基于壓電效應(yīng)的分子鍵裂型微傳感器及控制系統(tǒng)研究.pdf

1、近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，在醫(yī)療診斷、環(huán)境衛(wèi)生、食品安全等領(lǐng)域，越來(lái)越多的安全問(wèn)題頻頻發(fā)生，而這些問(wèn)題，甚至是災(zāi)難，大部分是由諸如埃博拉病毒、SARS病毒、禽流感病毒、三聚氰胺、赤潮或滸苔等危險(xiǎn)性物質(zhì)或生物引起的，而這些災(zāi)難之所以破壞力巨大，其中一個(gè)最重要的原因就是缺乏一種有效的即時(shí)檢測(cè)手段。當(dāng)采用傳統(tǒng)的生物化學(xué)等檢測(cè)手段來(lái)測(cè)量這些病毒或細(xì)菌時(shí)，一般都需幾天、幾周，甚至幾個(gè)月才能獲得測(cè)量結(jié)果;并且，在針對(duì)這些病毒的疫苗研究中，仍需

2、大量的時(shí)間來(lái)完成，而這種災(zāi)害性病毒的傳染性是十分劇烈和致命的。因此，抗體、藥物的篩選也成為目前所面臨的另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。怎樣提供一個(gè)兼具即時(shí)檢測(cè)、高效、快速的藥物篩選平臺(tái)，已經(jīng)成為目前國(guó)內(nèi)外面臨的嚴(yán)峻問(wèn)題。近年來(lái)，生物傳感器、微電子技術(shù)、微機(jī)電一體化系統(tǒng)得到不斷的發(fā)展，生物傳感器進(jìn)入了自動(dòng)化、微型化、智能化的新時(shí)代。正是基于這些技術(shù)的進(jìn)步，為解決上述問(wèn)題奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。同時(shí)，壓電式生物傳感器，因其具有很高的靈敏度，如石英晶體微天平(Qua

3、rtz CrystalMicrobalance，QCM)可達(dá)ng級(jí)，聲表面波傳感器(Surface Acoustic Wave，SAW)可達(dá)pg級(jí)，已經(jīng)在生化檢測(cè)中得到了很廣的應(yīng)用，是目前傳感器發(fā)展的熱點(diǎn)。因此，開(kāi)展對(duì)壓電式生物傳感器在即時(shí)檢測(cè)(Point-of-Care Testing，POCT)領(lǐng)域的應(yīng)用，不僅可以解決人們?cè)谛l(wèi)生醫(yī)療保健、臨床醫(yī)學(xué)研究、制藥領(lǐng)域藥物篩選、食品檢疫、海洋環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域?qū)磿r(shí)檢測(cè)技術(shù)的要求;而且，隨著該技

4、術(shù)產(chǎn)業(yè)化的推進(jìn)，還將不斷地創(chuàng)造價(jià)值。
　　本文對(duì)兩種應(yīng)用廣泛的壓電式生物傳感器機(jī)理進(jìn)行了深入的研究，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合分子鍵裂技術(shù)、微電子技術(shù)，建立了快速、實(shí)時(shí)、原位和高精度的測(cè)量系統(tǒng)，為目前國(guó)內(nèi)外各個(gè)領(lǐng)域所面臨的即時(shí)檢測(cè)需求，提供了有效的檢測(cè)手段。本文的主要研究?jī)?nèi)容包括以下四個(gè)方面:
　　1.開(kāi)展了對(duì)兩種壓電式傳感器—QCM和Love波傳感器壓電晶體中機(jī)械波的傳播機(jī)理的研究。
　　壓電效應(yīng)揭示了壓電晶體中，存在著機(jī)械能

5、與電能之間的耦合效應(yīng)。通過(guò)描述這種耦合機(jī)理的壓電方程，在各項(xiàng)異性的壓電石英晶體中，研究由電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能后，機(jī)械能在壓電晶體中的傳播模式:在壓電石英晶體微天平中為體波的厚度剪切振蕩模式，推導(dǎo)出壓電石英晶體微天平的理論靈敏度;在Love波傳感器的石英晶體基底中，通過(guò)建立的“半空間Love波”模型，研究了Love波的波動(dòng)方程。在此基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出Love波器件的色散方程及理論靈敏度，為L(zhǎng)ove波傳感器的研制奠定了基礎(chǔ)。
　　2.研制出基

6、于壓電效應(yīng)的QCM鍵裂型生物傳感器測(cè)量系統(tǒng)。
　　首先進(jìn)行了分子鍵裂技術(shù)及其測(cè)量機(jī)理的研究。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)結(jié)合基于直接數(shù)字頻率合成技術(shù)的高精度信號(hào)源、可變?cè)鲆娣糯笃骷夹g(shù)以及高速信號(hào)采集系統(tǒng)，研制出基于分子鍵裂技術(shù)的QCM生物傳感器，其各方面設(shè)計(jì)指標(biāo)都達(dá)到了最佳;本文開(kāi)發(fā)出高效的QCM諧振頻率測(cè)量及分子鍵裂測(cè)量算法，程序運(yùn)行效率高，有效地提高了傳感器的測(cè)量精度。此外，本文還研制出一種低成本、一次性QCM傳感器測(cè)量池，為上文所述的病

7、毒、細(xì)菌等災(zāi)害性物質(zhì)的檢測(cè)提供保障。
　　3.進(jìn)行了Love波傳感器的模擬仿真研究。
　　隨著微機(jī)電一體化技術(shù)及生物傳感器微型化的發(fā)展，在壓電式生物傳感器的研制過(guò)程中，模擬仿真成為一種最有效的降低開(kāi)發(fā)成本，提高傳感器加工良品率的方法。本文討論了有限元分析方法，研究了不同壓電基底與波導(dǎo)層材料的特性。使用有限元仿真軟件進(jìn)行了Love波器件的仿真，研究了3D模型下Love波的產(chǎn)生與傳導(dǎo)過(guò)程。通過(guò)對(duì)2D模型的Love波傳感器的仿真，

8、計(jì)算出不同材料組合下Love波傳感器的靈敏度，確定出最優(yōu)的Love器件基底及波導(dǎo)層材料。
　　4.制備出Love波傳感器，并建立了基于網(wǎng)絡(luò)分析法的Love波傳感器測(cè)量平臺(tái)。
　　根據(jù)第三個(gè)研究?jī)?nèi)容確定出的最優(yōu)化Love波器件結(jié)構(gòu)，研究了Love波器件的微加工流程及光刻制作工藝，制備出實(shí)際的Love波傳感器，其特征頻率為124.59MHz，通過(guò)實(shí)際測(cè)試，其靈敏度約為49.518Hz/《ng· cm-2）;此外，還研制了Love

9、波器件測(cè)量平臺(tái)及測(cè)量池，以便進(jìn)行傳感器的實(shí)際測(cè)試。
　　綜上所述，本文通過(guò)對(duì)壓電機(jī)理及分子鍵裂技術(shù)的研究，建立了QCM鍵裂型生物傳感器測(cè)量系統(tǒng)，用于即時(shí)檢測(cè)領(lǐng)域。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研發(fā)了精度更高的Love波傳感器測(cè)量系統(tǒng)。這兩種傳感器及其測(cè)量系統(tǒng)，能夠有效地提高藥物及接種育苗篩選速度和縮短篩選周期，對(duì)快速檢測(cè)災(zāi)害性生物物質(zhì)，防止災(zāi)害性污染及疾病等具有重要意義，有望解決目前醫(yī)療診斷、環(huán)境衛(wèi)生、食品安全等領(lǐng)域所面臨的安全問(wèn)題，提供一種