压电石英晶体传感器及其在生物医学中的应用研究进展
综述 压电石英晶体传感器及其在生物医学中的应用研究进展*
刘楠综述,高志贤**审校
摘要 目的就压电石英晶体传感器及其生物医学中的应用研究进展作了综述。方法 查阅资料,汇总分析。结
果 从压电石英晶体传感器的基本工作原理、生物敏感膜的制备技术、在生物医学中的应用、存在的问题和展望等各个
方面进行了讨论。结论 虽然压电石英晶体传感器仍存在许多不足,但随着认识的不断深入和关键工艺技术瓶颈的不
断克服,加上与其他先进的科学技术相结合,它必然广泛地应用到生物医学的各个领域中。
关键词 压电石英晶体传感器;石英晶体微天平
中图分类号:Q331 文献标识码:A 文章编号:1001-1889(2005)02-0089-04
The application of PQC sensor in biomedicine
LI U Nan,GAO Zhi-Xian
(Institute of Hygiene and En viron mental Medicine,Aca dem y o f Military Medical Sciences,Tian jin300050)
Abstract Objective Recent research of piezoelectric quartz crystal(PQC)sensor and its applications in bi omedicine were summarized in this review.Methods Consulted data and collected them for analysis.Results Aspects of basic principles,construction
of the sensi tive membrane,applications in biomedicine,some problems and future prospects of the PQC sensor were discussed.Conclu sions In spi te of the faults of PQC sensor,it is consequentially widely used in various biomedical fields along with the deep cogni tion,
the breakthrou gh of the bottle-neck of the key technology and integrating with other advanced scientific technology.
Key w ords Piezoelectric Quartz Crystal(PQC)sensor;Quartz Crystal Microbalance(QCM)
压电生物传感器是一种将高灵敏的压电传感器技术与特异的生物反应结合,通过换能器将生物信号转化为易于定性或定量检测的物理或化学信号的新型生物检测分析方法。压电石英晶体传感器是当今微电子技术、生物医学技术、新材料技术相互结合发展的产物。它设备操作简单、成本低廉,不需要任何标记;而且还具有灵敏度高、特异性好、微型化、响应迅速等特点,代表着现代分析技术的前进方向。在生物医学的各个领域,如:分子生物学、疾病的诊断和治疗、环境污染监测、食品卫生监督等得到了广泛的应用。
1 基本工作原理
1959年,Sauerbrey根据石英晶体在气相中谐振的理论模型,忽略涂覆膜层相对于石英的弹性和密度差异,将晶体谐振近似考虑为理想剪切振动,推导出沉积在PQC上的质量变化与谐振频移之间的方程式[1]: f=-2f02 m/A( q q)-1=-C m[1]
f:晶体谐振频率的改变(Hz);f0:基振(Hz); m:质量变化(g);A:压电活性区域或电极上涂覆物表面
*国家自然科学基金(30371218)和国家863青年基金(2004AA649110)资助课题;**通讯作者。
作者单位:军事医学科学院卫生学环境医学研究所(天津 300050) 作者简介:刘楠(1980-),男,河南南阳人,硕士研究生。积(c m2); q:晶体剪切模式; q晶体密度;C:质量感应常数(由所使用的石英晶体类型决定)。
Sauerbrey方程是质量型压电石英晶体传感器的理论基础,从方程中可以看出,压电石英晶体谐振频率的改变与晶体表面质量负载的变化呈负相关。所以有学者又把它称为压电石英微天平(Piezoelec tric Quartz Mi crobalance,PQM)、压电石英晶体微天平(Piezoelectric Quartz C rystal Microbalance,PQC M)或石英晶体微天平(Quartz C rystal Microbalance,QC M)。但是必须认识到,压电传感除了有质量效应外,还存在更多的非质量效应,如密度、应力、粘弹性、电导率、溶胀、表面性状等介质或界面效应[2]。PQC传感器由石英谐振器(探头)、振荡器、信号检测和数据处理系统等组成原理如图1
。
图1 压电石英晶体传感器基本工作原理示意图
2 敏感膜制备技术
压电生物敏感膜既是外界检测信号的感应器,又是把接收到的信息迅速转化成可用仪器测量的物理信号的转换器。它的制备决定着PQC 传感器灵敏度、特
异度和稳定性。根据生物活性分子的包被方式,敏感膜固定制备技术分为吸附法、共价键合法、包埋法、交联法和分子自组装单层膜(self-asse mbled monolayer,SAM)技术等。如图2所示。
2.1 物理吸附法(
adsorption)
图2 敏感膜固定制备技术
(a)吸附法;(b)共价键合法;(c)包埋法;(d)交联法;(e)SAMs 技术
将生物活性分子通过极性键、氢键、范德华力、疏水力、 电子相互作用等吸附于压电晶体表面。操作简单、传质速度快、对生物分子活性影响小。但灵敏度较低,结合不牢固,随机导向问题严重,特异度不高,现使用较少。
2.2 共价键合法(covalent bonding)
通过共价键的连接将生物活性分子与压电晶体电极表面结合的方法。其特点是结合牢固、被固定的生物活性分子不易脱落、可重复多次使用,但操作步骤较繁琐,生物活性分子因共价修饰而导致活性降低;在实验和检测过程中亦需对各种条件进行优化,常用于压电免疫传感器的制备。近年来,除了传统的共价键合制备压电免疫传感器外,辉光放电技术也运用到PQC 的处理上。Reza Saber [3]等和Duman.M [4]将EDA(ethy lene dia mine,乙二胺)单体流经辉光放电发生器形成EDA 等离子体氨基样活性功能基团,形成多聚合EDA 等离子体膜包被于石英晶体表面,再用戊二醛与其共价联接。其中一个醛基与EDA 的一个胺基共价结合,抗体分子的胺基与戊二醛另一个醛基共价固定,敏感膜厚度只有(75 59) 。与传统的戊二醛键合固定法比较,前处理时间缩短,生物敏感膜更薄,同一性和可重复性好,耐酸碱,噪声小。2.3 包埋法(e mbedding)
将生物活性材料包埋并固定在高分子聚合物三维空间网状结构中,其优点在于被包埋生物组分固定量大、不易流失、对其活性影响小等,但也有其局限性:传
质阻力大,响应时间较长;高分子聚合物膜厚度难以精确控制,重现性差;不适和大分子底物的测定,实际应用较少。常用的高分子聚合物有聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、PVC(polyvinyl chloride,聚氯乙烯)、明胶等。Jinbin Yuan [5]等将磺胺嘧啶-十六烷基三辛铵离子偶化合物和消胆胺共同包埋于PVC 基质中,作为涂覆于石英晶体金电极表面的敏感膜,通过晶体频率的改变来定量检测人尿液中磺胺类药物的浓度。它对带有磺胺基团的一类药物均有不同程度的响应。线性范围:1.0 10-7~1.0 10-5M,最低检出限为8.0 10-8M 。2.4 交联法(cross-linking)
采用双功能试剂如戊二醛、己二异氰酸酯、1,5-二氟-2,4-二硝基苯、N,N -聚甲撑双碘乙酰胺等使蛋白质分子结合到压电晶体表面固定或蛋白质分子之间彼此交联形成网状结构而使生物活性材料固定化。交联法操作简单、牢固度高、适用范围广,但蛋白质分子间的交联程度过大会降低传感器的响应性能,传质阻力增大,响应时间延长,蛋白质失活率增大。2.5 分子自组装膜(SAMs)法
