行挥发.另外是因为金膜稳定性好,在上面进行修饰也容易的多.别的金属,如铜,铂,镍等都可以,理论上讲只要金属可以牢固地附着在基低上并且在沉积的时候温度不超过573℃都可以.因为超过573℃,-石英将失去压电活性.晶体可以制作成粗糙的表面和光滑的表面两种.表面粗糙的晶体用的多一些,因为相对便宜一些.但是当在液体中使用的时候,会有液体附着在晶体表面的小孔中而造成误差.表面光滑的晶体更好一些,因为其形貌仅受沉积的金属影响而不受基低的影响.9.3.4工作池石英晶体的安装是很重要的，因为不管是在空气或是溶液中，石英晶体若是受到压力会影响震荡的绝对频率。安装的方法有多种，但是最重要的是都保证QCM在工作的时候只有一面露在电解液中。直接粘贴的方法更换起来不是很方便，现多使用夹心法。9.3.5工作原理及相关公式影响晶体震动频率的因素包括晶体的厚度、密度、剪切模数(常数)和临近介质的物理特性(空气或液体的密度或黏度)。将晶体置于一个震荡电路，当电振荡频率和机械振荡频率接近晶体的基础震动频率时，可以获得共振。一Saurebrey方程Saurebrey首次发现了QCM对物质质量的灵敏检测，还推出了著名的Saurebrey方程,指出了QCM电极表面单位面积上的质量变化与实验观察到的频率变化的关系，成为QCM研究的理论基础：其中，f是实验观察到的频率变化，m是电极表面单位面积内的质量变化，f0是晶体的基频，n晶体被驱动的谐振数，也就是泛音q是石英的密度（2.648g/cm3）,q是石英的剪切模数（2.947×1011g/(cms)）。201/22qqnffm对于AT-Cut晶体来说，公式可以简化为：f=-2.3x10-6f02m可以看到当有物质沉积在电极表面其频率就会发生变化，那么我们也可以反过来利用。当晶体频率发生变化后，就说明有外源物质在晶体上沉积，两者之间呈反比例关系。所以可以用于物质的检测。那么，如果使用的基频为9.995MHz的石英晶体片（直径5mm）来说，m=-0.86f(ng)。由此，我们实验中的频率变化可以得到到达膜表面物质的质量变化。Muramatsu也提出一个用于黏弹性溶液中测定时的公式:Ristheresonantresistancechange;kistheelectromechanicalcouplingfactorListhedensityoftheliquid;istheviscosityoftheliquid.二其他相关公式Saurebrey方程并不适合晶体在溶液中的行为.1985年,kanazawa指出溶液黏度和密度对晶体震动频率影响的经验式:f=-f3/2(LL/QQ)1/2L和L分别为溶液的密度和黏度;Q和Q分别为晶体密度和弹性系数.9.3.6QCM优势(1)免标记,灵敏(2)压电效应使其可以在复杂和光不透明的溶液中工作.(3)可以检测溶液-电极界面非常微小的变化,比如,电极表面质量的变化,溶液的密度-粘度变化,表面物质的黏弹性变化等等。(4)与电化学连用(EQCM)可以研究电化学反应过程中的电极表面质量变化.(5)最后,这种技术相对来说操作比较容易,仪器较便宜.9.4QCM测定方法对于液体样品的检测方法基本上有三种:一种方法是将液体样品转变为气体,再进行测定(用的较少)另一种方法称为浸入-干燥法(dipanddryapplication).在电极上固定生物敏感材料后测定其震荡频率,浸入液体样品发生特异性反应后,将传感器取出干燥,再测定频率.其间差别为生物反应前后频率的变化.第三种方法为流动注射法,石英晶体可以全部浸入溶液,但是通常以其一面与流通池接触.样品通过注射或蠕动泵送入流通池,样品的体积可以小到几微升.9.5气体样品的测定其他方法检测气体物质,一般需要先抽取一定体积的空气样品溶于水中,再对水溶液进行分析.PZ探测器的优点是能直接测定气体物质,不需要对样品预处理.在20世纪60年代便开始用来测定大气痕量污染物SO2,CO,HCl等.水分子是一种重要的干扰因子,随着水分子被晶体表面涂膜吸附,震动频率发生漂移,因此要求测定环境相对湿度较低(30%左右),而且恒定.甲醛是一种无色有毒的气体,当空气中喊有甲醛5mg/L时即有刺激感,常规检测用化学法.Guilbault等在一个9MHz晶体表面涂上一薄层甲醛脱氢酶及辅助因子(NAD和谷胱甘肽)来检测甲醛.在辅酶作用下,甲醛脱氢酶可以催化甲醛生成蚁酸.线性范围为10ppb到10ppm.每个QCM传感器可以连续工作3天,约100次的测定.三天后响应下降迅速,这是因为酶失活造成的.更换酶膜晶体可以重复使用.从表中可以看出当附着的酶的重量为160g的时候QCM响应最灵敏,但是此时已经接近QCM的过载量,因此在实验中选择60g的酶固载量.表中是准备的石英晶体对其他醛和醇的响应情况.9.6生物传感器中的应用9.6.1生物聚合膜ComparativestudyofelectropolymerizationversusadsorptionoftyrosineandtheDecylesteroftyrosineonplatinumelectrodeDecylesterofD-tyrosineDEDTTyrosine酪氨酸和癸基酯-D-酪氨酸在Pt电极上的作用原理不同,也就影响了其电聚合的行为不同.MethodECQCM酪氨酸J.Elec.Anla.Chem.,2002,512,53-60QuartzCrystalMicrobalanceMeasurementofSelf-AssembledMicellarTubulesoftheAmphiphilicDecylEsterofD-TyrosineandTheirEnzymaticPolymerizationdecylesterofD-tyrosine(DEDT)可以在溶液中自组装成棒状或是管状的聚合体,用QCM在线记录了这个过程并且研究了其酶聚合.K.A.Marx,T.Zhou,R.Sarma,Biotechnol.Prog.1999,15,522-528BuildupmechanismforPoly(l-lysine)/hylruonicacidfilmsontoasolidsurface聚赖氨酸/透明的质酸(PLL/HA)膜可以用来作为设计生物活性膜的模板基底,HA是一种天然的、细胞外的多糖物质,并是几种细胞的配位体。其对阳离子PLL不仅是因为具有生物相容性，更是因为它易于与生物活性分子结合。通过分别沉积PLL和HA构成了一种新的生物相容性的膜，并用QCM等几种表征技术表征了组装的过程。生物膜的层层组装过程Thef/isnotfrequencyindependentshowthenonvalidityoftheSauerbreyrelation.Thiscanbeduetovariousreasons:1thesurfaceiscoveredbyislandsandisnothomogen