压电石英晶体传感器及其在生物医学中的应用研究进展
压电材料的研究和应用现状
压电材料的研究和应用现状一、概述压电材料是一类具有压电效应的特殊功能材料，它们能够将机械能转化为电能，或者将电能转化为机械能。
自1880年居里兄弟发现压电效应以来，压电材料在科学研究和工业应用中就占据了重要地位。
随着科技的飞速发展，压电材料的研究和应用已经深入到众多领域，如传感器、换能器、振动控制、声波探测、生物医学等。
在压电材料的研究方面，科研人员一直致力于探索新型压电材料，优化其性能，拓宽其应用范围。
目前，压电材料的研究重点主要集中在压电陶瓷、压电聚合物、压电复合材料等领域。
这些新型压电材料在压电常数、介电常数、机械品质因数等关键指标上不断取得突破，为压电材料的应用提供了更多可能性。
在应用方面，压电材料在传感器和换能器领域的应用尤为广泛。
例如，压电传感器可用于检测压力、加速度、振动等物理量，广泛应用于工业自动化、航空航天、环境监测等领域。
压电换能器则可用于声波的发射和接收，广泛应用于声呐、超声检测、通信等领域。
压电材料在振动控制、声波探测、生物医学等领域也展现出广阔的应用前景。
压电材料作为一种重要的功能材料，在科学研究和工业应用中发挥着不可替代的作用。
随着科学技术的不断进步，压电材料的研究和应用必将迎来更加广阔的天地。
1. 压电材料的定义与特性压电材料是一种特殊的功能材料，具有将机械能转化为电能或将电能转化为机械能的能力。
这类材料在受到外力作用时，其内部正负电荷中心会发生相对位移，从而产生电势差，这种现象称为“压电效应”。
反之，当压电材料置于电场中时，材料会发生形变，这种现象称为“逆压电效应”。
压电材料的这种特性使得它们在许多领域都有广泛的应用，如传感器、换能器、振动控制等。
压电材料的特性主要包括压电常数、介电常数、机械品质因数等。
压电常数反映了材料的压电效应强弱，是衡量压电材料性能的重要指标。
介电常数则描述了材料在电场作用下的电荷存储能力。
机械品质因数则反映了材料在振动过程中的能量损耗情况。
生物传感器在医学领域中的应用
生物传感器在医学领域中的应用随着现代科学技术的不断进步，生物传感技术应用广泛，特别是在医学领域中，其应用价值不断增强和完善。
生物传感技术是一种用生物体材料或方法进行信号转换的科学技术，它将独特的功能材料和现代电子技术相结合，使得生物信息与电子信息之间的相互转换真正实现。
下面将探讨生物传感器在医学领域中的应用。
一、生物传感器在医学诊断中的应用生物传感技术在随着医学技术的进步，越来越受到关注。
传感器在医学诊断方面有着广泛的应用，例如药物检测、血糖测量、生物学识别等等，这些应用使得医学治疗更加准确和无创。
例如心电图是一种检测心脏疾病的诊断方法，在这个过程中，生物传感器可以对心电图信号进行检测和分析，并对病人的心脏状况进行诊断。
二、生物传感器在医学治疗中的应用生物传感器的发展也为医学治疗提供了新的方法和途径，无论是放射治疗、化疗还是手术治疗，生物传感器都可以提供先进的技术和机遇。
例如，医生可以通过生物传感器在进行放疗时可以掌握病人的放射状况，并对放疗过程进行精度控制，从而保证病人的治疗效果。
三、生物传感器在医学监测中的应用生物传感技术在医学监测方面也有着广泛的应用。
在生物系统监测方面，传感器可以实时监测体内的营养指标和环境变化，并将此信息传送到外界，使人们对自己的身体状况有更好的认识。
在医疗设备监测方面，生物传感技术可以用于对医疗设备进行监测和测试，并能及时发现故障，预防院感地的发生，从而保证患者的安全。
四、生物传感器在药物研发中的应用生物传感技术在药品研发方面也有着广泛的应用，例如，药物研发过程中需要对药品的活性和毒性进行测试，而生物传感技术可以高效地检测药物分子的活性，从而缩短药物研发周期以及提高药物研发的效率。
总结生物传感器在医学领域中的应用前景十分广阔，不仅可以提高医学诊断的准确性和治疗效果，还可以提高医疗设备的质量保障，甚至可为药品研发提供可靠的技术支持。
随着生物传感技术的不断发展，生物传感器也将在医学领域中获得更广泛的应用。
石英晶体的压电效应及应用
浅析石英晶体的压电效应及应用摘要：文章通过对石英晶体结构、特性的描述，详细阐述了其压电效应机理及应用，提出了其存在的问题，介绍了其发展前景。
关键词：石英晶体压电效应应用石英是矿物质硅石的一种，化学成分是sio2，形状为结晶的六角锥体，是一种物理特性和化学特性都十分稳定的物质。
随着近代科学技术的发展，人们对石英晶体材料进行了广泛的研究，而利用其压电效应研制出的揩振器、传感器等器件，在工业生产及无线电技术中发挥着巨大的作用。
一、石英晶体的压电效应机理当石英晶体在某个方向受到外力的作用而变形时，其内部就会产生极化现象，同时在其表面会产生极性相反的电荷；当外力消失时，又恢复到不带电状态，当外力方向改变时，电荷极性也随之改变，这种现象称之为压电效应。
反之，当石英晶体受到交变电场作用时，晶体将在一定方向上产生机械变形；当外加电场撤去后，该变形也随之消失。
这种现象称为逆压电效应，也称作电致伸缩效应。
具有压电效应的晶体称之为压电晶体，典型的压电晶体就是石英晶体，压电效应就是在石英晶体中被发现的。
二、石英晶体的应用1.石英晶体振荡器石英晶体振荡器是使用石英晶体作为谐振选频电路的振荡器。
将石英晶体按一定的角切成薄片，在晶体切片的表面上装上一对金属极板，这样就制成了石英晶体振荡器。
石英晶体振荡器是基于逆压电效应原理制成的。
当石英晶体受到交变电场时，石英晶体便会产生机械振动。
由于石英晶体具有一定的固有振动频率，当外加电场频率等于其固有频率时，便会产生谐振。
这就是石英晶体可以作为谐振选频电路的基本原因。
石英晶体振荡器具有极高的频率稳定度，因而广泛使用于要求频率稳定度高的设备中，例如标准频率发生器、脉冲计数器等。
2.压电式力传感器压电式力传感器是利用石英晶体等压电材料的压电效应制成的一种力敏传感器。
当压电传感器受到外力时，其内部的压电元件在力的作用下发生变形，表面即产生电荷，只要测得其产生的电荷量，就可以得到作用力的大小，这就是压电传感器的基本工作原理。
压电材料的研究和应用现状
压电材料的研究和应用现状一、本文概述压电材料是一类具有独特物理性质的材料，它们能在机械应力作用下产生电荷，或者在电场作用下发生形变。
这一特性使得压电材料在众多领域，如传感器、执行器、能量转换和收集等方面具有广泛的应用前景。
本文旨在全面概述压电材料的研究和应用现状，分析其在不同领域中的优势和局限性，并探讨未来可能的发展方向。
我们将回顾压电材料的基本理论和性质，包括压电效应的起源、压电常数等关键参数的定义和测量方法。
然后，我们将重点关注压电材料的主要类型，如压电晶体、压电陶瓷、压电聚合物等，介绍它们的制备工艺、性能特点以及适用场景。
接着，我们将深入探讨压电材料在传感器和执行器领域的应用。
在这一部分，我们将分析压电材料如何被用于制作压力传感器、加速度计、振动能量收集器等设备，并讨论其在实际应用中的优势和挑战。
我们还将关注压电材料在能源领域的应用，如压电发电和压电储能等。
我们将展望压电材料的未来发展趋势。
在这一部分，我们将讨论新型压电材料的开发、性能优化以及新应用场景的拓展等问题，并探讨压电材料在未来可能带来的技术革新和产业变革。
通过本文的阐述，我们希望能为读者提供一个全面而深入的压电材料研究和应用现状的概览，为相关领域的研究人员和工程师提供有益的参考和启示。
