【技术实现步骤摘要】
本专利技术是一种新型生物传感器，属于生物分析检测领域中的仪器检测，涉及生物传感器检测，尤其涉及质量负荷减量法石英晶体微天平生物传感方法。通过石英晶体横向激励弯曲振动调幅甩脱法进行生物监测，调节不同的激励电压使晶体振动幅度不同继而甩脱掉表面的检测目标，从而实现定量检测或者定性检测。该技术操作简单，具有生物样品无需任何标记、检测时间短、检测灵敏度高等优点，并且还能够实现在线、实时连续检测，可广泛地应用于生命科学研究、药物筛选、环境检测、食品检测等多个领域。
技术介绍
1、近年来，随着生物医学科技突飞猛进对现代生物检测技术的发展提出了更高的要求。在免疫反应，病毒检测，食品安全以及突发性生化恐怖事件等实时、快速检测领域，目前使用的生物化学检测手段，需要几小时到几天的检测周期，成本较高且操作复杂，可能会造成经济效益损失。基于厚度场激励模式的压电石英体声波器件除用作振荡器、滤波器外,还广泛应用到传感器中,如镀膜控制、气体传感器、生物化学液相传感器等。以at切型剪切振动石英晶振作为传感元件的石英晶体微天平技术（quartz crystal microbalance，qcm）是直接在纳克级精确测量物质质量的仪器。qcm仪器价格便宜，操作都很简单，具有生物样品无需任何标记、检测灵敏度高、检测时间短、可在线实时连续检测等优点。qcm传感技术被广泛地应用于疾病诊断、药物检测、环境检测、食品检测等多个领域。
2、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。石英晶体传感器是由一块石英晶体上沿着与石英晶体主光轴成35°15'切割即
3、目前驱动qcm振动并采集其输出信号的方法主要有两种: 振荡电路方法，频谱分析方法。振荡电路方法是将qcm接入自激振荡电路中，使其构成固频元件，电路的振荡频率等于qcm的谐振频率，通过测量电路振荡频率的变化，便可得到qcm谐振频率的变化。这种自激振荡电路方法只能测量唯一参数串联谐振频率，在大阻尼待测溶液中易于发生停振。国内外的很多学者做了大量研究，设计了多种适用于qcm在液态条件下工作的振荡电路，如：射极耦合振荡电路、杠杆振荡电路(lever oscillator)、标准桥式振荡电路、主动桥式振荡电路(active bridge oscillator)以及平衡桥式电路为代表，这些电路都是基于自激振荡的原理,满足相位平衡条件和幅度平衡条件。频谱分析方法是扫描qcm在其谐振频率附近一段频率范围内的频谱(qcm等效阻抗的幅频和相频特性)，通过该频谱可得到qcm的谐振频率、品质因子等参数。
4、生物传感器的基本原理主要是利用特异性识别，特异性识别也是酶-配体和抗体-抗原相互作用的基础。多为非共价相互作用（例如氢键和疏水相互作用）产生分子识别，即多弱相互作用结合在一起形成强的特异性键。当两个分子各自具有拓扑和化学互补的表面时，弱的和局部的相互作用才会形成总的强键。在适宜条件下抗体和目标抗原之间就会形成强键。此外，抗体和非特异性抗原或蛋白质也可能形成较弱的键。这些较弱的非特异性键合会影响qcm的常规检测精度。一方面，传感器上额外增加的质量会导致频率偏移，这就无法通过目标抗原的响应来区分；另一方面，非特异性结合占据了结合位点，减少了目标抗原与抗体的结合。通过采用厚度方向（纵向）激励压电石英晶体产生剪切振动表面惯性质量的变化来测量键断裂，基于以增加的幅度振动表面（带有非共价键结合生物大分子或病毒微粒的表面），从而产生加速度。当加速度的变化产生的离心力大于剪切振动石英体表面生物物质间非共价键结合力，键断裂产生的频率变化和电噪声。生物分子键断裂传感技术可以快速测定生物分子间亲和力和特异性。诊断学中最具挑战性的问题之一是区分特异性结合与非特异性结合，在检测过程中非特异性结合会产生较大的误差，分子键裂传感方法可以区分特异性结合和非特异性结合可以解决误差问题，而且键断裂方法不需要再生程序，操作更加简便，检测时间也大大缩短提高了效率。