自组装(self-assembled)是在没有人干预的情况下,原子或分子之间形成的有序的功能性能量稳定的聚集体。将SAMs 作为平台连接生物分子制成的生物传感器容易形成有序、空隙大小可调且稳定的生物分子。带有巯基的硫化物或双硫化物如硫醇等是常用的吸附体,高纯度乙醇、己烷、乙氰、水等作溶剂。Ting Deng 等
[6]
用半胱胺作为吸附体,将强阳性的聚氨基葡
萄糖单分子膜通过戊二醛共价连接到半胱胺分子上组成的多功能SAM紧密贴覆于PQC金电极表面,抗体和EDC[盐酸1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺]、NHS(N-羟基琥珀亚胺)激活共偶于海藻盐上。半胱胺-海藻盐自组装吸附法处理的P QC频率降低大约是传统戊二醛固定法的2倍。一方面由于传统固定法使抗体分子失去自由旋转能,而且一些抗体分子由于其活性位点紧密地连接于PQC上而丧失免疫活性;另一方面由于半胱胺膜是一种弹性可拉伸的基质结构,大多数的吸附位点可随机吸附海藻盐-B因子,所以抗体负载量增加,而且在液相中,半胱胺和海藻盐可有效降低在传统戊二醛固定法过程中很容易发生的抗体降解。
3 在生物医学领域中的应用
3.1 医学免疫学检测
压电免疫传感器作为一种新型生物传感器,是利用压电晶体对质量变化的敏感性,结合抗原抗体特异性结合的特点而形成的一种自动化分析检测系统,可对多种抗原或抗体进行快速、在线、连续的定量测定及反应动力学研究,克服了酶联免疫分析法(ELISA)、放射免疫分析法(RIP)、荧光免疫分析法(FI A)等传统免疫检测费时、昂贵及需要标记等缺点,在临床实验室诊断、病原微生物检测、和食品安全检验中有着广泛的应用前景。
Suri CR等[7]把胰岛素的特异性抗体通过SPA固定法包被于晶体电极表面,检测血液中胰岛素浓度,最低检测限为1 g/L,时间缩短至30~60min内完成,传感器可反复使用5次。陈志敏等[8]和吴朝阳等[9]采用自组装膜法(SAMs)在晶体金电极表面形成MPA(巯基丙酸)单分子膜,经NHS和EDC分别固定梅毒螺旋体分子抗原(47ku)和日本血吸虫分子抗原(32KD Sj A g32),检测不同浓度的梅毒抗体和日本血吸虫抗体溶液,在气相中测定TpAb-TpAg的免疫平衡常数,同时测出抗原的价数。缺点是检测限高,灵敏度较差,噪声现象比较明显。Bernd K[10]等采用人工合成多种人疱疹病毒,如单纯疱疹病毒 和 型、带状疱疹病毒、EB病毒等的各自特异抗原肽,制备相应的单克隆抗体,再通过蛋白A固定在10MHz的石英晶体金电极表面制成免疫敏感膜,检测样品中的病毒颗粒,检测范围为5 104~1 109个病毒,室温下保存8周,传感器再生后可重复使用18次。Harteveld等[11]报道了一种与流动注射技术相结合并利用多克隆抗体作为识别分子的压电免疫传感器,该传感器被应用于葡萄球菌肠毒素B(SEB)的检测,其检测限为0.1g/ml。Plomer[12]通过葡萄球菌蛋白A吸附将抗肠道细菌共同抗原的单克隆抗体包被在10MHz的压电石英晶体表面检测以大肠杆菌,菌液浓度在106~109/ml传感器有较好的响应。Park[13]利用Sulfo-LC-SPDP(磺基琥珀酰-2-吡啶二硫-3-丙酰氨基6-己酸盐)连接巯基化的沙门氏菌抗体和石英晶体表面金膜层,传感器响应时间30~ 90min,可检测细菌悬液浓度的范围是9.9 105~1.8 108C FU/ml。
在地方病防治工作中,鼠疫的疫情仍然很严重,近年来,我国鼠疫的发病率有上升的趋势,特别是2004年10月初,我国青海省发生鼠疫疫情,据卫生部证实,确诊鼠疫病例19例,其中死亡8例、治愈11例。病例均因猎捕或剥食旱獭所感染。鼠疫菌FI(Fraction I)抗原性强,动物感染可获得FI抗体,能与FI抗原高度特异性地结合,而且几乎不与任何其他细菌和血清发生交叉免疫反应。目前国内外尚未见用压电免疫传感器检测鼠疫FI抗原抗体的研究报道。军事医学科学院卫生学环境医学研究所刘楠、高志贤等旨在利用现今成熟的压电免疫传感器技术,以鼠疫FI抗原为检测对象,研究灵敏度高、特异性好的快速检测鼠疫菌的方法,目前正在研究中,其目的旨在为鼠疫菌的诊断、治疗、防护提供依据;并且在军事医学上,可为鼠疫菌生物战剂的污染情况和生物恐怖袭击提供即时定性和定量的在线监测。翟俊辉[14]和Anderson GP[15]等用光纤生物传感器对鼠疫FI抗原进行检测,在PBS、血清、血浆和全血中的FI抗原都能实施检测,抗原浓度在50~400ng/ml 时,传感器有较好响应,与ELI SA结果相一致。
3.2 基因检测
传统的PQC传感器对质量变化的灵敏度高,通常对振荡晶片上任何的负载和卸载都有响应,但对物质的具体性质却无选择性;而DNA杂交反应的依据是碱基互补配对原理,只有全部或部分互补的2条链才能相互杂交,选择性较高。将二者优点相结合,构建成灵敏度高、特异性强的压电DNA传感器。高志贤[16]等利用硅烷法将ssDNA固化在P QC金电极上,构建了压电DNA传感器快速检测葡萄球菌肠毒素(SEB)基因的方法。用3-氨基丙基三乙氧基甲硅烷(3-APTES)修饰PQC金电极表面,形成Au-O-Si键,在金表面修饰上-OH,然后加入ssDNA,金表面修饰的-OH能与ssD NA的磷酸基基团反应生成磷酰酯而共价固定。电极固化DNA探针的量可用蛋白质-核酸分析仪分析固化前后核酸的含量来确定;固化于压电晶体表面ssD NA的量可通过生物素标记DNA的磷酰酶显色的DNA 斑点杂交来确定。此研究还证明,DNA探针核酸片断长度相对较短的杂交效果好,再生重复使用次数较多。
3.3 压电生物传感器和纳米胶体金颗粒制备技术联用 刘涛等[17]用柠檬酸三钠还原氯金酸方法制备纳
米金溶胶,在压电石英晶体表面通过1,6-己二硫醇固定不同粒径(5~60nm)纳米金颗粒对QC M表面的修饰。研究表明,20nm粒径金颗粒和DNA探针的杂交率和检测灵敏度最大,对QCM表面修饰作用最佳。
4 存在的问题和展望
4.1 存在的问题
PQC传感器多是检测提纯后或前处理后的生物样品,在实际的生物体或人体生理学内环境条件下进行直接检测尚难以实现。
PQC传感器在液相中的灵敏度不如在气相环境检测中高,而且在液相中过多和易变的干扰因素,如溶液pH值,粘度,作用时间,离子浓度等可能降低靶标物测量的准确度和精确度,如何有效地消除或减少干扰因素,优化检测条件仍需不断深入研究。
目前绝大多数的PQC传感器是单个检测池,即每次只能检测一种物质;亦有人研制出多通道检测的PQC传感器,可同时多个样品进行检测,但与当今生物芯片的高通量、自动化、阵列化程度还相差太远,究其原因可能与PQC制造工艺和谐振测量技术本身的局限性有关。
敏感膜的制备和固定技术、PQC金属电极表面的修饰技术和膜的材料相容性、再生性、免疫原性、耐腐蚀性等仍需改进和完善。
PQC传感器给出的信号仅仅是频率、电流、电量等的物理变化等,从获得信息的角度看较单一,对反应过程中发生的微观变化和作用机理等只能间接地进行推断,实际工作中仍需借助于其他的测量手段共同完成。
4.2 展望
在PQC传感器的研发中,要结合不断出现的新工艺、新技术,如:ME MS(Micro electro-mechanical Sys tems,微型机电系统)技术、纳米技术等的,并不断提高与完善、合理加以运用到PQC生物传感器检测工作中。开发出高通量、高敏感、阵列化、自动化、高集成度的 P QC传感器实验室 (sensor-on lab)将是未来PQC生物传感器的发展方向。
综上所述,目前,虽然压电石英晶体传感器仍存在许多不足,但随着认识的不断深入和关键工艺技术瓶颈的不断克服,加上与其他先进的科学技术相结合,它必然广泛地应用到生化检测、临床诊断、环境监测、食品卫生监督等各个领域中。
参考文献
[1] Saubrey,https://www.360docs.net/doc/5110056830.html,e of quartz vibrator for weighti ng thi n films on a
microbalan1ce[J].Zeitschrift fur Physik1959,155,206~212.