二、压电材料的分类压电材料，作为一种具有压电效应的特殊材料，可以根据其组成和性质进行多种分类。
最常见的分类方式是根据材料的晶体结构和化学成分，将压电材料分为压电晶体、压电陶瓷和压电聚合物三大类。
压电晶体：压电晶体是最早发现具有压电效应的材料，如石英晶体。
这类材料具有良好的压电性能和稳定性，因此在高精度测量、振荡器、滤波器等领域有广泛应用。
然而，由于晶体材料的加工难度大，成本高，限制了其在一些领域的应用。
压电陶瓷：压电陶瓷是通过一定的陶瓷工艺制备而成的压电材料，如铅锆钛酸盐（PZT）等。
这类材料具有较高的压电常数和介电常数，易于加工成各种形状，因此在传感器、执行器、换能器等领域得到了广泛应用。
生物传感器的研究进展与应用研究
生物传感器的研究进展与应用研究在现代科学领域中，生物传感器是一种广泛应用的技术，不仅在医疗保健领域有重要的应用，也被广泛应用于环境监测、工业生产等领域。
生物传感器的研究已经发展了几十年，历经多次革新和进步，如今已形成了包括电化学传感器、光学传感器、质谱传感器、生物发光传感器等多种类型的传感器。
本文旨在概述生物传感器的基本原理和分类，以及目前已有的主要研究进展和应用研究。
一、生物传感器的基本原理及分类生物传感器作为一种生物分析技术，主要是利用生物反应的特异性和灵敏性将生物分析过程转化为可测量的电、光、声等信号，从而实现对生物分子的快速、精确检测。
生物传感器按照其信号转换机制可以分为电化学传感器、光学传感器、质谱传感器、生物发光传感器等多种类型。
其中，电化学传感器是利用电化学反应过程的一系列物理和化学变化，对反应过程中发生物质转化的电流、电势变化等参数进行检测和记录。
这种传感器具有灵敏度高、选择性好、响应速度快等优点，广泛应用于环境污染监测、食品检测、医学诊断等领域。
光学传感器是利用光学传感器反射特性基于光学原理进行测量，其中包括表面增强拉曼光谱传感器、表面等离子体共振传感器等等。
质谱传感器基于质谱分析原理，用来检测生物分子的质量和结构。
而生物发光传感器基于生物体内活性荧光物质特性，利用荧光发射强弱进行检测和记录。
二、生物传感器的主要研究进展随着科技不断发展，生物传感器也在不断地发展中。
生物传感器的主要研究进展体现在以下几方面。
1、灵敏度提高近年来，生物传感器的灵敏度得到了不断提高。
传统的“热点”识别法、荧光共振能量转移、表面等离子体共振等技术的出现为生物传感器的灵敏度提高提供了有力的支撑。
此外，研究人员也通过改变传感器表面形貌、优化传感器的工作液、加强传感层对于目标分子的覆盖度等方法提高灵敏度。
2、多样化应用生物传感器的应用范围越来越广泛。
传统的医疗监测、环境监测等领域，已经可以应用到食品安全、生物制药、无机化学等领域。
压电效应的医学应用原理
压电效应的医学应用原理什么是压电效应？压电效应是指某些特定材料在受到机械压力或拉力时，能够产生电荷分离现象并产生电压的物理现象。
这种现象在一些晶体材料中常见，例如石英、压电陶瓷等。
压电效应在科学研究和工程技术中有着广泛的应用，特别是在医学领域，压电技术已被成功应用于多个医学设备和治疗方法中。
压电效应在医学应用中的原理压电效应在医学应用中的原理主要包括以下几个方面：1. 压电材料的选择在医学应用中，常用的压电材料通常是具有压电效应的陶瓷材料，如PZT、BaTiO3等。
这些材料具有良好的压电性能和机械性能，可以通过施加压力或拉力来产生电荷分离和电压输出。
2. 压电传感器的设计压电传感器是利用压电效应来测量和检测物理量的装置，常用于医学设备中。
通过将压电材料与电极连接，当外界施加力或压力时，压电材料会产生电荷分离，从而在电极上产生电压信号。
这样可以实时监测体内的压力、力度等物理量，并将其转化为数字信号或图形显示。
3. 压电造影技术压电造影技术是通过利用压电效应来获得体内组织的影像信息。
在这种技术中，医生通常会在患者身上放置压电探头或传感器，并施加适当的压力。
压力会形成一个压电信号，然后传感器将信号转换为数字数据或图像显示。
这种技术可以用于检测和诊断人体内部的器官和组织状况。
4. 压电治疗技术压电效应还可以应用于医学治疗中。
例如，利用压电材料制成的压电贴片可以通过机械压力刺激患者的肌肉或神经，从而提高肌肉的收缩或神经的传导速度。
这种技术常被用于康复治疗和疼痛管理。
5. 压电超声技术压电超声技术是将压电材料与超声波技术相结合，用于医学诊断和治疗。
通过在压电材料上施加电压，产生声波。
这些声波可以用于成像和治疗目的，例如超声检查和超声刀手术。
压电效应的医学应用案例以下是一些压电效应在医学应用中常见的案例：•压电超声成像技术：用于妇科、胸部、腹部等器官的检查和诊断。
•压电骨刀：用于骨科手术，可以精确切割骨骼，减少手术创伤。
生物医学传感-压电式
目
CONTENCT
录
• 压电式传感器简介 • 生物医学中压电式传感器的应用 • 压电式传感器在生物医学中的挑战
与解决方案 • 压电式传感器的发展趋势与未来展
望 • 案例分析：压电式传感器在生物医
学中的应用实例
01
压电式传感器简介
压电效应原理
压电效应
某些材料在受到外部压力时会产生电荷，这种现象 被称为压电效应。
用于脑电信号检测的压电式传感器
总结词
压电式传感器在脑电信号检测中具有高精度 和高稳定性的特点，能够准确记录大脑的神 经活动，为神经科学和心理学研究提供有力 支持。
详细描述
压电式传感器利用压电材料的压电效应，将 大脑的电生理信号转换为机械振动，再通过 换能器将机械振动转换为电信号。这种传感 器具有高精度、高稳定性、低噪声等优点， 因此在脑电信号检测中得到广泛应用。它可 以用于研究大脑的认知、情感、学习等方面 的神经机制，以及用于诊断和治疗神经系统
压电式传感器在生物医学成像 技术中发挥着重要的作用，如 超声成像和振动成像等。
压电式传感器在生物医学成像 技术中发挥着重要的作用，如 超声成像和振动成像等。
压电式传感器在生物医学成像 技术中发挥着重要的作用，如 超声成像和振中发挥着重要的作用，如 超声成像和振动成像等。
压电式传感器通常与电极相连，通过电信号的转换 ，将生物体产生的机械振动转换为可测量的电信号 ，进而实现生物医学信号的检测。
在实际应用中，压电式传感器常与放大器和滤波器 等辅助设备配合使用，以提高信号的信噪比和分辨 率。
生理参数的监测
压电式传感器在生理参数监测 方面具有实时、连续和无创的 特点，能够准确监测人体的生 理参数，如血压、血氧饱和度 、呼吸频率等。
压电石英晶体凝血传感器检测血浆凝血因子Ⅷ的实验研究
浆 、 化部 分凝 血 活酶 时 间试 剂 与待 测血 浆 混 匀 ， 入 检 测 池 ； 频 率稳 定 后 ， 入 Ｃ Ｃ２于检 测 池 ， 察 反 应 频 率 ， 凝 集 活 加 待 加 ａ１ 观 在 反 应 结束 时 的 频 率 变 化 由黏 度 、 度 、 量 、 密 质 晶体 表 面及 凝 块 的厚 度 、 块性 质 的 变 化 而 决 定 ， 样 后 频 率 下 降 的起 点 为 血 凝 加 浆 凝 集反 应 的 起 点 Ｔ１ 频 率上 升 、 降 ， 定 的 起 始 点 为反 应 的终 点 Ｔ２ 计 算 两 点 的 时 间 即为 反 应 时 间 Ｔ ＝Ｔ２ Ｔ ， 标 ， 下 稳 ， ｃ － １查