5、这种传感测量过程，剪切振动产生的位移小，需要很高的激励电压例如10mhz下20v的激励电压，才能测量出分子键断裂现象。（yong j. yuan, ting liang, and kuihan,development of a real-time qcm bond-rupture system for poct applications。ieee sensors journal, 2016， vol. 16, no. 24, 8731。高的激励电压可能影响生物分子之间的相互作用，例如抗体及其抗原。迄今为止，还没有任何关于低电压横向场激励压电石英晶体键断裂方法定量检测的研究。在本项专利技术中，提出了通过横向激励石英晶体产生面弯曲共振产生机械位移引入能量导致键断裂，通过常规厚度场激励剪切振动测定压电石英表面分子断键过程的质量负荷变化。可使结合的颗粒从表面上摇晃掉，将键的断裂信号检测为频率信号。键断裂扫描的方法可以作为一种有前景的诊断工具，通过测量破坏所需键能的特征水平来研究固定化生物分子表面上细菌或病毒的各种相互作用。石英晶体传感进行生物检测时，将生物分子探针（例如抗体，单链dna）修饰到石英晶体上，将检测溶液（例如致病细菌、待检测的dna分子等）加到传感器表面，修饰的分子探针与靶向待测物发生结合，生物分子间亲和作用过程完成后，采用直接数字频率合成（dds）技术研制一种频谱扫描系统，按照预定频率和正弦波振幅对石英晶体振子进行扫描激励；为了提高接收线圈中石英晶体产生的电磁信号信噪比，基于超外差接收正交相敏检波技术构建一种石英晶体频率信号采集分析系统，pc机将接收到的所有频率点上的信号值，绘制出qcm响应信号幅频及相频特本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.本专利技术建立了一种双向场激励的压电石英晶体分子键裂生物传感检测方法，其技术特征：通过横向激励石英晶体产生面弯曲共振产生机械位移引入能量导致压电石英表面生物分子键发生断裂，通过厚度方向激励剪切振动谐振频率测定来检测生物分子从传感器表面断键脱落过程的质量变化。为了提高接收线圈中石英晶体产生的电磁信号信噪比，基于超外差接收正交相敏检波技术构建一种石英晶体频率信号采集分析系统，计算机将接收到的所有频率点上的信号值，绘制出压电石英晶体响应信号幅频及相频特性曲线。石英晶体传感器进行生物检测时，将生物分子探针（例如抗体）修饰到石英晶体上，含有待检测物的溶液（例如致病细菌、待检测的抗原蛋白分子等）加到传感器表面，修饰的分子探针与靶向待测物发生结合。当压电石英晶体弯曲共振时，附着的抗原-抗体结合物的往返运动产生了反作用力，该力施加在了抗原-抗体形成的分子键上。当这个力超过键强度时，就会使键断裂。与常规石英晶体免疫传感器不同，不是通过传感器表面生物分子键合过程质量增加检测而是分子键裂过程质量负荷减小来检测，通过甩脱附着物导致频率发生变化，从而实现定量分析和定性分析。。
2.根据权利
3. 根据权利要求1所述双模式激励压电石英晶体传感器，其结构特征：基频10MHz直径14mm AT切石英晶体，两面真空镀金层厚度100nm,其中一面分割成两个半圆电极电极1和电极2，两个半圆电极中间相距1mm，电极1，电极2用于横向场激励石英晶体，在中间线缝区将发生面弯曲振动；石英晶体另一面中心镀上圆形传感电极直径3mm，用于生物识别分子的固定和生物目标物的检测；距离传感面1mm的对面放置一个纵向场激励圆形铂片电极3(直径5mm)，当检测溶液填充在石英晶体传感面和铂片电极之间时，扫频正弦波扫频信号通过石英晶体底部电极1+电极2（纵向场激励时两个电极连在一起）和铂片电极施加到压电石英晶体上，实现厚度场方向激励石英晶体，测定分子键裂发生前后压电石英晶体谐振频率变化，从而计算出物质的含量。
