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压电生物能耗传感技术是结合了能耗检测技术的一种新型生物传感技术,可响应晶体表面负载以及体系(溶液)的密度、粘度、电导率、介电常数等多种信号变化。以简便、快速、灵敏、成本低、无需示踪物标记、可进行自动化实时数据输出等优点,在生化检测方面显示出诱人的应用前景。本文研究了压电传感器能耗检测理论;构建出压电生物传感能耗分析仪;并以基本液相系统为模型反映液相压电能耗响应特性;利用免疫纳米探针凝聚反应和能耗响应原理,实现对蛋白质的检测;通过检测生活细胞的基本功能信息,细胞对化合物的响应等,探索此仪器在细胞检测中的初步应用。具体的研究工作分为以下几个部分:①阐述了压电石英传感器能耗响应机理,摩擦效应是能量损耗的主要来源,它包括内摩擦和界面摩擦两种,结合压电声阻抗响应机理推导出摩擦声阻抗方程,此方程揭示了耗散因子与石英表面负载的关系,当负载为非粘性膜时,负载滑动摩擦造成的能耗(耗散因子)有最大值且与频率无关。基于液相分层模型模及Maxwell、Voight/Kelvin线性黏弹体模型得到能耗响应方程。②本文基于瞬时损耗检测技术,设计了压电生物传感能耗分析仪(PBSD),可同时检测频移和耗散因子。利用常用的控制器件PLC及数字示波器实现瞬时衰减波形的采集,通过MATLAB软件对波形处理提取信息获得耗散因子,稳定性测试结果显示仪器稳定性良好,获得气相介质中频率和耗散因子的稳定性为≤0.32±0.13 Hz·min-1、≤0.13±0.02×10-7和液相介质中频率和耗散因子的稳定性为≤0.26±0.04Hz·min-1,≤1.59±0.11×10-7 (蒸馏水);≤0.29±0.09 Hz·min-1、≤5.21±0.14×10-7(DMEM)。③用PBSD检测不同液相介质,研究其液相响应特性,结果表明:PBSD响应与溶液密度、粘度有关,在较低浓度范围,PBSD频移和耗散因子响应与溶液( )ρη1/2变化成良好线性关系,而在高浓度范围中,PBSD频移和耗散因子响应发生线性偏移,随着溶液浓度增加,响应缓慢变化;溶液介电常数对PBSD频移响应几乎没有影响,但耗散因子响应值随介电常数增大缓慢增加;溶液电导率与频移响应成良好线性,与耗散因子变化成正比。④本文发展了一种用于人IgG的快速检测的免疫纳米探针凝聚压电传感技术。当免疫纳米探针(anti-IgG包被的纳米金)遇到IgG时就会发生特异性凝聚。压电传感器可以监测到发生凝聚时所引起的溶液的黏度和密度的变化,从而达到检测的目的。文中分别讨论了体系pH、离子强度对免疫纳米探针凝聚反应的影响;检测时间的确定;芯片的再生问题等。实验证明,该传感技术毋需固定活性组分和纯化样品,可快速检测浓度稀释比下限为0.19nmol/L的人IgG样品。⑤用PBSD实时监测肝癌细胞与基底,以及药物对肝癌细胞的影响。进行肝癌细胞黏弹性研究,结果表明PBSD能对肝癌细胞的黏弹性进行实时、无损、动态和持续的监测。可以预见在不久的将来PBSD将会在医疗卫生、环境监测、食品安全和其他领域得到更加普遍和频繁的应用。