[2] 姚守拙.压电化学与生物传感[M].长沙:湖南师范大学出
版社,1997.
[3] Reza S,Sel ma M,Erhan P.Glow-discharge treated piezoelectric
quartz crystals as i mmu mo-sensors for HSA detection[J].
Biosensors and Bioelectronics,2002,17:727~734.
[4] Du man M.2001.Following of hybridization wi th oligonucleotide
i mmobilized piezosensor[D].M.Sc.thesis,Hacettepe Universi
ty,Ankara,2001,35~50.
[5] Jinbin Yuan,shouzhuo Yao.A sulpha-drug sensi tive sensor
based on ion-pair complex modified PQC resonator[J].Talan ta,2002,58:641~648.
[6] T ingDeng,Guo-li Shen,Ru-Qin Yu.A novel immunosensor
based on self-assembled chitosan/algenate multilayers for the detection of factor B[J].Sensors and Acruators B,2004,99:123
~129.
[7] Suri CR,Jai n PK.Develop ment of piezoelectric crystal based mi
crogravi metric immunoassay for determination of insulin concen tration[J].Biotechnol,1995,39(1):27~32.
[8] 陈志敏,杨连生,刘仲明,等.压电免疫传感器在梅毒检测
中的研究[J].分析测试学报,2004,23(3):39~42.
[9] 吴朝阳,沈国励,俞汝勤,等.基于巯基自组装单层膜的日
本血吸虫石英晶体微天平免疫传感器[J].高等学校化学学报,2001,22(4):542~546.
[10] Bernd K,Michael G.A novel immunosensor for Herpes viruses
[J].Anal Chem,1994,66:341~344.
[11] Harteveld JL,Nieuwenhuizen MS,Wils ER.Detection of Staphy
lococcal Enterotoxin B employ-ing a piezoelectric crystal im
munosensor[J].Biosensors and Bioelectronics,1997,12(7):661
~667.
[12] Plomer M,Guilbalt G G.Developement of a piezoelectric im
munosensor for the detection of enterobacteria[J].Enzyme mi
crobtechnol,1992,14(3):230.
[13] Park IS,Ki m N.Thiolated Sal monella antibody immobilizati on
onto the gold surface of piezoelectric q uartz crystal[J].Biosen
sor and Bioelectron,1998,13(1):1091.
[14] 翟俊辉,杨瑞馥.生物传感器与鼠疫耶尔森菌检测[J].中
华疾病预防控制杂志,2002,(6)3:236~260.
[15] Anderson GP,Ligler FS,et al.Detection of Yersinia pestis frac
tion1antigen with a fiber optic biosensor[J].J Clin M icrobiol,
1995,33(2):336~341.
[16] 高志贤,房彦军,晁福寰,等.硅烷法固定ssDNA制作的压
电式DNA传感器[J].传感器技术,2002,21(12):60~64.
[17] 刘涛,唐季安,韩梅梅,等.纳米金颗粒在石英晶体微天平
检测DNA中的表面修饰作用[J].科学通报,2003,48
(4):342~344.
(收稿日期:2004-12-21)
(编辑:宝建喜)
生物传感器的研究现状及应用
生物传感器的研究现状及应用 生物传感器？这个熟悉但又概念模糊的名词最近不断出现在媒体报道上，生物传感器相关的研究项目陆续获得巨额的研究资助，显示出越来越受重视的前景。要掌握生命科学研究的前研信息，争取好的研究课题和资金，你怎能不了解生物传感器？ 让我们来看看生物通最近的一些报道： 英国纽卡斯尔大学科学家研发了可用于检测肿瘤蛋白以及耐药性MASA细菌的微型生物传感器。该系统利用一个回旋装置来检测，类似导航系统和气袋的原理。振荡晶片的大小类似于一颗尘埃尺寸，有望可使医生诊断和监测常见类型的肿瘤，获得最佳治疗方案。该装置可以鉴定肿瘤标志物－蛋白以及其它肿瘤细胞产生的丰度不同的生物分子。该小组下一步目标是把检测系统做成一个手持式系统，更加快速方便地检测组织样品。欧共体已经拨款1200万欧元资金给该小组，以使该技术进一步完善。 苏格兰IntermediaryTechnologyInstitutes计划投资1亿2千万英镑发展“生物传感器平台（BiosensorPlatform）”——一种治疗诊断技术。作为将诊断和治疗疾病结合在一起的新兴疗法，能够在诊断的同时，提出适合不同病人的治疗方案，可以降低疾病诊断和医学临床的费用与复杂性，同时具备提供疾病发展和药品疗效成果的能力。目前该技术已被使用在某些乳癌的治疗上，只需在事前做些特殊的测试，即可根据结果决定适合的疗程。这个技术更被医学界视为未来疾病疗程的主流。 来自加州大学洛杉矶分校的研究者使用GeneFluidics开发的新型生物传感器来鉴定引起感染的特定革兰氏阴性菌，该结果表明利用微型电化学传感器芯片已经可以用于人临床样本的细菌检查。GeneFluidics'16-sensor上的芯片包被了UCLA设计的特异的遗传探针。临床样本直接加到芯片上，然后其电化学信号被多通道阅读器获取。根据传感器上信号的变化来判断尿路感染的细菌种类。从样品收集到结果仅需45分钟。比传统方法（需要2天时间）
压电式传感器的发展与应用
HEFEI UNIVERSITY 自动检测技术报告 题目压电式传感器的应用与发展 系别 ***级自动化 班级 **班 姓名 ********************** 指导老师***** 完成时间 2011-11-28