ａ ｄ ｅ ｄ ｐ ｉｔｏ ｈ ｌｏ ｏ ｇ ｌｔ ｎ ｒ ａ ｔ ｎ ｗａ ｅ ｉｅ ． ｅｕｔ ① Ｔ ｘ ｔ ｅ ｌ ｋ ＂ ｌｓ ， ｃｉａｅ ａ ｔ ｌ ｎ ｎ ｏｎ ｆｔ ｅ ｂｏ ｄ ｃ ａ ｕａｉ ｅ ｃｉ ｓ ｄ ｃ ｄ Ｒ ｓ ｌ ｏ ｏ ｄ ｓ ｏ ｍｉ ｈ ａ ｖ ｐａ ｍａ ａ ｔ ｔｄ ｐ ｒｉ ｃ ｌ ｖ ａ
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２ 第 三军 医大学 西南 医院检验 科 ， 庆 ． 重
qcm原理
石英晶体微天平的原理和应用一、石英晶体微天平的基本原理：石英晶体微天平最基本的原理是利用了石英晶体的压电效应：石英晶体内部每个晶格在不受外力作用时呈正六边形，若在晶片的两侧施加机械压力，会使晶格的电荷中心发生偏移而极化，则在晶片相应的方向上将产生电场；反之，若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形，这种物理现象称为压电效应。
如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。
在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，这种现象称为压电谐振。
它其实与LC回路的谐振现象十分相似：当晶体不振动时，可把它看成一个平板电容器称为静电电容C，一般约几个PF到几十PF；当晶体振荡时，机械振动的惯性可用电感L 来等效，一般L 的值为几十mH到几百mH。
由此就构成了石英晶体微天平的振荡器，电路的振荡频率等于石英晶体振荡片的谐振频率，再通过主机将测的得谐振频率转化为电信号输出。
由于晶片本身的谐振频率基本上只与晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关，而且可以做得精确，因此利用石英谐振器组成的振荡电路可获得很高的频率稳定度。
二、石英晶体微天平的主要构造：QCM主要由石英晶体传感器、信号检测和数据处理等部分组成。
石英晶体传感器的基本构成大致是：从一块石英晶体上沿着与石英晶体主光轴成35度15'切割(AT—CUT)得到石英晶体振荡片，在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，石英晶体夹在两片电极中间形成三明治结构。
在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。
石英晶体微天平的其他组成结构在不同型号和规格的仪器中也不尽相同，可根据测量需要选用或联用。
一般附属结构还包括振荡线路、频率计数器、计算机系统等；电化学石英晶体微天平在此基础上还包括恒电位仪、电化学池、辅助电极、参比电极等；\三、石英晶体微天平的分析化学应用QCM最早应用于气相组分、有毒易爆气体的检测。
滚环扩增型压电石英晶体传感器检测乙型肝炎病毒
滚环扩增型压电石英晶体传感器检测乙型肝炎病毒姚春艳;王云霞;府伟灵【摘要】The research describes the application of RCA( rolling circle amplification)-based quartz crystal microbalance( QCM) biosensor for the detection of hepatitis B virus( HBV) DNA. RCA is an isothermal am-plification technique, which creats long single-stranded products with property of product localization. After amplification, the RCA product is maintained during the assay through the covalent bonding between the cap-ture probes and the gold electrode surface. Using high amplification efficiency of Phi29 DNA polymerase and remarkable precision of Escherichia coli DNA ligase, the detection limit can reach 104 copies/mL. Experimen-tal results show that RCA has significantly enhanced sensitivity for the target strand compared to the single-base mismatch strand. RCA has powerful amplification ability, and QCM has superb mass sensitivity. The combination of these two methods provides a high sensitive RCA-QCM biosensor method, which has the poten-tial to become a successful clinical application.%通过捕获探针与纳米金膜之间的共价连接，保证了滚环扩增( RCA)产物始终结合于金膜表面， Phi29 DNA聚合酶的高效扩增和Escherichia coli DNA链接酶的高度精确性使检测达到单碱基识别，检测灵敏度达到104 copies/mL.实验结果表明，与单碱基错配序列相比， RCA可明显增强检测的灵敏度.该RCA基因传感器操作简单，灵敏度和特异性较高，在乙型肝炎病毒的快速检测方面具有一定的开发潜力.【期刊名称】《高等学校化学学报》【年(卷),期】2014(000)008【总页数】5页(P1635-1639)【关键词】滚环扩增;石英晶体传感器;乙型肝炎病毒【作者】姚春艳;王云霞;府伟灵【作者单位】第三军医大学西南医院检验科，重庆400038;第三军医大学西南医院检验科，重庆400038;第三军医大学西南医院检验科，重庆400038【正文语种】中文【中图分类】O657压电生物传感器是利用石英晶体对质量变化的敏感性,结合生物学识别反应而形成的一种自动化分析检测系统,其灵敏度取决于石英晶体的响应频率,该传感器具有灵敏度高、特异性好、响应快及小巧简便等特点[1,2].其中压电石英晶体传感器可对多种待测物进行实时、快速、连续的定量测定及反应动力学研究,克服了传统免疫检测方法费时、昂贵、标记及操作繁琐等缺点,具有广泛的发展前景和临床使用价值 [3～8].用压电石英晶体传感器检测核酸分子时,为了达到液相中核酸分子的检测灵敏度,多采用聚合酶链式反应(PCR)或T7多聚酶对靶分子进行预扩增,这些扩增步骤既增加了检测成本,也容易造成非特异性扩增.近年来,分子生物学技术的进展为核酸扩增提供了多种可能,其中滚环扩增技术(RCA)是一种无需温度循环和产物分离的新型扩增技术[9,10].在RCA过程中引物结合到环状模板上,在DNA聚合酶的作用下不断延伸,可产生与环状模板互补的大量重复序列线状单链产物[11～13].目前,RCA技术已应用于DNA、RNA、蛋白及单碱基多态性(SNP)的检测.RCA技术的优点在于无需扩增仪,同时其单链扩增特性使扩增产物的一端可始终连接于固相载体,非常适合于固相形式的传感器信号检测.