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