前言：压电式传感器是以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量测量。压电传感元件是力敏感元件，所以它能测量最终能变换为力的那些物理量，例如力、压力、加速度等。压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点。近年来，由于电子技术的飞速发展，随着与之配套的二次仪表以及低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使压电传感器的使用更为方便。因此，在工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等许多技术领域中获得了广泛的应用。本文重点介绍压电式传感器的工作原理，在航空发动机中的应用及发展趋势。 关键字：传感器压电效应测振 正文：压电式传感器的发展及应用压电式传感器是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。 压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指：当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变 时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量 与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电 效应制成的。逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起 晶体机械变形的现象，又称电致伸缩效应。用逆压电效 应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件 的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、 厚度切变型、平面切变型5种基本形式（见图）。压电 晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这5种状态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。 压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。 压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。 压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广泛。
石英晶体谐振式传感器
石英晶体谐振式传感器 以石英晶体谐振器作为敏感元件的谐振式传感器。石英晶体谐振器是用石英晶体经过适当切割后制成，当被测参量发生变化时，它的固有振动频率随之改变，用基于压电效应（见压电式传感器）的激励和测量方法就可获得与被测参量成一定关系的频率信号。石英晶体谐振式传感器的精度高，响应速度较快，常用于测量温度和压力。 石英晶体温度-频率传感器早期的石英晶体温度-频率传感器采用具有非线性温度－频率特性的石英晶体谐振器制作。在发现具有线性温度－频率特性的石英晶体切型后，这种温度传感器的谐振器采用LC切型的平凸透镜石英晶体块制成，其直径约为数毫米，凸面曲率半径约为100毫米以上。谐振器封装于充氦气的管壳内,在传感器电路中利用它的压电效应和固有振动频率随温度变化的特性构成热敏振荡器，它的基本谐振频率为28兆赫。电路中另有一个振荡频率为2.8兆赫的基准振荡器,它通过十倍频后输出一个28兆赫的参照频率。两个振荡器的输出经门电路相加送往混频器得到差频输出信号，它是被测温度与基准温度（即基准振荡器的温度）之差与1000赫／℃（温度系数）的乘积，因此该差频输出信号记录了被测温度的变化。由时间选择开关产生不同的时间控制信号作为选通脉冲，以获得不同的分辨率。线性石英晶体－频率传感器可用于热过程流动速度不高、间隔时间较长的各种高精度温度测量的场合以及多路遥控系统、水底探测等方面，还可用它制成高分辨率的直读式数字自动温度计。 石英晶体谐振式压力传感器这种传感器所采用的谐振器是用厚度 切变振动模式AT切型石英晶体制作的。谐振器可制成包括圆片形振子和受力机构的整体式或分离式结构。振子有扁平形、平凸形和双凸形三种，受力机构为环绕圆片的环形或圆筒形。图2是振子和圆筒为整体式结构的谐振器的结构图。振子和圆筒由一整块石英晶体加工而成，谐振器的空腔被抽成真空，振动两侧上各有一对电极。圆筒和端盖严格密封。石英圆筒能有效地传递周围的压力。当电极上加以激励电压时，利用逆压电效应使振子振动，同时电极上又出现交变电荷，通过与外电路相连的电极来补充这种电和机械等幅振荡所需的能量。当石英振子受静态压力作用时，振动频率发生变化，并且与所加压力成线性关系。在此过程中
生物传感器的应用现状和发展趋势
生物传感器的应用现状和发展趋势 【摘要】改革开放以来，国民生活的各个方面都取得了明显的进步。随着科学的发展生产力的不断提高，生物传感器的应用越来越广泛。为我们的生产生活带来了很大的方便，研究生物传感器的应用现状和发展趋势，有利于我们对生物传感器进行全面深入的了解，有利于生物传感器的自身发展，同时有利于生物传感器的应用广泛推广。因此有必要详细说明生物传感器的应用现状和发展趋势。 【关键词】生物传感器；应用现状；发展趋势 1.前言 生物传感器作为一种高科技手段，在医学、军事、食品、农业等各个领域均得到了广泛的应用。它具有传感器不可替代的地位，利用生物中独特的物质，通过一系列的化学反应，检测出相关物质。生物传感器相对与传统的传感器相比，具有高灵敏度、高选择度、成本低廉、运用普及度高、污染程度小的特点。因此，研究生物传感器的应用现状和发展趋势具有重要意义。 2.简要介绍生物传感器 Gronow将生物传感器定义为一种含有固定化生物物质（如酶、抗体、全细胞、细胞器或其联合体）并与一种合适的换能器紧密结合的分析工具或系统，它可以将生化信号转化为数量化的电信号。生物传感器一般由两个主要部分组成：一是生物分子识别元件（感受器），是具有分子识别能力的生物活性物质（如酶、抗体、组织切片、细胞、细胞器、细胞膜、核酸、有机物分子等）；二是信号转换器（换能器），主要有电化学电极、光学检测元件、热敏电阻、场效应晶体管、压电石英晶体及表面等离子共振器件等。当待测物与分子识别元件特异性结合后，所产生的复合物通过信号转换器转变为可以输出的电信号、光信号等，从而达到分析检测的目的。 3.生物传感器的具体应用 3.1 制药方面 生物传感器在生产药物时具体作用表现为对具体进行生化反应进行检测，生物传感器可以及时的测量有关生化反应的各项数据，并将它及时反馈给系统。在抗癌药物及癌症治疗方面，生物传感器发挥了极其重要的作用。在实验室中对癌细胞进行培养，并把用相应药物与之发生反应，通过生物传感器对实验数据进行测量，来具体观察药物对癌细胞的作用。在不同药物间的对比中，选出最具有抗癌性的药物。 3.2 食品方面
国外低温温度传感器的研制现状
国外低温温度传感器的研制现状 ① 王克军 (中国航天科技集团公司一院101所 北京 100074) 摘 要 温度测量是低温研究部门的一个普遍项目。对近年来一些国家(特别是发达国家)的低温温度传感器研制、应用情况做了介绍,并分析了今后温度传感器的发展趋势,以及我国与国外存在的主要差距。 主题词 温度传感器 低温 述评 1 引 言 据统计,在各类温度传感器中,低温温度传感器约占5%。低温领域的特殊性以及相关技术的复杂性,增加了人们对低温温度的获得和准确测量的难度。近年来,随着近代物理学和电子技术的发展,低温温度传感器作为一门新兴技术,不仅得到发达国家的普遍重视,也一直是各发展中国家竞相进行研究开发的热点,许多国家通过研究各种物理效应,探索新的低温测量方法,采用近代技术开发新产品,扩大测温范围,提高测量精度,占领世界市场,并取得了新进展。 2 常用低温温度传感器的发展 211 热电阻温度计 在用来进行低温测量的热电阻温度计中,占比例最大的是铂电阻。ITS -90国际温标规定工业装置和实验研究的低温测量中,低温区1318033K ～273116K 范围内用铂电阻作标准温度计。目前,各国普遍将铂电阻温度计用于较精密的测量。 按照正式实施的技术标准体系划分,铂电阻温度计有四个“派别”,除了在技术要求方面不一致外,分度表也不相同。1983年国际电工委员会(IEC )正式颁布的铂电阻技术标 准,采用电阻比W =R (100℃ )/R (0℃)=113850的分度表。俄罗斯和一些东欧国家自成体系,采用W =R (100℃ )/R (0℃)=113910的分度表,日本采用W =R (100℃)/R (0℃)=113916的分度表。 美国也有自己的铂电阻技术标准,它采用W =113920的分度表,但这个标准不是强制性的,而是推荐性的。美国大部分铂电阻公司既生产符合美国技术标准的产品,也生产其他标准的产品,即按照客户的需要进行供应。此外,美国一些铂电阻公司对自己产品提出的要求甚至超过了国际电工委员会的规定,从这一点可以看出美国人的商业观念和产品意识。此 2002年第5期 低 温 工 程N o 15 2002总第129期CRY OGE NICS Sum N o 1129 ①本文于2002年6月20日收到。王克军,男,31岁,工程师。
