摘 要：石英晶體生物傳感器近年來越來越多地應用于生物醫(yī)學領域中的精密測量，包括檢測多種微生物、檢測體液蛋白質、測定靶基因序列、檢測紅細胞凝集時間和沉降速度等，也用于和生物醫(yī)學密切相關的環(huán)境監(jiān)測和食品衛(wèi)生檢驗。 關鍵詞：石英晶體生物傳感器；生物醫(yī)學；精密測量 0 引 言 石英晶體生物傳感器是將微電子學、機械學、分子生物學等學科結合在一起的一種新型生物傳感器。它將壓電效應與生物技術相結合，兼有生物材料的高選擇性和壓電傳感器的高靈敏度、操作簡便、不需要任何標記，因此，在生物醫(yī)學精密測量中得到越來越多的應用。 石英晶體生物傳感器根據(jù)其生物敏感元件的不同，可分為石英晶體免疫傳感器、石英晶體DNA傳感器和石英晶體凝血傳感器等。 1 工作原理及其結構 生物傳感器的結構主要包括生物分子識別元件（感受器）和信號轉換器（換能器）。生物分子識別元件是具有分子識別能力的生物活性物質，如，酶、抗體、微生物、細胞和組織等，它們都對待測物質有專一的選擇性及很高的靈敏度，當待測物與分子識別元件特異性結合后，所產生的信號通過換能器轉換為電信號，從而達到分析檢測的目的。石英晶體生物傳感器的換能器為石英晶體，信號轉換是基于石英晶體的壓電效應，對石英晶體施加電場作用時會引起內部正、負電荷中心的相對位移而導致石英晶體變形，變形方向隨外電場的方向而改變。當外電場的振蕩頻率與石英晶體的固有振動頻率一致時，石英晶體處于諧振狀態(tài)。石英晶體生物傳感器的敏感元件為各種生物分子，傳感器將抗原與抗體、核酸（DNA）與DNA、受體與配體等相互作用的生物信號以及所處體系性狀的變化轉變成易于檢測的頻率信號。 根據(jù)檢測原理石英晶體生物傳感器可分為質量響應型和非質量響應型。 1．1 質量響應型石英晶體生物傳感器 Sauerbrey指出，若在石英晶體的電極表面加上一個小質量負載層，將導致石英晶體諧振頻率的顯著下降，Sauer-brey將質量負載層等效于石英晶體的厚度增加，從理論上導出了晶體表面負載的質量與諧振頻移的關系，即Sauer-bray方程。Sauerbrey方程是微質量檢測的定量基礎，也是石英晶體生物傳感器設計的理論基礎。 在氣相中，晶體表面負載質量與頻移的Sauerbrey方程 △f=－2.26×10-6f2△M／A, （1） 式中 △f為頻移（晶體吸附外來物質后振動頻率的改變），Hz；F為石英晶體基頻，MHz；A為石英晶體電極區(qū)的面積，cm2；AM為負載（被吸附物質）的質量，g。 負號表示質量的增加導致頻率的下降。 在液相中，晶體表面負載質量與頻移的Sauerbrey方程為 △f=－2.26×10-6aBf2△M／A, （2） 式中a為壓電晶體接觸液體的面數(shù)；B為晶體頻率的泛頻級次。 1．2 非質量響應型石英晶體生物傳感器 石英晶體浸入液體中受到液相參數(shù)（如，液體電導率等）的影響時會引起相應的變化。通過對非質量效應的傳感理論研究，姚守拙等用機電耦合模型導出公式 △f= Co+ + － － ， （3） 式中 △f為頻移，Ci（i=1，2，3，4）為與石英晶體、振蕩器、檢測池、溫度等條件有關的系數(shù)；ρl，η1，ξ1，K為液體的密度、粘度、介電常數(shù)和電導率。 目前，對于質量響應型石英晶體生物傳感器的研究應用較多。 1．3 石英晶體生物傳感器的結構 石英晶體生物傳感器主要由用生物識別物質包被的石英晶體、信號檢測電路和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等部分組成，基本結構如圖1所示。 圖1 石英晶體生物傳感器的基本結構 石英晶體具有一定的諧振頻率，通常為9MHz，按AT方式切割，直徑一般為10~16mm，厚度0.15mm左右，其兩側表面鍍有直徑為3~8mm的金膜（或銀膜）以形成金電極（或銀電極），利于修飾和固定識別元件。石英晶體生物傳感器通常是由上述規(guī)格的石英晶體層和金（或銀）電極組成，晶體片夾在兩片電極中。在晶體層表面涂有生物分子識別物質，石英晶體生物傳感器的選擇性取決于吸附劑的性能，靈敏度取決于晶體的性質。石英晶體質量的增加對振動頻率的改變約為50Hz／×10-9，對基頻為9MHz的石英晶體，如取電極直徑為5mm，質量變化為1ug，代入式（1），有 △f＝－2.26×10－6f2△M∕A ＝－2.26×10－6×（9×106）2×1×10-6 ＝－933Hz． 從上式可知，1ug的質量變化可引起933Ｈz的頻率降低，因此，頻率測定可以達到很高的準確度。石英晶體是非常靈敏的質量檢測器，被稱為石英晶體微天平（QCM）。石英晶體微天平通過測量頻率的改變來達到檢測石英晶體表面附著質量的微小變化，其靈敏度可達1ng／Hz，非線性度一般在1％~2％范圍內，從理論上講，檢測限可達到10-12g。如果從振蕩電路頻率測量信噪比方面考慮，容易達到10-9g，因而石英晶體生物傳感器也被稱為納克微天平。石英晶體生物傳感器的檢測系統(tǒng)一般設置2個振蕩電路：晶體檢測振蕩電路和晶體參比振蕩電路。設置參比電路是為了校正溫度、氣壓、粘度以及其他一些干擾的影響，消除誤差。頻率計數(shù)器測定石英晶體的諧振頻率及其頻率改變，然后，經計算機進行實時數(shù)據(jù)處理。