4. 通过调节横向场激励电压的大小而实现石英晶体表面中心区域调幅弯曲振动，当石英晶体振荡时，附着的抗原、抗体的往返运动产生了方向相反的力，该力施加在了抗原一抗体形成的强键上。当这个力超过键强度时，就会使键断裂。10MHz正弦波横向场激励电压在8V左右可完全实现抗原-抗体分子间键裂，14MHz正弦波横向场激励电压在5V左右可实现适配体和靶向分子的键断裂，低于厚度剪切振动所需的20V 以上的电压。
5.根据权利要求1所述压电石英晶体生物键裂传感器，采用动态检测，将检测池与流动注射系统连用，通过调节电压使键断裂，控制免疫反应时间15分钟，完成检测反应过程后，关闭液体流出阀，测定反应后谐振频率。采用静态检测，采用滴加方式进样，设置激励电压为8V，利用程序设置激励时间为60s，然后停止激励180s，先测定未激励时的谐振频率，一般为稍向下倾斜的近似直线，当激励时不记录频率，停止激励后记录频率，得到时间频率图谱，检测不同的蛋白时其到达平衡的时间不同，频率也不相同由此可以利用不同的元素用主成分分析法构建图谱以实现定性检测。不需要再生程序，操作更加简便，检测时间也大大缩短提高了效率。静态检测溶液体积可低至10微升，可以实现单滴检测。。
...【技术特征摘要】
1.本发明建立了一种双向场激励的压电石英晶体分子键裂生物传感检测方法，其技术特征：通过横向激励石英晶体产生面弯曲共振产生机械位移引入能量导致压电石英表面生物分子键发生断裂，通过厚度方向激励剪切振动谐振频率测定来检测生物分子从传感器表面断键脱落过程的质量变化。为了提高接收线圈中石英晶体产生的电磁信号信噪比，基于超外差接收正交相敏检波技术构建一种石英晶体频率信号采集分析系统，计算机将接收到的所有频率点上的信号值，绘制出压电石英晶体响应信号幅频及相频特性曲线。石英晶体传感器进行生物检测时，将生物分子探针（例如抗体）修饰到石英晶体上，含有待检测物的溶液（例如致病细菌、待检测的抗原蛋白分子等）加到传感器表面，修饰的分子探针与靶向待测物发生结合。当压电石英晶体弯曲共振时，附着的抗原-抗体结合物的往返运动产生了反作用力，该力施加在了抗原-抗体形成的分子键上。当这个力超过键强度时，就会使键断裂。与常规石英晶体免疫传感器不同，不是通过传感器表面生物分子键合过程质量增加检测而是分子键裂过程质量负荷减小来检测，通过甩脱附着物导致频率发生变化，从而实现定量分析和定性分析。。
2.根据权利要求1所述构建了双向场激励的压电石英晶体分子键裂生物传感检测系统，采用直接数字频率合成（dds）技术研制一种频谱扫描系统，采用纵向（厚度方向）激励at切型石英晶体产生谐振、通过扫频分析测定出其谐振频率（f1）。分子键裂过程完成后，再次厚度方向激励at切型石英晶体产生谐振、通过扫频分析测定出其谐振频率（f2）。石英晶体表面分子减少的量可有f1-f2差值依据sauebrey方程近似计算，因而可实现检测物的定量分析。厚度剪切波模式下测定压电石英晶体表面质量变化、横向激励压电石英晶体表面发生分子键裂，该传感技术可应用于包括病毒、细菌等生物物质的实时检测、痕量分析，免疫反应中抗原或抗体的鉴别，以及生物分子间相互作用研究等。
3. 根据权利要求1所述双模式激励压电石英晶体传感器，其结构特征...
【专利技术属性】
技术研发人员：司士辉，贺哲龙，
申请(专利权)人：苏州嘉斯康生物科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：
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