压电式传感器
摘要 (1) 一、引言 (1) 二、压电式传感器原理 (1) 2.1压电传感器所应用的原理 (1) 2.2压电效应的产生 (2) 2.3石英晶体的压电效应 (3) 三、压电传感器在汽车上的应用 (4) 3.1压电式爆震传感器 (4) 3.1.1共振型压电式爆震传感器 (4) 3.1.2非共振型压电式传感器 (5) 3.2碰撞传感器 (6) 3.3压电式加减速传感器 (6) 四、压电式传感器的发展趋势 (7) 参考文献 (7)
压电式传感器及应用 摘要 近年来，由于电子技术的飞速发展，随着与之配套的二次仪表以及低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使得压电传感器在工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等许多技术领域中获得了广泛的应用。本文将以压电式传感器的应用与发展为核心，首先对压电效应的原理进行介绍，紧接着是在行业、具体工程方面尤其是在汽车领域的应用以及应用的方法，最后介绍了压电式式传感器未来的发展趋势。 关键字：压电式传感器；压电效应；应用；发展 一、引言 传感器是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受与检出功能, 并使之按照一定规律转换与之对应有用输出信号的元器件或装置，是新技术革命和信息社会的重要技术基础，是现代科技的开路先锋，美国早在80年代就声称世界已进入传感器时代，日本则把传感器技术列为十大技术之创立。 压电式传感器是基于压电效应的传感器。是一种自发电式和机电转换式传感器它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。 二、压电式传感器原理 2.1压电传感器所应用的原理 压电式传感器所采用的是压电效应，即，当沿着一定方向对某些物质加力而使其变形时，
基于石墨烯的光学生物传感器的研究进展_高原
DOI ：10．3724/SP．J．1096．2013．20747基于石墨烯的光学生物传感器的研究进展 高原 1李艳2苏星光*2（电子科学与工程学院集成光电子国家重点实验室1，吉林大学化学学院2，长春130012）摘要近年来，随着石墨烯研究热潮的兴起，将石墨烯用于生物及化学检测的工作也日益增多。本文着重介绍了基于石墨烯及氧化石墨烯（GO ）的光学生物传感器，特别是基于石墨烯的荧光共振能量转移（FRET ） 传感器以及比色法传感器的设计思想和传感特性。 关键词石墨烯；氧化石墨烯；生物传感器；荧光共振能量转移；评述 2012-07-17收稿；2012-09-30接受 本文系国家自然科学基金（Nos．2127506， 21075050）资助项目*E-mail ：suxg@jlu．edu．cn 1引言 石墨烯是一种由纯碳原子的六元环平面结构构成的二维材料 ［1］，是零维的富勒烯、一维的碳纳米管（CNTs ）以及三维石墨结构的构筑基元［2］。它具有非常大的理论比表面积、很高的杨氏模量［3］、超高的光学透过率、优良的导热性［4］和导电性，并能够通过电子转移实现荧光猝灭。目前，人们已将基于石 墨烯的材料广泛应用于诸多领域，如吸附剂 ［5］、催化剂［6］、药物载体［7］等。石墨烯具有的奇特性质，使 得其能够满足高灵敏性传感器设计的需求，并已用于构建光学［8］、电化学［9］及场效应传感器［10，11］、细胞标记［12］及实时监测［13］等。本文介绍了基于石墨烯材料的光学生物传感器的研究进展，重点评述了基于石墨烯基的荧光共振能量转移（FRET ）以及比色法传感器。 2基于石墨烯的荧光共振能量转移传感器 荧光共振能量转移（FRET ）是能量由供体荧光团经无辐射途径转移给受体荧光团，并引起供体荧 光猝灭和受体荧光增强的光学现象， 是测量活体及体外纳米尺度距离及变化的有效手段。近年来，人们致力于开发基于石墨烯材料的FRET 传感器， 将其用于生物及化学检测。FRET 传感器主要由3部分构成：供体、受体（猝灭剂）及供受体之间的桥联媒介。在基于石墨烯的FRET 传感器中，石墨烯及其衍生物既可以作为供体，又可作为受体。一方面，石墨烯由于其结构特点，能够同时猝灭发射波长或结构不同的多种荧光团的荧光，是一种通用的猝灭剂；另一方面，石墨烯及其衍生物经过一定的化学处理，可以产生荧光信号，可作为荧光供体。基于石墨烯的FRET 生物传感器依托于一些生物分子构建的桥联基， 用于调节供体荧光团和受体之间的距离，从而引起荧光的变化。其中，DNA 、蛋白质、多肽等生物分子均 可以作为桥联基。 2．1以石墨烯作为猝灭剂 在报道的基于石墨烯材料的FRET 传感器中，以石墨烯材料作为猝灭剂的居多。氧化石墨烯（GO ）是石墨烯的一种重要衍生物，是化学还原法制备石墨烯的前驱体，在石墨烯片层结构的边缘和表面带有 多种含氧基团， 如羧基、羟基、环氧基等。正是由于这些含氧基团的存在，使其较石墨烯具有更好的水溶性，可以应用于生物体系中。石墨烯及GO 由于其大面积的共轭结构，可以作为能量受体猝灭多种有机染料及量子点的荧光，是一种广适性的荧光猝灭剂。与传统的猝灭剂相比，石墨烯材料具有更高的猝灭 效率，使FRET 传感器具有背景低、信噪比高、可多重检测的显著特点 ［14 16］。2．1．1基于DNA 联接研究表明，石墨烯能区分多种DNA 分子结构，包括ssDNA ，dsDNA 以及茎环 结构等［17，18］。石墨烯及GO 由于其结构特点，对带有裸露的环状结构的化合物具有强烈的吸附能力。第41卷 2013年2月分析化学（FENXI HUAXUE ）特约来稿Chinese Journal of Analytical Chemistry 第2期174 180
生物传感器的应用现状及发展前景
生物传感器的应用现状及发展前景 摘要：到来后，获取准确可靠的信息对现代化生产有着重大作用，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。其中生物传感器早已渗透到国民经济的各个部门如食品、制药、、、环境监测等方面。生物传感器专一性好、易操作、设备简单、测量快速准确、适用范围广。随着固定化技术的发展，生物传感器在市场上具有极强的竞争力。生物传感器的研究开发，已成为世界科技发展的新热点。相信不久的将来，生物传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。 关键词：生物传感器、应用、前景 一、传感器概述 传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量件并按照一定的规律(法则)转换成可用信号的器件或装置，通常由和转换元件组成”。 随着的到来，世界开始进入。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。 在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。 传感器早已渗透到工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等各个领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。 由此可见，在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。 传感器的特点主要有微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化，它不仅促进了传统产业的改造和更新换代，而且还可能建立新型工业，从而成为21世纪新的经济增长点。 常见传感器有、、、、、、、以及等。 二、生物传感器概述 生物传感器是用生物活性材料（酶、、、抗体、抗原等）与换能器有机结合的一门交叉学科，是发展生物技术必不可少的一种先进的检测方法与监控方法，也是物质分子水平的快速、微量分析方法。 1967年.乌普迪克等制出了第一个生物传感器--葡萄糖传感器。将包含在聚丙烯酰胺胶体中加以固化，再将此胶体膜固定在隔膜氧电极的尖端上，便制成了这种葡萄糖传感器。 生物传感器的分类： ⑴按照感受器生命物质分类，可分为：微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、细胞传感器、、DNA传感器等等。
