無線磁彈性化學(xué)-生物傳感器的研制及應(yīng)用研究.pdf

1、本論文致力于無線磁彈性化學(xué)/生物傳感器的研制及其在生化分析中的應(yīng)用研究。在外加交變磁場中，磁性膜片受磁場激勵產(chǎn)生磁矩，將磁能轉(zhuǎn)換為機械能，并產(chǎn)生沿長度方向的伸縮振動，即磁致伸縮(magnetostrictive)。當外加交變磁場的頻率與磁性膜片的機械振動頻率相等時，磁片產(chǎn)生共振，此時振幅最大，對應(yīng)的振動頻率為磁性膜片的共振頻率。當磁性膜片傳感器的表面性質(zhì)(質(zhì)量負載、粘彈性等)發(fā)生變化時，其共振頻率隨之發(fā)生改變。由于傳感器材料本身是磁性的

2、，其伸縮振動產(chǎn)生磁通，產(chǎn)生的磁通可由檢測線圈探測到，信號經(jīng)放大后由外部儀器測定。磁彈性傳感器中信號的激發(fā)與傳送是通過磁場進行的，傳感器與檢測儀器之間不需任何的物理連接，屬于無線無源(wireless，passive)傳感器。磁彈性傳感器無線無源的特征使其在活體、在體及無損檢測等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。基于上述原理，本論文主要進行了以下幾方面的研究工作： (1)測定體液pH用無線磁彈性傳感器研制：基于pH敏感聚合物，制備了無線磁彈

3、性pH傳感器；研究了pH聚合物組成對傳感器穩(wěn)定性和響應(yīng)靈敏度的影響，考察了體液中干擾物對傳感器響應(yīng)的影響。隨溶液pH變化，pH敏感聚合物在堿性溶液中膨脹，酸性溶液中收縮，從而引起傳感器表面質(zhì)量負載和共振頻率發(fā)生變化。基于此構(gòu)建的磁彈性pH傳感器的共振頻率隨體液pH升高而下降，在pH5～8之間呈近似線性響應(yīng)，響應(yīng)靈敏度為200 Hz/pH，可準確測定0.1 pH的變化。對體液pH體外測試表明，制備的pH傳感器有望開發(fā)為可進行活體在體分析的

4、無線磁彈性傳感裝置。 (2)測定血糖用無線磁彈性傳感器研制：基于上一節(jié)磁彈性pH傳感器，進一步制備了無線磁彈性葡萄糖生物傳感器；研究了傳感器對體外血糖測定的穩(wěn)定性、生物相容性及響應(yīng)靈敏度。采用pH敏感聚合物膜對酶催化反應(yīng)進行放大以提高傳感器的靈敏度。在葡萄糖氧化酶(GOD)和過氧化氫酶(catalase)的共同存在下，催化氧化葡萄糖生成葡萄糖酸，引起pH聚合物收縮，導(dǎo)致傳感器表面質(zhì)量負載減小、傳感器共振頻率增加。制備的無線磁彈性

5、葡萄糖傳感器的共振頻移隨血糖濃度的升高而上升，在血糖濃度為2.5～20 mM之間，傳感器的響應(yīng)是線性、可逆的，對血糖的檢測限為1.2 mM。傳感器對血糖體外測定結(jié)果表明，制備的無線磁彈性葡萄糖生物傳感器有望應(yīng)用于活體在體分析，有潛力作為植入傳感器實現(xiàn)對血糖無線監(jiān)測。 (3)無線磁彈性雙酶葡萄糖傳感器研制：基于辣根過氧化物酶(HRP)和葡萄糖氧化酶(GOD)雙酶層，制備了無線磁彈性雙酶葡萄糖生物傳感器。利用酶的催化沉淀反應(yīng)對傳感器

6、的響應(yīng)進行質(zhì)量放大以提高其靈敏度。葡萄糖氧化酶催化氧化葡萄糖產(chǎn)生葡萄糖酸和過氧化氫(H2O2)，產(chǎn)生的過氧化氫在辣根過氧化物酶存在下，催化氧化3，3’，5，5’—四甲基聯(lián)苯氨(TMB)生成沉淀。產(chǎn)生的沉淀沉積在傳感器表面，導(dǎo)致傳感器表面質(zhì)量負載增加，傳感器共振頻率下降。基于此構(gòu)建的無線磁彈性雙酶葡萄糖傳感器的共振頻移隨葡萄糖濃度的升高而上升，在葡萄糖濃度為5～50 mM范圍內(nèi)呈線性響應(yīng)，對葡萄糖的檢測限為2 mM。 (4)無線磁

7、彈性微生物傳感器研制：以預(yù)聚合了聚氨酯膜的磁性膜片為敏感元件，制備了無線磁彈性微生物傳感器；研究了微生物生長導(dǎo)致培養(yǎng)基性質(zhì)(如黏度、密度等)改變對傳感器共振頻率的影響，考察了細菌在傳感器表面吸附對傳感器響應(yīng)的貢獻?；谒幬飳ξ⑸锷L的抑制，利用無線磁彈性微生物傳感器進行菌株藥敏試驗研究，依據(jù)抗菌藥物對細菌的抑制作用可進行抗生素的藥效評測。微生物生長時消耗培養(yǎng)基，將大分子的蛋白質(zhì)分解為小分子導(dǎo)致培養(yǎng)液粘彈性發(fā)生變化，同時微生物在傳感器表

8、面的吸附引起質(zhì)量變化。通過測定微生物培養(yǎng)時傳感器共振頻率和振幅的變化對微生物進行快速檢測，獲得了綠膿桿菌(P．a(chǎn)reuginosa)和結(jié)核桿菌(M． tuberculosis)的生長曲線，考察了不同細菌特征生長曲線的差異，據(jù)此可望對細菌進行初步的分型。利用石英晶體微天平(QCM)、顯微成像等手段研究了培養(yǎng)液性質(zhì)變化和細菌吸附對傳感器共振頻率的影響。傳感器對綠膿桿菌和結(jié)核桿菌檢測濃度范圍分別為103～108和104～109 cells/m

9、L，相應(yīng)檢測限分別為103和104 cells/mL?；诖耍芯苛丝捎糜诩毦缙谠\斷和快速分析的無線磁彈性傳感檢測新方法。 (5)無線磁彈性傳感器用于細菌生物被膜形成機制的研究?；诰G膿桿菌(P．a(chǎn)reuginosa)易于在固體界面粘附且形成細菌生物被膜(biofilms)的特性，利用無線磁彈性傳感器初步研究了細菌生物被膜的形成機制。預(yù)聚合了聚氨酯膜的磁性膜片作為敏感元件，同時測定了細菌生物被膜形成過程中傳感器共振頻率和振幅的