俞汝勤等[14]将RCA技术与电化学方法结合进行了蛋白质的系列检测研究.肝炎是世界性的公共健康问题,在亚洲国家乙型肝炎病毒(HBV)是肝脏疾病的主要诱因,与肝癌及肝硬化密切相关.中国的乙型肝炎病毒感染呈高发趋势,有1.2亿人携带乙型肝炎病毒[15,16].目前,在临床上应用的乙型肝炎病毒检测手段包括化学发光法、等位杂交技术、巢式PCR(Nested-PCR)、反转录PCR(RT-PCR)及基因传感器[17,18]等.PCR扩增技术是最常用的临床诊断技术,但该方法操作繁琐,且需要高精度的仪器设备,因此开发一种简便、特异且高灵敏度的检测方法尤为重要.本文将RCA技术与压电生物传感器相结合,建立了一种新型高灵敏度的乙型肝炎病毒检测方法,将RCA的高扩增特性与压电生物传感器的高灵敏性相结合,实现了乙肝病毒核酸分子的高灵敏度检测.1.1 试剂及HBV DNA的提取实验所用序列均购自大连Takara生物技术公司(序列见表1),其中捕获探针的5′端经巯基修饰后固定于金膜表面;Phi29 DNA聚合酶、Escherichia coli DNA扩增酶及dNTPs均购自Takara生物技术公司;其余试剂均为分析纯.固定缓冲液: 30 mmol/L Tris-HCl(pH=7.8)+300 mmol/L KCl+4 mmol/L MgCl2;链接缓冲液:30 mmol/L Tris-HCl(pH=7.8)+150 mmol/L KCl+4 mmol/L MgCl2+10mmol/L(NH4)2SO4+1.2 mmol/L EDTA;RCA反应缓冲液: 40 mmol/L Tris-HCl(pH=7.5)+50 mmol/L KCl+10 mmol/L MgCl2+5 mmol/L (NH4)2SO4.所用标本均来自西南医院的HBV感染患者,共收集了55例HBV患者(男性27例,女性28例,平均年龄36.8岁)标本.将同时感染有甲型肝炎病毒(HAV)、丙型肝炎病毒(HCV)、戊型肝炎病毒(HEV)及人类免疫缺陷病毒(HIV)的患者排除在外.采用QIAamp 病毒DNA提取试剂盒进行乙肝病毒的DNA提取.采用表1中的HBV靶序列及单碱基错配序列进行反应条件的优化.所提取的乙肝病毒DNA同时采用RT-PCR方法检测.对照样本来自西南医院的健康体检志愿者,经RT-PCR方法检测乙肝病毒DNA为阴性结果.1.2 实验过程1.2.1 传感器的构建 AT切型10 MHz的石英晶振采用双面镀金工艺(中国电子科技集团公司第26研究所提供).压电石英晶体传感器包含电子起振环路、稳压系统、恒温系统及2×5检测池(中国嘉陵集团公司生产).将石英晶振彻底清洗后安装于检测池,保证只有一面接触到液相.在晶振表面滴加20 μL浓度为1 μmol/L的捕获探针,在37 ℃孵育30 min.用蒸馏水冲洗去除未结合的探针,滴加20 μL浓度为1 μmol/L的6-巯基乙醇进行封闭,用超纯水冲洗后备用.1.2.2 RCA反应 RCA反应在链接缓冲液中进行.100 μL的链接缓冲液包含105 copies/mL靶序列、100 nmol/L环状模板和150 nmol/L引物,与40单位的Escherichia coli DNA链接酶共同孵育60 min.然后,在RCA反应缓冲液中加入20 μL的 RCA反应混合物,RCA反应混合物包含20单位的Phi29 DNA聚合酶,200 μmol/L的dNTPs及1 μL核酸外切酶Ⅰ(5 Unit/μL).1.2.3 压电石英晶体传感器检测反应过程中晶振的实时频率变化由计算机采集并记录.将系统温度调至40 ℃后,在每个检测池中分别加入100 μL链接缓冲液,当频率稳定后记录基础反应频率(F1),然后在检测池中加入靶序列、环状模板和引物,退火60 min.在检测池中加入RCA反应混合物进行放大反应,反应前后的频率依次记录为F2和F3,通过计算得出RCA反应前后的频率变化ΔF=F3-F2.压电石英晶体传感器对HBV检测的实时频率变化如图1所示.进行实际标本的检测时,将临床标本中提取的乙肝病毒DNA进行变性处理后,代替相同体积的靶序列进行检测.合成的HBV靶序列则用于反应条件的优化.2.1 RCA反应条件的构建及优化压电生物传感器的基本反应原理是将晶振金膜表面的质量变化转换为频率变化.在RCA反应过程中,RCA反应通过金膜表面的捕获探针进行固定.首先,以靶序列作为模板完成环状模板的链接,随后和引物一起将环状模板环化.环状模板的两端与靶序列特异性互补,当有错配序列存在时,环状模板无法进行环化,也无法完成后续的扩增反应.只有当靶序列与环状模板完全互补时,才能完成RCA扩增反应,扩增产物通过捕获探针连接在金膜表面,导致金膜表面的质量负载,从而引起晶振的频率改变.而单碱基错配序列则因无法将环状模板连接成环,不能进行后续的扩增反应.RCA型基因传感器的基本检测原理见图2.杂交温度是RCA反应的重要条件之一.将环状模板的浓度设定为100 nmol/L,靶序列浓度设定为105 copies/mL,在不同杂交温度下进行反应,发现在40 ℃下可获得最大反应频率变化[图3(A)].在相同反应条件下,阴性对照只显示了微弱的频率改变,故选择杂交反应的温度为40 ℃.为了进一步提高反应的灵敏度,考察了扩增反应时间与频率变化之间的关系.RCA反应形成的产物与反应时间相关,通常认为较长的反应时间会产生更多的反应产物.在反应进行到60 min时,获得了最大的反应频率变化.当反应时间超过60 min后,反应达到饱和,频率变化不再增加[图3(B)].这可能是由于随着反应时间的延长,反应产物互相纠缠,增加了反应产物与捕获探针结合的空间位阻效应.因此选择60 min为最佳扩增反应时间.2.2 核酸外切酶Ⅰ的作用将核酸外切酶Ⅰ加入反应体系主要是为了去除反应过程中未成环的环状模板及线性靶序列.但核酸外切酶Ⅰ同时有可能消化金膜表面的捕获探针,从而降低反应的灵敏度,所以核酸外切酶Ⅰ浓度的选择尤为重要.将不同浓度的核酸外切酶Ⅰ加入反应体系,进行不同杂交时间下的RCA反应.当核酸外切酶Ⅰ浓度为5 Unit时,RCA反应的频率变化最大,当核酸外切酶Ⅰ浓度超过5 Unit时,反应的频率变化反而降低,这可能是由于金膜表面的捕获探针被部分消化所致[图3(C)].因此选用5 Unit的核酸外切酶Ⅰ进行杂交反应.2.3 传感器的检测灵敏度适用于临床的HBV检测方法应具有较高的灵敏度.实验考察了RCA压电石英晶体传感器频率变化与靶序列浓度之间的关系.实验结果表明,当靶序列浓度为103～108 copies/mL时,靶序列浓度与传感器频率变化之间呈良好的线性关系,反应方程为F=-64+23 lgc,相关系数为0.995.由于RCA的扩增效果,传感器的频率变化随靶序列的浓度增加而明显增大.在相同反应条件下,阴性对照只显示微量的频率改变,且不随序列浓度的增加而增大.传感器所能检测到的最低浓度为104 copies/mL,当靶序列的浓度为105和107 copies/mL时,检测结果的变异系数均小于10%,显示出良好的检测重复性.2.4 临床标本HBV的检测采用优化的反应条件,进行了临床标本的HBV检测.将55例临床标本的HBV DNA 同时采用压电石英晶体传感器和RT-PCR方法进行检测,2种方法均显示了良好的相关性(R2=0.96),对55例标本的平均检测值分别为(2.03±0.33)×107和(1.54±0.23)×107 copies/m L.