压电传感器的应用
压电传感器的应用 摘要：传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。传感器的种类非常广泛，其中压电传感器是基于材料的压电效应而制成的器件，其有较长的发展历史。压电材料的种类由最初的压电晶体发展到压电陶瓷、进而发展到压电聚合物及其复合材料。随着物理学、材料科学与各个学科的交叉发展，压电材料被用以研制成了多种用途的传感器，被广泛应用于工程技术各领域，在测量技术中被用来测量力和加速度。 Abstract:Sensor is the main ways and means to obtain information in the field of natural and production . In modern industrial production, especially automated production process, useing a variety of sensors to monitor and control the production process of various parameters,which enable the device to work in a normal state or the best condition, and to achieve the best quality products. Types of sensors is very broad, of which the piezoelectric sensor is based on the piezoelectric effect devices made of material which has a long history of development. Types of piezoelectric material from the initial development of the piezoelectric ceramic piezoelectric crystal, and thus the development of piezoelectric polymers and their composites. With the development of cross-physics, materials science and various disciplines, piezoelectric materials are used for research into a variety of uses sensors are widely used in various
压电石英称重传感器及其在动态公路
压电石英称重传感器及其在动态公路 车辆称重系统中的应用 中国运载火箭技术研究院第七○二研究所 刘九卿 【摘 要】本文介绍了以石英晶体为敏感元件的压电石英称重传感器的工作原理、结构与特点；石英晶体的压电效应，压电石英晶体片的并联、串联连接方法，电荷电压计算；石英晶体片的装配要求和装配工艺；石英晶体敏感元件与电阻应变计的性能比较。分析了利用多个石英晶体敏感元件组装的工字梁型动态称重传感器的结构与技术特点及其在动态公路车辆称重系统中的应用。 【关键词】石英晶体 压电效应 称重传感器 电荷放大器 动态称重 轴重秤 一、概述 尽管早在1908年Pierre（皮埃尔）和Jacguse Curie（雅克卡里）就发现了石英晶体的压电效应，但是用于动态力的测量还是20世纪60年代。当时由苏黎世的瑞士联邦技术研究所研制出压电石英测力传感器，并利用它制成风洞天平，对空气动力进行测量。瑞士联邦工学院和德国Aachen大学分别利用石英晶体研制出刚性非常好的三分量测力传感器，用来测量机床的切削力。 20世纪70年代扩展了压电石英三分量测力系统，用来测量六个分量和计算力作用点的座标；军事工程部门用于测量火箭推力向量（力的大小、方向和位置）；汽车工业部门用于测量轮胎的附着力；生物力学领域用于运动矫形术、整形和姿态控制。 20世纪80年代在汽车制造业中压电石英测力传感器用于测量汽车点火压力，汽车碰撞的冲击力。利用二分量测力传感器同时测量汽车检测平台的垂直力和水平力，将压电石英测力传感器埋在路面下，测量汽车轮胎与路面之间的接触力。 20世纪90年代公路车辆轴载超限越来越严重，已成为世界难题。在公路车辆轴载超载预判，桥梁超载报警和轴载动态称重计量中，迫切需要体积小、高度低、重量轻，刚度大，固有频率高，动态范围广，灵敏度高的动态称重传感器和动态公路车辆称重系统。压电石英晶体敏感元件及其组装的压电石英称重传感器就具备上述特点。瑞士Kistler（奇石乐）公司开发出可以埋在路面下的以石英晶体为敏感元件的工字梁型动态称重传感器，用于公路车辆轴载超载预判，桥梁超载报警，隧道保护和车辆轴载计量，取得了很好的应用效果。这种压电石英称重传感器已在美国、英国、德国、澳大利亚、韩国、日本等许多国家广泛应用。1993年7月在苏黎世的瑞士联邦技术研究所，根据欧
生物传感器的发展现状与趋势
生物传感器的应用与发展趋势 摘要：生物传感器是一门由生物、化学、物理、医学、电子技术等多种学科互相渗透成长起来的高新技术, 是一种将生物感应元件的专一性与一个能够产生和待测物浓度成比例的信号传导器结合起来的分析装置，具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低、能在复杂的体系中进行在线连续检测的特点。生物传感器的高度自动化、微型化与集成化，减少了对使用者环境和技术的要求，适合野外现场分析的需求，在生物、医学、环境监测，视频，医药及军事医学等领域有着重要的应用价值。 关键词：生物传感器;应用;发展趋势 1生物传感器 从几百年以前,人类就已经在使用生物传感器,而生物传感器的研究始于1962年,Clark和Lyons首先提出使用含酶的修饰膜来催化葡萄糖,用pH计和氧电极来检测相应的信号转变。1967年,Updike和Hick 正式提出了生物传感器这一概念,并成功制备了第一支葡萄糖生物传感器,这一工作对生物学来说具有里程碑意义。生物传感器研究的全面展开是从20世纪80年代开始的,1977年,Kambe等用微生物作识别元素制备了生物传感器,为拓宽检测物的范围,所用到的识别元素不断得到扩展,如细胞、DNA、RNA、抗体等识别元素先后被应用于生物传感器的构筑中。换能器的种类和质量也不断得到提高和发展,随后细胞、DNA、RNA、抗体等识别元素也被应用于生物传感器中。逐渐从电化学向光谱学、热力学、磁力、质量及声波等方向拓展,这也使得生物传感器在种类和应用领域上得到发展。 1.1 生物传感器简介 生物传感器指对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。是由固定化的生物敏感材料作识别元件包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质与适当的理化换能器如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等及信号放大装置构成的分析工具或系统。生物传感器具有接受器与转换器的功能。对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。 将葡萄糖氧化酶包含在聚丙烯酰胺胶体中加以固化，再将此胶体膜固定在隔膜氧电极的尖端上，便制成了葡萄糖传感器。当改用其他的酶或微生物等固化膜，便可制得检测其对应物的其他传感器。固定感受膜的方法有直接化学结合法；高分子载体法；高分子膜结合法。