压电生物传感器要点解析

前言

压电生物传感器是一种将高灵敏的压电传感器与特异的生物反应结合在一起的新型生物分析方法，这一方法不需要任何标记，且仪器构造简单、操作方便，引起人们的浓厚兴趣，逐渐成为生物传感器领域中的一项研究热点。本文就压电免疫传感器及压电基因传感器在微生物、蛋白质及基因检测等方面的研究应用作一综述。压电生物传感器将在分子生物学、疾病诊断和治疗、新药开发、司法鉴定等领域具有很大开发潜力。

1 压电生物传感器的基本原理

1880年雅克•居里和皮埃尔•居里兄弟首先发现了石英等一些晶体的压电现象，后来1959年Sauerbrey 推导出气相中有关晶体表面所载质量与谐振频移的Sauerbrey方程：

v F = KF²v M PA

v F：晶体吸附外来物质后振动频率的变化(Hz)

K：常数

A：被吸附物所覆盖的面积

F：压电晶体的基本频率(MHz)

v M：被吸附物质的质量

从方程可知，石英晶片在气相中振荡时，v F与v M 呈简单的线性关系。如果设法让晶体选择性地吸附外源性生物活性物质，便能制成压电生物传感器。后经研究发现：在液相中，石英晶体不仅对质量敏感，而且会受到温度、气压、液体密度、粘度、介电常数等多因素影响，但其中质量负载和粘性耦合是导致压电石英晶体频率变化的两个主要作用机理。因此根据检测原理的不同，压电生物传感器分为质量响应型和非质量响应型，它们在免疫学、微生物学、基因检测、血液流变、药理研究以及环境等科学领域具有重要运用价值和开发前景。

2 压电生物传感器的基本构成

压电晶体具有一定的谐振频率，如9MHz、27MHz等。最常用的为石英晶体，按AT方式切割。石英晶体片夹在两片金或银电极之间，成为夹心形。质量响应型压电传感器则在石英晶体层表面固定有某种生物分子识别物质。一般来说理论上可允许检测10-12g级的痕量物质。

压电检测系统一般设置两个振荡电路，一个是晶体检测振荡电路，一个是晶体的参比振荡电路。参比电路是为另外校正温度、气压、粘度、缓冲体系以及其它一些干扰的影响,消除误差。

压电晶体的谐振频率以及频率的改变由频率计数器完成，再由经电脑进行数据分析和结果报告。

3 压电生物传感器的应用

如前所述，根据检测原理的不同，压电生物传感器一类为质量响应型，即晶体表面质量在一定范围内的微小改变将引起频率的改变，通过测定vF 可知vM。由于此类传感器对质量改变非常敏感，因此有人亦将之称为石英晶体微天平QCM( Quarts Crystal Microbalance)。另一类为非质量响应型，利用电导率或粘度等变化引起的频率改变来进行检测，有人曾报道用此类压电传感器检测凝血酶原时间和血沉。由于目前关于质量响应型的压电传感器研究较多，以下主要介绍此型的应用。

用于微生物的检测：

白色念珠菌的检测

第一个报道用压电微质量法检测微生物的是Muramatsu 等人。他们用C氨基丙基三乙氧基硅烷处理石英晶体,然后用特异性抗体包被。检测时，将压电芯片浸入可疑样品液中,由于免疫吸附念珠菌，晶体表面的质量增加，测得谐振频率减少，并获得了线性范围。而且在相同的混合液中对酵母菌无响应，因而具有一定的特异性。

肠道菌的检测

Plomer在1992年介绍了一种可以检测食物以及饮用水中的所有肠道细菌压电免疫传感器。他们通过蛋白A将抗肠道细菌共同抗原的单克隆抗体包被在10MHz的石英晶体表面。实验中以大肠杆菌为例，菌液浓度在10⁶~ 10⁹个Pml范围内可引起晶体频率有意义改变。这样通过频率的变化可以测出肠道细菌的数量。

此外还可用于爱滋病病毒、胰岛素、免疫球蛋白检测等。

压电基因传感器：

压电基因传感器属于质量响应型传感器，是基于压电石英谐振对其表面质量变化敏感的原理，在晶体表面固定大量特异的寡核苷酸序列，利用其与溶液中互补的核酸序列发生杂交反应，导致晶体表面微质量改变来检测特定的靶基因序列。

迄今为止压电基因传感器的研究尚处于起步阶段。1988年Fawcett等首先利用压电谐振器检测晶体电极表面固定的聚尿苷酸与溶液中的聚腺苷酸的互补杂交。1993年Naomi等人详细报道了其研制的压电基因传感器。

后来随着液相压电传感器技术的成熟，通过现场监测杂交过程,使压电基因传感器更为简便和快捷；同时也可进行表面杂交过程动力学的研究，并为基因传感器的优化提供依据。这方面率先开展研究的是Okahato实验室，他们测定了10~30个碱基的寡核苷酸双链互补结合的平衡常数，结合及解离的速度常数等动力学参数以及表面的杂交结合量；通过改变探针的固定方法，探针和靶基因的长度、错配的碱基数、杂交温度、杂交液离子强度等因素，详细研究了传感器表面杂交过程的动力学特性。

小结

压电生物传感器以它操作简便快速、成本低、体积小、易于携带等特点，在分子生物学、疾病诊断和治疗、新药开发、司法鉴定等领域具有很大潜力，尤其对于医院检验工作，将取代繁琐的操作，庞大的仪器和众多的实验室。基于生物传感器与生物芯片技术而建立的微缩实验室( Integrated Laboratory on Chip, ILC)将会使一滴血就能在病人床旁检测出大量疾病信息的愿望成为现实，因而具有可观的开发前景。但作为一个新技术新方法，要使其真正成为常规分析仪器，还要经历一个发展的过程。

本文转自中国知网，作者：汪江华，府伟灵。原文链接：压电生物传感器

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