所有阴性对照标本经2种方法检测均为阴性结果.检测结果表明,2种方法均有较好的一致性,基于RCA的压电石英晶体传感器具有较好的检测灵敏度和特异性.将RCA反应与基因传感器结合,构建了一种新型的HBV检测方法.链接酶的特异性识别作用、RCA的扩增效应以及压电基因传感器的高灵敏度使该反应体系具备高灵敏度和高特异性的特点.同时,该方法省略了PCR扩增步骤,所有反应均在传感器的检测池中进行,节省反应时间的同时也减少了核酸污染的可能.该方法的检出限为104 copies/mL,可满足临床实际检测的需要.基于RCA的压电石英晶体传感器检测技术是一种特异、灵敏且快速的新方法,可在HBV的早期诊断及疾病控制方面发挥重要作用.[1] Poitras C.,Tufenkji N.,Biosens.Bioelectron.,2009,24,2137—2142[2] Ogi H.,Yanagida T.,Hirao M.,NishiyamaM.,Biosens.Bioelectron.,2011,26,4819—4822[3] Mo Z.H.,Huang H.J.,Qian J.Z.,Zhu L.H.,Chem.J.Chinese Universities,2007,28(4),649—651(莫志宏,黄红稷,钱俊臻,朱丽华.高等学校化学学报,2007,28(4),649—651)[4] Song W.L.,Zhu Z.,Mao Y.N.,ZhangS.S.,Biosens.Bioelectron.,2014,53,288—294[5] Bianco M.,Aloisi A.,Arima V.,Capello M.,Ferri-Borgogno S.,NovelliF.,Leporatti S.,Rinaldi R.,Biosens.Bioelectron.,2013,42,646—652[6] Crosson C.,Rossi C.,Biosens.Bioelectron.,2013,42,453—459[7] Wang D.Z.,Chen G.J.,Wang H.M.,Tang W.,Pan W.,Li N.,LiuF.,Biosens.Bioelectron.,2013,48,276—280[8] Prakrankamanant P.,Leelayuwat C.,Promptmas C.,LimpaiboonT.,Wanram S.,Prasongdee P.,Pientong C.,Daduang J.,Jea-ranaikoonP.,Biosens.Bioelectron.,2013,40,252—257[9] Guo Q.,Yang X.,Wang K.,Tan W.,Li W.,Tang H.,Li H.,Nucleic Acids Res.,2009,37(3),e20-1—e20-6[10] Zhang S.,Wu Z.,Shen G.,Yu R.,Biosens.Bioelectron.,2009,24,3201—3207[11] Zuccaro L.,Tesauro C.,Cerroni B.,Ottaviani A.,KnudsenB.R.,Balasubramanian K.,Desideri A.,Anal.Biochem.,2014,451,42—44[12] Ouyang X.Y.,Li J.,Liu H.J.,Zhao B.,Yan J.,He D.N.,Fan C.H.,ChaoJ.,Methods,2014,67,198—204[13] Sato K.,Ishii R.,Sasaki N.,Sato K.,NilssonM.,Anal.Biochem.,2013,437,43—45[14] Zhao C.L.,Hua M.,Zhao X.H.,Huang L.L.,Feng Y.J.,Niu S.P.,Fu X.W.,YuanC.,Yang Y.H.,Chem.J.Chinese Universities,2013,34(1),61—66(赵春玲,华梅,赵晓慧,黄亮亮,冯亚娟,牛司朋,符雪文,袁聪,杨云慧.高等学校化学学报,2013,34(1),61—66)[15] Xu L.,Wei Y.,Chen T.,Lu J.,Zhu C.L.,Ni Z.,Huang F.,Du J.,Sun Z.,QuC.,Vaccine,2010,28,5986—5992[16] Liang X.,Bi S.,Yang W.,Wang L.,Cui G.,Cui F.,Zhang Y.,Liu J.,Gong X.,Chen Y.,Wang F.,Zheng H.,Wang F.,Guo J.,Jia Z.,Ma J.,Wang H.,Luo H.,Li L.,Jin S.,Hadler S.C.,Wang Y.,Vaccine,2009,27,6550—6557[17] Vincenti D.,Solmone M.,Garbuglia A.R.,Lacomi F.,CapobianchiM.R.,J.Virol.Methods,2009,159,53—57[18] Hassen W.M.,Chaix C.,Abdelghani A.,Bessueille F.,Leonard D.,Jaffrezic-Renault N.,Sens.Actuators B Chem.,2008,134,755—760† Supported by the National Natural Science Foundation ofChina(Nos.30970766,81371885).【相关文献】[1] Poitras C.,Tufenkji N.,Biosens.Bioelectron.,2009,24,2137—2142[2] Ogi H.,Yanagida T.,Hirao M.,Nishiyama M.,Biosens.Bioelectron.,2011,26,4819—4822[3] Mo Z.H.,Huang H.J.,Qian J.Z.,Zhu L.H.,Chem.J.Chinese Universities,2007,28(4),649—651(莫志宏,黄红稷,钱俊臻,朱丽华.高等学校化学学报,2007,28(4),649—651)[4] Song W.L.,Zhu Z.,Mao Y.N.,Zhang S.S.,Biosens.Bioelectron.,2014,53,288—294[5] Bianco M.,Aloisi A.,Arima V.,Capello M.,Ferri-Borgogno S.,Novelli F.,Leporatti S.,Rinaldi R.,Biosens.Bioelectron.,2013,42,646—652[6] Crosson C.,Rossi C.,Biosens.Bioelectron.,2013,42,453—459[7] Wang D.Z.,Chen G.J.,Wang H.M.,Tang W.,Pan W.,Li N.,LiuF.,Biosens.Bioelectron.,2013,48,276—280[8] Prakrankamanant P.,Leelayuwat C.,Promptmas C.,Limpaiboon T.,WanramS.,Prasongdee P.,Pientong