现已发展了第二代生物传感器:微生物、免疫、酶免疫和细胞器传感器，研制和开发第三代生物传感器，将系统生物技术和电子技术结合起来的场效应生物传感器，90年代开启了微流控技术，生物传感器的微流控芯片集成为药物筛选与基因诊断等提供了新的技术前景。由于酶膜、线粒体电子传递系统粒子膜、微生物膜、抗原膜、抗体膜对生物物质的分子结构具有选择性识别功能，只对特定反应起催化活化作用，因此生物传感器具有非常高的选择性。缺点是生物固化膜不稳定。 在21世纪知识经济发展中，生物传感器技术必将是介于信息和生物技术之间的新增长点，在国民经济中的临床诊断、工业控制、食品和药物分析（包括生物药物研究开发）、环境保护以及生物技术、生物芯片等研究中有着广泛的应用前景。 1.2 生物传感器的分类 生物传感器主要有下面三种分类命名方式： 1．根据生物传感器中分子识别元件即敏感元件可分为五类：酶传感器，微生物传感器，细胞传感器，组织传感器和免疫传感器。相应的敏感材料依次为酶、微生物个体、细胞器、动植物组织、抗原和抗体。 2．根据生物传感器的换能器即信号转换器分类有：生物电极传感器，半导体生物传感器，光生物传感器，热生物传感器，压电晶体生物传感器等，换能器依次为电化学电极、半导体、光电转换器、热敏电阻、压电晶体等。 3.以被测目标与分子识别元件的相互作用方式进行分类有生物亲和型生物传感器、代谢型或催化型生
石英晶体传感器应用电路设计
东北石油大学 课程设计 2014年7 月15日
任务书 课程传感器课程设计 题目石英晶体传感器应用电路设计 专业测控技术与仪器姓名学号 主要内容： 本设计对利用石英晶体构成温度的传感器的方法做出较深入的研究，结合其他热敏电阻的特点进行详细的比较，并对石英晶体传感器的原理及石英晶体传感器原理做出详细的介绍，并结合单片机实现温度测量系统。 基本要求： 1．分析石英晶体传感器应用电路设计方案； 2．分析设计中各个电路的工作原理； 3．详细说明所选用传感器的基本工作原理、画出应用电路电路图、注明元器件选取参数。 4．设计思路清晰明确，原理分析简单，电路结构完整。 主要参考资料： [1] 曾兴雯、刘乃安、陈建.高频电路原理与分析[M].西安：电子科技大学出版社，2007.37-97. [2] 马洛夫著．翁善臣译.压电谐振传感器[M] .北京：国防工业出版社，1984.47-61. [3] 姚守拙.压电化学与生物传感器[M].湖南：湖南师范大学出版社，1997.39-41. [4] 陈小林，王祝盈，谢中等.石英晶体温度传感器的应用[J].传感器技术，2002(5)：55-57 [5] 谢胜秋，宋国庆.谐振式水晶温度传感器的现状及发展预测[J].传感器技术，2002（2）：1-4 完成期限2014.7.11—2014.7.15 指导教师 专业负责人 2014年7 月10 日
摘要 温度测量是工业生产中的一个重要环节。采用石英晶体作为温度传感器，利用石英晶体对温度的灵敏度高、线性度好等优点，本设计结合其他热敏电阻的特点进行了详细的比较，并介绍了谐振式石英晶体温度传感器的基本原理，给出了用单片机测量温度的基本电路，分析了测量算法，给出了软件流程图。以80C552 单片机为控制核心，实现了石英晶体温度传感器的数字温度计技术。实验结果表明，系统设计合理、工作稳定可靠、温度测量精度高。同时给出了温度测量系统的硬件结构和软件设计。 关键词：石英晶体；温度敏感性；单片机；数字滤波
压电石英晶体传感器及其在生物医学中的应用研究进展
综述 压电石英晶体传感器及其在生物医学中的应用研究进展* 刘楠综述,高志贤**审校 摘要 目的就压电石英晶体传感器及其生物医学中的应用研究进展作了综述。方法 查阅资料,汇总分析。结 果 从压电石英晶体传感器的基本工作原理、生物敏感膜的制备技术、在生物医学中的应用、存在的问题和展望等各个 方面进行了讨论。结论 虽然压电石英晶体传感器仍存在许多不足,但随着认识的不断深入和关键工艺技术瓶颈的不 断克服,加上与其他先进的科学技术相结合,它必然广泛地应用到生物医学的各个领域中。 关键词 压电石英晶体传感器;石英晶体微天平 中图分类号:Q331 文献标识码:A 文章编号:1001-1889(2005)02-0089-04 The application of PQC sensor in biomedicine LI U Nan,GAO Zhi-Xian (Institute of Hygiene and En viron mental Medicine,Aca dem y o f Military Medical Sciences,Tian jin300050) Abstract Objective Recent research of piezoelectric quartz crystal(PQC)sensor and its applications in bi omedicine were summarized in this review.Methods Consulted data and collected them for analysis.Results Aspects of basic principles,construction of the sensi tive membrane,applications in biomedicine,some problems and future prospects of the PQC sensor were discussed.Conclu sions In spi te of the faults of PQC sensor,it is consequentially widely used in various biomedical fields along with the deep cogni tion, the breakthrou gh of the bottle-neck of the key technology and integrating with other advanced scientific technology. Key w ords Piezoelectric Quartz Crystal(PQC)sensor;Quartz Crystal Microbalance(QCM) 压电生物传感器是一种将高灵敏的压电传感器技术与特异的生物反应结合,通过换能器将生物信号转化为易于定性或定量检测的物理或化学信号的新型生物检测分析方法。压电石英晶体传感器是当今微电子技术、生物医学技术、新材料技术相互结合发展的产物。它设备操作简单、成本低廉,不需要任何标记;而且还具有灵敏度高、特异性好、微型化、响应迅速等特点,代表着现代分析技术的前进方向。在生物医学的各个领域,如:分子生物学、疾病的诊断和治疗、环境污染监测、食品卫生监督等得到了广泛的应用。 1 基本工作原理 1959年,Sauerbrey根据石英晶体在气相中谐振的理论模型,忽略涂覆膜层相对于石英的弹性和密度差异,将晶体谐振近似考虑为理想剪切振动,推导出沉积在PQC上的质量变化与谐振频移之间的方程式[1]: f=-2f02 m/A( q q)-1=-C m[1] f:晶体谐振频率的改变(Hz);f0:基振(Hz); m:质量变化(g);A:压电活性区域或电极上涂覆物表面 *国家自然科学基金(30371218)和国家863青年基金(2004AA649110)资助课题;**通讯作者。 作者单位:军事医学科学院卫生学环境医学研究所(天津 300050) 作者简介:刘楠(1980-),男,河南南阳人,硕士研究生。积(c m2); q:晶体剪切模式; q晶体密度;C:质量感应常数(由所使用的石英晶体类型决定)。 Sauerbrey方程是质量型压电石英晶体传感器的理论基础,从方程中可以看出,压电石英晶体谐振频率的改变与晶体表面质量负载的变化呈负相关。所以有学者又把它称为压电石英微天平(Piezoelec tric Quartz Mi crobalance,PQM)、压电石英晶体微天平(Piezoelectric Quartz C rystal Microbalance,PQC M)或石英晶体微天平(Quartz C rystal Microbalance,QC M)。但是必须认识到,压电传感除了有质量效应外,还存在更多的非质量效应,如密度、应力、粘弹性、电导率、溶胀、表面性状等介质或界面效应[2]。PQC传感器由石英谐振器(探头)、振荡器、信号检测和数据处理系统等组成原理如图1 。 图1 压电石英晶体传感器基本工作原理示意图
