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适配子乐甫(Love)波生物传感器是将Love波生物传感器与适配子技术相结合,通过适配子作为识别元件实现定性,再通过Love波传感器实现定量。适配子具有亲和力高、特异性强、靶分子范围广、制备及修饰容易、稳定性强、应用灵活等特点。基于压电原理的Love波传感器,具有高灵敏(mg-pg级)、快速、低噪声和适于液相检测的优点,并且输出信号为振荡器的频率,易于与计算机接口组成自适应实时处理系统。适配子Love波生物传感器因其结合了上述两方面的优势,而迅速成为当前世界各国的研究热点。该技术有望发展为现场快速生物检测技术,在未来的国家安全、生物制药、环境监测和食品卫生等领域都有着重大的应用价值。
本文针对适配子Love波生物传感器的关键性能指标灵敏度、特异性和稳定性进行研究。这些指标取决于以下两个部分:1)选择性生物敏感膜,是传感器的生物方面。生物敏感膜的研制主要在于获得高亲和力与特异的分子识别物质,直接影响传感器的灵敏度和特异性;2)Love波检测器(延迟线及振荡器),是传感器的物理方面。延迟线质量敏感度直接影响传感器的灵敏度;延迟线的温度稳定性和插入损耗则影响振荡器的频率稳定度,进而影响传感器的检测下限。
首先,本文采用了传输线模型对Love波生物传感器进行模拟,计算了基片材料表面只覆盖声波导层、同时覆盖波导层和纳米金膜、在纳米金膜上面覆盖液体层三种情况下,Love波的分布情况。通过模拟结果可以发现,随着传感器结构的增多,声波模式更加复杂。表面附着粘滞性液体之后,随着粘滞系数的增大,声波衰减也变大。确定多层结构下只存在0阶声波模式的材料厚度范围。计算了SiO2/ST-90°X结构Love波生物传感器在二氧化硅的相对厚度为≈0.167λ时,传感器存在最大的质量灵敏度≈360cm2/g,推算出检测下限是1ng/cm2。V其次,Love波检测器的性能于振荡器的频率稳定度有着重要的影响。利用COM模型模拟以ST-90°X石英为基片材料,采用EWC/SPUDT结构的SSBW波器件的频率响应。然后从实用角度出发,从基片材料选取、换能器结构设计、波导层厚度选择等角度,设计本文实验所需要的Love波检测器。实验测试证明,SiO2/ST-90°X石英结构的Love波器件,声波传播路径中设置纳米金膜,插入损耗为11.7dB。在Love波器件表面键合PDMS微流控芯片之后,可以为后续液体检测提供反应空间,并且键合的方式对器件的损耗影响不大,此时的损耗为13.7dB。在微流控芯片中注入酒精之后,会引起一定的损耗增大,整个器件损耗为14.3dB,因而整个振荡器电路中采用一级放大即可实现稳定工作,简化了电路设计,有利于频率稳定。
再次,对适配子Lore波振荡器的频率稳定度进行详细分析;讨论了振荡电路中分立元件、环境温度、进样操作等因素对于振荡器频率稳定度的影响。经过实验测试、分析,系统的频率稳定度可以达到27Hz/小时。另外,利用实验平台对牛血清白蛋白(BSA)进行检测实验,实验结果具有很好的重复性,实际的检测下限为20ng/cm2。与第三章3.2.3中估算的系统检测下限为18.5ng/cm2吻合很好。
最后进行适配子Love波生物传感器响应机理的定性实验,针对相思子毒素进行的实验研究,包括采用生物素—亲和素(BAS)方法、巯基分子自组装(SAM)两种适配子探针固定的方法,分别对一系列浓度的相思子毒素溶液进行检测。从实验结果可以发现,适配子Love波生物传感器对相思子毒素的检测能力可以达到10ng/mL以下,具有很高的检测灵敏度,并且具有很好的实验重复性。