C.,Daduang J.,Jea-ranaikoonP.,Biosens.Bioelectron.,2013,40,252—257[9] Guo Q.,Yang X.,Wang K.,Tan W.,Li W.,Tang H.,Li H.,Nucleic Acids Res.,2009,37(3),e20-1—e20-6[10] Zhang S.,Wu Z.,Shen G.,Yu R.,Biosens.Bioelectron.,2009,24,3201—3207[11] Zuccaro L.,Tesauro C.,Cerroni B.,Ottaviani A.,Knudsen B.R.,Balasubramanian K.,DesideriA.,Anal.Biochem.,2014,451,42—44[12] Ouyang X.Y.,Li J.,Liu H.J.,Zhao B.,Yan J.,He D.N.,Fan C.H.,ChaoJ.,Methods,2014,67,198—204[13] Sato K.,Ishii R.,Sasaki N.,Sato K.,Nilsson M.,Anal.Biochem.,2013,437,43—45[14] Zhao C.L.,Hua M.,Zhao X.H.,Huang L.L.,Feng Y.J.,Niu S.P.,Fu X.W.,Yuan C.,YangY.H.,Chem.J.Chinese Universities,2013,34(1),61—66(赵春玲,华梅,赵晓慧,黄亮亮,冯亚娟,牛司朋,符雪文,袁聪,杨云慧.高等学校化学学报,2013,34(1),61—66)[15] Xu L.,Wei Y.,Chen T.,Lu J.,Zhu C.L.,Ni Z.,Huang F.,Du J.,Sun Z.,QuC.,Vaccine,2010,28,5986—5992[16] Liang X.,Bi S.,Yang W.,Wang L.,Cui G.,Cui F.,Zhang Y.,Liu J.,Gong X.,Chen Y.,WangF.,Zheng H.,Wang F.,Guo J.,Jia Z.,Ma J.,Wang H.,Luo H.,Li L.,Jin S.,Hadler S.C.,WangY.,Vaccine,2009,27,6550—6557[17] Vincenti D.,Solmone M.,Garbuglia A.R.,Lacomi F.,CapobianchiM.R.,J.Virol.Methods,2009,159,53—57[18] Hassen W.M.,Chaix C.,Abdelghani A.,Bessueille F.,Leonard D.,Jaffrezic-RenaultN.,Sens.Actuators B Chem.,2008,134,755—760(Ed.: I,K)† Supported by the National Natural Science Foundation ofChina(Nos.30970766,81371885).。
压电生物传感器的原理与应用
将生物活性物质与待 测物相 接触 ，两者 发生特异 存在 多个 振动模 式 。最 通 常 的振 动 模式 有 ：弯 性 反 映 ，反 应 后 形成 复 合物 或产 生 声 ，光 ， 电 ， 曲、伸 缩 、面 切变 、厚度 切变 。 热等信 弓。换能器将 反应结果转变为可输出的， ‘ 由于石英 晶体 在 压力 下 产 生 的电场 强度 很
摘 要 ：生物传感器是一种新型的检测装置， 生物传感器具有较好 的选择性 ，敏感性 ，响应 速度快 ，操作简便和在线检测等特点。它种类众多，其 中压 电生物传感器是一种发展 比较成熟 的 生物传感 器。我通过计算机检 索 、查阅资料 、汇总分析 的方法 ，对压 电晶体的特性 、压 电生物 传感器的构成、响应原理 、振动模式及应用作 了探讨。 关键词：压电效应；石英晶体；压电生物传感器；振动模 式 中图分类号：Ｔ ２２ Ｐ ． １３ 文献标识码：Ａ 文章编号：ｌ７ － ８ （ ０）４０ ６ ． ４ ８２ ６０．０ ７０ ６１２ ０ ３
维普资讯
第６ 卷第 ４ 期
２０ ０６年 ７月
潍坊学院学报
Ｊ ｕ ａ ｆ Ｗ ｅｆｎ ｉｅｓｔ ｏ ｒ ｌｏ ｉａ ｇ Ｕｎｖ ｒｉ ｎ ｙ
Ｖ０ ． ． １ Ｎｏ ４ ６ Ｊ１ ０ ６ ｕ． ０ ２
压 电生物传感器 的原理与应 用
李淑 玮 （ 坊 医 学院 ，山东 潍 潍坊 ２ １４ ） ６０ ２
可 检 测 的 电 、光 等信 号， 以次 对 物 质 进 行 定性 和 小，这样仅需很弱 的ＪＤ 电场就 可 以产 生形变 。 ＇ｒ ｔｌ －
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压电生物传感器及其研究进展
（ 西 北 师 范 大 学 化 学 化 工 学 院 ，兰 州 ７ ０ ７ 军 事 医 学 科 学 院 卫 生 学 与 环 境 医 学 研 究 所 ，天 津 ３０ ５ ） ３０ ０； ０ ００
摘 要 ： 物 传 感 器 的研 究 是 近 年 来 生 物 化 学 、 子 生 物 学 、 感 器 技 术 等 领 域 的 研 究 热 点 。 本 文 简 要 生 分 传 介 绍 了压 电生 物传 感器 （ Ｅ Ｓ 的基本 原理 、 成 和 分 类 ， 点对 近 年 来 国 内外 Ｐ Ｂ ＰＢ ） 组 重 Ｅ Ｓ方 面 的研 究 进 展 、 物 识别 元 件 的固定 化 技术 和 Ｐ Ｂ 生 Ｅ Ｓ的 发 展 趋 势 进 行 了 综 述 。
压 电 生 物 传 感 器 （ ｅｚｅｅｔ ｃ ｉ ｅ ｓｒ， ｐ ｉ ｌｃｒ ｂｏ ｎｏｓ ｏ ｉ ｓ
Ｐ Ｂ ） 把 电子 学 、 械学 、 之 生 物学 等 学 科 结 合 Ｅ Ｓ是 机 分 在 一 起 的 新 型 生 物 传 感 器 。 这 类 传 感 器 最 大 的优 点
收 稿 日期 ：０ ２ ０ — ６ ２ ０ — ２ ０
Ｍ ａ ｎ Ｍ． Ｎａ ｉｔ ｃ ｎ １ １ ９ ｎ ｔｂｏ ｅ ｈ ｏ ． ９ ９． ７： ５ １ ９ ４—＿ ５ ９ ５ Ｏｄ ｅ １ ａ Ｙ ｔａ ．ＰｒｃＮａ ｌ ａ ｃ ｏ ｔ Ａｃ ｄ Ｓ ｉ
参 考 文 献
［ ２］ ［ ４］ ［ ５］ ［ ６］ ［ ７］ ［８ ］ ［ Ｏ］ １
Ｒａ ｌ ｕ ｅ １ Ｐｒ ｔｏ ｃ ． ０ ｂｉ ｏ ｄ Ｔ ｔａ ． ｌ ｏ ｅ ｍｉｓ ２ ０１． ６ ９— ７ ４ １： ９ ０
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石英晶体微量压力传感器的研究和应用
石英晶体微量压力传感器的研究和应用石英晶体微量压力传感器是一种广泛应用于工业控制、科学研究和生物医学领域的高灵敏度传感器，其原理是通过测量石英晶体压电效应的变化来实现对压力的检测。
本文将简要介绍石英晶体微量压力传感器的工作原理、优点、应用场景以及未来的发展趋势。
一、工作原理石英晶体微量压力传感器的工作原理基于石英晶体的压电效应。
石英晶体是将一些氧化物（如二氧化硅）加热到高温并使其逐渐冷却而成的晶体，具有压电特性，即当晶体受到外部压力或张力时，其表面产生电势差。
该电势差可通过精确测量来反映环境中的压力变化情况。