石英压力传感器
石英传感器原理 凡是把非电量转换为电量的装置均称为传感器，它是实现信息检测、转换、控制和传输的元器件。石英晶体传感器按用途、结构、形状等大体可分为机械传感器、通用传感器、化学传感器以及应用于DNA检测的生物传感器，而石英压力温度传感器是一种典型的机械通用型传感器。传感器一般由敏感元件、传感元件和测量电路等组成。石英传感器的敏感元件是石英晶体，石英晶体的主要成份是二氧化硅，其密度为2.65×103kg/m3，莫氏硬度为7，熔点高达1750℃，难溶于水，长期稳定性能好，石英晶体具有较高的机电耦合系数，线性范围宽，重复精度高，滞后小，无热释电效应，动态特性优良，振动频率稳定，是其它材料难以代替的。 根据石英晶体的压电效应、压电逆效应及对某些物理量和化学量的变化会引起其频率和Q值（或等效电阻）发生变化的原理而制成的石英传感器，具有精度高、灵敏度好、测量范围宽、反应迅速、数字输出等独特的优势。由于晶体是频率控制元件，本身就能达到数字化（以频率的方式输出），当绝对频偏与被测含量呈线性关系时，其数字处理既简单又方便，且输出数字量稳定可靠，易与计算机接口，有利于二次仪表的数字化。数字量与模拟量相比，具有抗干扰性强，适宜于远距离传输，消除了模拟数字转换这一复杂环节及其造成的误差。由于石英晶体还具有短稳频率与长稳频率的优良特点，传感器的分辨率可提高几个数量级，减少了传感器的校准次数。
石英晶体机械传感器 石英晶体机械传感器主要用于测量位移、速度、力、弹性、重量等，较有代表性的传感器包括石英晶体测力计、石英晶体压力计、石英晶体加速度计、石英谐振式重力仪、石英差频重力仪等。 1石英晶体测力计 根据压电效应原理制造的石英晶体测力计，与接触表面的面积大小无关，当石英晶体受到力的作用时会产生机械形变，在其表面形成束缚电荷，电荷量的大小与作用力成正比，故测出其表面电荷量就可显示出作用力。大部分石英晶体测力计均采用压电系数较大的X切型或AT切型的晶体，X切型晶体的压电方程为： qX=d11FX（1）式中，d11为压电常数，FX为沿晶体X方向施加的压力，qX为垂直于X 轴平面上的电荷。从此式可见，配以适当的电荷放大器就可以测出作用力。石英晶体测力计的结构多种多样，目前研制的环形石英晶体测力计由两个石英晶片、两块环形石英质量块组成，中间夹一金属片作为电极引出线，另一电极为晶体与壳体相连的引出线，测力范围为100kg～105kg。测力计主要应用于测量机床的切削力、机械工具上的实际应力、枪炮的后座力、发射火箭的推力、缆车报警装置等，例如上海测试研究所研制的测力垫圈（测力范围小到100N左右）、瑞士生产的9257A型测力平台等。 2石英晶体压力计 石英晶体压力计亦称石英晶体压力传感器，它是依据压电效应原理（利用外界压力在石英晶体表面形成电荷，再实现电荷放大）或
生物传感器的应用现状及发展前景
生物传感器的应用现状 及发展前景 https://www.360docs.net/doc/5110056830.html,work Information Technology Company.2020YEAR
生物传感器的应用现状及发展前景 摘要：信息时代到来后，获取准确可靠的信息对现代化生产有着重大作用，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。其中生物传感器早已渗透到国民经济的各个部门如食品、制药、化工、医学、环境监测等方面。生物传感器专一性好、易操作、设备简单、测量快速准确、适用范围广。随着固定化技术的发展，生物传感器在市场上具有极强的竞争力。生物传感器的研究开发，已成为世界科技发展的新热点。相信不久的将来，生物传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。 关键词：生物传感器、应用、前景 一、传感器概述 传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。国家标准 GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量件并按照一定的规律(数学函数法则)转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。 随着新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。 在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。 传感器早已渗透到工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等各个领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到
生物传感器的应用及发展趋势
生物传感器的应用及发展趋势 摘要: 生物传感器是一类特殊的化学传感器，是以生物体成分（如酶,抗原,抗体,激素等）或生物体本身(细胞,微生物,组织等)作为生物体敏感元件,对被测目标物具有高度选择性的检测器件。生物传感器不仅广泛用于传统医学领域，推动医学发展，而且还在空间生命科学、食品工业、环境监测和军事等领域广泛应用。 关键词:生物传感器种类；原理；应用；趋势 一.生物传感器基本结构和工作原理 生物传感器由分子识别部分（敏感元件）和转换部分（换能器）构成，以分子识别部 分去识别被测目标，是可以引起某种物理变化或化学变化的主要功能元件。分子识别部分 是生物传感器选择性测定的基础。生物传感器通过物理，化学型信号转换器捕捉目标物 与敏感元件之间的反应，并将反应的程度用离散或连续的电信号表达出来，从而得出 被测量。 生物体中能够选择性地分辨特定特质的物质有酶、抗体、组织、细胞等。这些分子识 别功能物质通过识别过程可与被测目标结合成复合物，如抗体和抗原的结合、酶与基质的 结合。在设计生物传感器时，选择适合于测定对象的识别功能物质，是极为重要的前提； 要考虑到所产生的复合物的特性。根据分子识别功能物质制备的敏感元件所引起的化学变 化或物理变化，去选择换能器，是研制高质量生物传感器的另一重要环节。敏感元件中光、热、化学物质的生成或消耗会产生相应的变化量。根据这些变化量，可以选择适光的换能器。 二.生物传感器的分类及应用 1.酶生物传感器 酶传感器是生物传感器的一种，是利用生化反应所产生的或消耗的物质的量，通过电化学 装置转换成电信号，进而选择性地测定出某种成分的器件。酶生物传感器应用于检测血糖 含量，检测氨基酸含量，测定血脂，测定青霉素和浓度，测定尿素，测定血液中的酶含量 酶传感器中应用的新技术：纳米技术 固定化酶时引入纳米颗粒能够增加酶的催化活性，提高电极的响应电流值。首先，纳米颗 粒增强在载体表面上的固定作用；其次是定向作用，分子在定向之后，其功能会有所改善；第三，由于金、铂纳米颗粒具有良好的导电性和宏观隧道效应，可以作为固定化酶之间、 固定化酶与电极之间有效的电子媒介体，从而使得氧化还原中心与铂电极间通过金属颗粒 进行电子转移成为可能，酶与电极间可以近似看作是一种导线来联系的。这样就有效地提 高了传感器的电流响应灵敏度。孟宪伟等首次研究了二氧化硅和金或铂组成的复合纳米颗 粒对葡萄糖生物传感器电流响应的影响，其效果明显优于这=种纳米颗粒单独使用时对葡萄糖生物传感器的增强作用。其原因是纳米粒子具有吸附浓缩效应、吸附定向和量子尺寸颗 粒效应，复合纳米颗粒比单独一种纳米颗粒更易于形成连续势场，降低电子在电极和固定 化酶间的迁移阻力，提高电子迁移率，有效地加速了酶的再生过程，因此复合纳米颗粒可 以显著增强传感器的电流响应。 2.免疫传感器 免疫传感器应用于检测食品中的毒素和细菌，检测DNA 光纤，检测残留的农药，毒品和滥 用药物的检测。