压电生物传感器自动分析方法的研究.pdf

中文摘要 摘 要 本文研究了压电传感器的基本理论 研制出压电生物传感器及自多通道动分 析仪 并在此基础上构建了纳米粒子放大杂交分析平台 进行应用研究 从而开 展了压电生物传感器自动分析方法研究 基于Mindlin 提出的方程 用有限元法分析了由AT-cut 石英谐振器组成的压 电传感器的复杂结构 分析了传统谐振器和具有平台结构的谐振器的能量捕获效 应 在压电传感器中石英晶体的振动模式往往不是纯粹的厚度剪切 而常常会伴 随着一些干扰振动 厚度剪切振动和干扰振动的耦合会降低石英谐振器的品质因 子 比如会使Q 因子减小并会诱导振动模式跳跃 有限元法的计算结果表明 平 台结构的谐振器能够捕获 90% 以上的厚度剪切振动能量 当单平台谐振器的平台 厚度达到一定值时 继续增加不能提高谐振器的能量捕获效应 相比之下 阶梯 双平台结构能够进一步改善谐振器的退耦特性 在理论分析的基础上 本文研制出密封式压电生物传感器 根据有限元法的 分析结果 将石英谐振器设计成双凸状 即晶体上下表面为球面 半径为250 mm 密封的传感器可以实现流动进样分析 结合计算机技术 我们研制出压电传感器 自动分析仪 仪器受CPU 控制而自动运行 仪器设计有8 个通道 可以同时自动 实现 8 个相同或者不同样本的并行检测 通过不同浓度的氯霉素乙醇溶液的吸附 实验 对该传感器和仪器进行了性能验证 结果表明 当氯霉素浓度小于1ìg /ìL 时 浓度与频率响应的关系符合Sauerbrey 方程 这说明本文设计的传感器及自动 分析仪可以用于微质量传感分析 采用同类杂交技术 使靶序列的两端与分别用巯基修饰的探针和用纳米粒子 修饰的探针杂交生成纳米粒子生物耦合体 用自动分析仪监测纳米粒子生物耦合 体在压电生物传感器上吸附造成的响应 构建了重现性好 灵敏度高的核酸分析 平台 该技术思路有以下优势 在溶液中的靶序列能够在 5分钟内被过量探针 捕获 造成快速响应 纳米粒子生物耦合体在金电极上的吸附在几分钟达到平 衡 比常规方法快 增大纳米粒子的粒径或减小电极面积 可以进一步放大质 量并降低检测限 流动进样系统排除人为操作误差 并提高重现性 文章在结尾处对现有工作进行总结 并提出压电生物传感技术的发展前景 由于具有精确 灵敏 快速 简单等优势 压电传感分析技术将会在医疗卫生 环境监测 食品安全和其他领域得到更加普遍和频繁的应用 关键词 压电生物分析 传感器 分析仪 核酸实验 I 英文摘要 ABSTRACT In this thesis, automated piezoelectric bioassays have been developed with the theoretical consideration, instrumentation and application of piezoelectric bioassays. First, the finite element method based on the Mindlin equations is employed to analyze piezoelectric sensors consisted of the AT-cut quartz crystal resonator with complex structures. As well-known, not only the wanted thickness-shearing (TS) mode but also many unwanted spurious modes can exist on an AT-cut quartz crystal plate. Coupling between the TS and spurious modes will degrade the qu