二、优点相对于其他压力传感器，石英晶体微量压力传感器具有以下优点：1. 高灵敏度由于石英晶体具有很高的压电系数和机械品质因数，因此石英晶体微量压力传感器的灵敏度非常高，能够探测非常微小的压力变化。
2. 高精度石英晶体微量压力传感器以其高精度而著称。
通过精细制造和精密电子元器件的组合，可以达到极高的精确度，达到微米级别的探测范围。
3. 耐用性强石英晶体微量压力传感器的机械结构简单，由于其不受温度、机械振动和腐蚀的影响，所以具有很高的耐用性。
三、应用场景石英晶体微量压力传感器的应用场景非常广泛：1. 工业控制在工业控制领域中，石英晶体微量压力传感器用于精确控制工业生产线上流体介质的流速、流量和压力，从而实现高效、稳定的工业制造。
2. 科学研究在科学研究领域中，石英晶体微量压力传感器被广泛应用于气体分析、温度测量和压力控制等领域，为实现科学研究提供了重要的技术支持。
3. 生物医学在生物医学领域中，石英晶体微量压力传感器被用于测量人体内部结构和组织的压力，帮助医生进行精确诊断和手术操作。
四、未来发展趋势随着科技的发展和石英晶体微量压力传感器技术的不断提升，我们可以预见到以下趋势：1. 精度的提高随着制造工艺和电子元器件的不断提高，石英晶体微量压力传感器的精度将得到进一步提高，达到纳米级别。
2. 体积的缩小为了适应越来越小的机械结构和设备，石英晶体微量压力传感器的体积将逐渐缩小，越来越便于集成到微型系统中。
生物传感器的研究进展与应用前景
生物传感器的研究进展与应用前景随着生物学、电子学和材料学等交叉学科的不断发展，生物传感器已成为目前最具潜力的实验室和临床应用之一，其在医疗诊断、环境监测、食品安全等方面具有广泛的应用前景。
生物传感器是一种基于生物学分子与传感器之间的相互作用，可以转化生物分子信号为电化学、光学、质谱等信号的生物检测技术。
它可以测量生物分子、细胞、组织的生理、生化特性，能够在单细胞水平下探究分子交互的机理，从而在医学上提供了高敏感、高特异、高效率的定量检测方法。
在生物传感器中，探针是最重要的部分之一。
探针一般由识别分子和转换器件两部分组成。
识别分子一般是生物大分子如抗体、核酸、酶等等，具有较高的特异性和灵敏性。
转换器件则可以将生物分子识别转化为可测量的物理信号，如荧光、电流、电压、质谱信号等。
探针的设计与合成直接关系到生物传感器的检测灵敏度、特异性和应用范围等。
除了探针之外，材料的质量和性能也影响了生物传感器的性能。
比如传感器的灵敏度和特异性可以得到提高，唯有探针材料和转换器件材料的优化才能得到进一步的提高。
同时，生物相容性、稳定性和可重复性也是常常需要考虑的重要因素。
生物传感器可以用于临床和环境监测等领域。
在临床方面，生物传感器广泛应用于癌症、心血管疾病、神经系统疾病、感染病毒等疾病的早期诊断、药物筛选和有效监测。
其中，压电传感器、电化学传感器、荧光探针等技术在临床中得到了广泛应用。
在环境监测方面，生物传感器主要关注污染物质的检测，如水中重金属、生物毒素等，可以有效地监测环境水体和土壤的污染程度，为环境保护提供技术支持。
同时，食品安全是另一项非常重要的领域，生物传感器在这方面也有着广泛的应用前景。
食品中的添加剂、农药残留、微生物污染等都是日常的监测重点，使用基于核酸、抗体结合等技术构建的传感器可以对食品中的农药、残留物、病原体等微量有毒有害物质进行精确测量，有效保障食品安全。
总之，生物传感器的应用前景广阔，其技术不断完善，制约其性能的材料技术、工艺技术等都在持续优化。
压电石英晶体生物传感器应用研究进展
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２０ 年 第 ２ 卷 第 ５ ０２ ｌ 期
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压 电 石 英 晶 体 生 物 传 感 器 应 用 研 究 进 展
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压电材料的制备及其在传感器中的应用研究
压电材料的制备及其在传感器中的应用研究随着科技的不断发展，人们对于精度和灵敏度的要求也越来越高。
而传感器正是近年来科技领域快速发展的重要组成部分。
传感器是检测和测量物理量并将其转换为可处理的信号的器件。
它可以应用于医疗诊断、汽车工业、航天技术等多个领域。
然而，传感器的灵敏度和精度也受到了材料的限制。
压电材料的研究及其在传感器制备中的应用，正在引起越来越多的关注。
1. 压电材料的概念压电材料是指在受到外力作用下，可以产生电势差的材料。
它可以将机械能转换为电能，也可以将电能转换为机械能。
这种效应全称为压电效应，是由于一些晶体结构的不对称性而引起的。
常见的压电材料有石英晶体、硬质陶瓷、聚偏氟乙烯等。
2. 压电材料的制备压电材料的制备需要严格的材料选择和制备工艺。
其中，石英晶体是最常用的压电材料之一。
制备石英晶体的方法主要有两种：熔融法和水热法。
熔融法利用高温使石英块熔化，随后液态石英凝固，这时晶体的结构已发生改变，因此需要进行后续热处理，得到所需的压电效应材料。
水热法则是将化学试剂溶解于水中，在恒温、恒压的条件下反应生成结晶体，然后在高温高压下进行处理。
3. 压电材料在传感器中的应用压电材料的最主要应用之一就是传感器的制备。
压电传感器可以测量各种机械和物理变量。
将它们集成到一个完整的系统中可实现高精度和高可靠性的测量。
压电传感器主要有压力传感器、加速度传感器、加速度计、力传感器、声波传感器等多种类型。
3.1 压力传感器压力传感器是一种将相关压力转化成电信号输出的仪器。
它由传感器芯片、连接线和外壳组成。
压电材料被用作传感器芯片，直接通过压电效应将机械变形转化为电信号输出。
3.2 加速度传感器加速度传感器主要用于测量真实加速度和振动的频率。
它通常由一个质量加速器和一种压电元件组成。
当质量加速器发生运动时，压电材料会发生变形，变形后的电信号将传送到控制电路。
3.3 加速度计加速度计是一种利用压电效应来测量物体加速度的仪器。
生物医学传感器的研究进展及其应用前景
生物医学传感器的研究进展及其应用前景随着人类对健康的日益重视，生物医学传感技术也越来越受到关注。
生物医学传感器是一种能够检测生物体内变化或环境变化的电子设备。
它可以实时监测体内物质浓度、心率、体温、血氧等指标，并将这些数据通过计算机、移动设备等方式进行存储和处理，为医疗诊断和治疗提供帮助。
本文将介绍生物医学传感器的研究进展及其应用前景。
一、生物医学传感器的研究进展生物医学传感器的研究始于上个世纪60年代。
最初研究的重点是糖尿病患者的血糖监测，随着技术的不断进步，研究领域逐渐扩大。
现在，生物医学传感器已经可以实现对多种指标的监测。
1. 无线生物医学传感器技术近年来，无线生物医学传感器技术得到了快速发展。
它相对于传统的有线传感器技术，可以避免繁琐的接线和导管，降低使用难度。
同时，由于其无线传输数据的特性，患者可以在家中进行监测，大大提高了患者的生活质量。
2. 纳米生物医学传感器技术纳米技术的发展，也给生物医学传感器技术带来了巨大的发展机遇。
纳米生物医学传感器是一种利用纳米材料制造的传感器。
它可以更精确地检测生物体内的变化，同时可以减少对患者的伤害。
纳米生物医学传感器可以制造成智能贴片、无线胶囊等形式，进一步提高了检测的灵活性和便携性。
3. 生物医学传感器与人工智能结合生物医学传感器与人工智能的结合，是解决数据处理难题的重要途径。
人工智能技术可以对大量数据进行快速处理，并通过大数据分析，帮助医生制定更精准的诊断和治疗方案。
同时，生物医学传感器通过实时监测，提供了大量的数据，为人工智能技术提供了重要的数据源。
二、生物医学传感器的应用前景生物医学传感器有着广泛的应用前景。
它在疾病预防、疾病诊断、医疗治疗等方面，都有着重要的作用。
1. 疾病预防生物医学传感器可以实时监测人体的生理状态，对于疾病的早期预防具有重要意义。
例如，通过监测血糖浓度，可以预防糖尿病的发生；通过监测心电图，可以预防心脑血管疾病的发生；通过监测呼吸频率和血氧浓度，可以预防呼吸系统疾病的发生。
压电免疫传感器生物识别分子固定方法及其研究进展
载体 可 以反复 使 用 ； 点 是 对 ｐ 离 子强 度 、 缺 Ｈ、 温度 等 因素敏感 ， 因而 容 易 损 漏 ， 白 固定 量 一 般 较 小 。实 蛋 验证 实 ， 石英 晶 体金 、 电极 表 面直 接 吸 附蛋 白质 在 银
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国际检验 医学杂志 ２０ 年 ４月第 ２ ０８ ９卷第 ４ 期
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综 ｉ＿・ Ｓ
压 电免疫传感器生物识别分子 固定方法及其
研 究 进 展
压 电石 英 晶体谐 振 频 率 对 其 表 面 质 量 负 载 和 所 处体 系性状 （ 如密度 、 粘度 、 电导 率 、 电 常数 ） 介 的微 小
变化非 常敏 感 ， 具有 ｎ ｇ级 的质 量检 测 能 力 ， 因此 被 称
就 可得 到被测 物 的量 。
压 电石英 晶体 免疫传 感器 表面修 饰 的原理 １ 非 共价 固定方 法 ： １ 吸 附法 ： 附法 包 括 物理 ． （） 吸 吸 附法 和离 子交 换 吸 附法 两 种 。物 理 吸 附 法 是 通 过 氢键 、 疏水 作用 和 兀电用 的 交换 剂 有 Ｃ 纤 维 素 、 — Ｍ一 ＤＥ Ａ － Ｅ 纤维 素等 ， 子交 换 吸 附剂 的吸 附量 比物 理 吸 附 离
法 大 。吸附 法 的优 点 是 制 备条 件 温 和 、 简便 ， 成本 低 ，
向、 空间结 合位 阻 、 复使 用 性 等 是 评 价 传 感 器 的 重 重 要指标 。因此 ， 感器免 疫 识别 分 子 的 固定方 法 尤 其 传 重要 。现就 压 电免 疫 传 感 器 生 物 识别 分 子 的 固 定 原
生物传感器在医学诊断中的应用及展望
生物传感器在医学诊断中的应用及展望生物传感器是一种能够将生物信息转化为可量化信号的装置，其在医学诊断领域具有广阔的应用前景。
本文将就生物传感器在医学诊断中的应用进行探讨，并对未来的发展进行展望。
一、生物传感器在医学诊断中的应用1. 体内生物传感器体内生物传感器是指植入体内并能实时监测生物体内参数的传感器。
其应用于医学诊断中，能够提供连续、准确的生理数据。
例如，植入式血糖传感器可以实时监测糖尿病患者的血糖水平，为他们的治疗方案提供有力支持。
此外，体内生物传感器还可以监测血压、心电图等生理指标，为医生提供全面、及时的诊断信息。
2. 体外生物传感器体外生物传感器是指用于体外诊断的传感器装置。
它们广泛应用于临床诊断、药物筛选和疾病监测等领域。
例如，基于免疫感应的体外生物传感器可以检测血液中的病原体、肿瘤标记物和生物分子等，以实现早期疾病诊断和监测疾病进程的目的。
此外，体外生物传感器还可以用于药物筛选，提高药物研发的效率。
3. 糖尿病监测生物传感器在糖尿病监测中发挥着重要作用。
传统的血糖检测需要进行多次采血，而生物传感器可以通过皮肤组织采集到连续的血糖数据，从而方便了糖尿病患者的管理。
此外，一些最新的研究还展示了通过利用生物传感器实现胰岛素泵的自动化调节，提高糖尿病治疗的效果。
二、生物传感器在医学诊断中的展望1. 微纳传感技术的发展随着微纳技术的快速发展，生物传感器在医学诊断中的应用前景更广阔。
微型传感器可以更好地适应体内环境，提供更加准确的监测数据。
此外，微纳传感器可以实现多参数的监测，为医生提供更全面的诊断信息。
2. 多功能生物传感器的研发目前，生物传感器通常只能监测单一参数，如血糖、血压等。
未来，研究人员将致力于开发多功能生物传感器。
这种传感器能够同时监测多种生理指标，提供更加全面的诊断和监测服务。
3. 生物传感器与人工智能的结合生物传感器与人工智能的结合将进一步提高医学诊断的准确性和效率。
通过分析大量的生物传感器数据，人工智能可以辅助医生进行诊断，并提供更加个性化的治疗方案。
压电生物传感器的研究进展
电传 感 器 发 展迅 速 ， 已广泛 应 用 于 农 业 药 品 残 留检
淀， 从而引起液相黏度和密度 的变化。利用石英 晶体 对所处液体黏度和密度变化 的高度敏感性来检测体 系性 状 的改 变 ， 就是 非质 量效 应 型石英 晶体传 感 器 。 １２ 压 电 效 应 ．
研 究 与 综 述
压 电 生 物 传 感 器 的 研 究 进 展
于 灏 （国家农 业标 准化 监 测与研 究 中心 ＜黑龙 江 ＞ １ ０ ３ ５ ０ ６）
摘要 ： 近年 来 ， 电 生物传 感 器 以其 响应 灵敏 、 异性 高、 压 特 操作 简便 等 特 点广 泛的应 用于农 业 、 医学 、 环 保 、 品 等各 个领 域 ， 食 目前 有很 多对 其性 能优 化 的报 道 。本 文介 绍 了国 内外压 电生物 传感 器 的研 究现
称 为压 电效 应 。压 电效 应分 为 正压 电效 应 和 逆 压 电
效 应 。所 谓 正压 电效 应 是指 当晶体 受 到 某 固定 方 向
剪 切 模式 下 振荡 的 Ａ Ｔ石 英 晶体 ， 设 沉 淀 物质 的厚 假 度非 常 小 ， 且 没有 弹 性 ， 淀 的物 质 与 晶体 表 面 的 并 沉
状 及 其工作 原 理和 传 感 器发展 前 景 。 关 键词 ： 电生物 传感 器 ； 测 ； 用领 域 ； 压 检 应 发展 前 景
生 物 传 感 器 是 通 过 某 种 化 学 或 生 物 的 固 定 技 术 ， 生物识别元件 （ 、 体 、 原 、 酸、 胞 、 把 酶 抗 抗 核 细 动 植物 组 织 等 ） 固定在 换 能器 上 ， 当待 测 物 与生 物 识别 元件 发 生 特 异性 反 应后 ，通 过 换 能 器将 所 产 生 的反 应结 果 转 变 为可 以输 出 、 测 的 电信 号 和光 信 号 等 ， 检 以此 对 待 测 物 质 进 行 定 性 和定 量 分 析 ， 而 达 到 检 从
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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)02-0089-04The application of PQC sensor in biomedicineLI 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,constructionof 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。