【摘要】：生物傳感器應(yīng)用生物體、微生物、細(xì)胞或生物物質(zhì)作為敏感元件，感知外界的物理或化學(xué)的刺激，從而產(chǎn)生各類生理參數(shù)的響應(yīng)或物理與化學(xué)參數(shù)的響應(yīng)，傳感器接收并感受這些響應(yīng)并作出評價(jià)。生物傳感器及其檢測技術(shù)，不僅可以應(yīng)用于微生物學(xué)研究，還可以應(yīng)用于生物代謝研究，也可以應(yīng)用于細(xì)胞生物學(xué)研究以及為藥理學(xué)與毒理學(xué)研究提供科學(xué)有效的方法，因此生物傳感被廣泛地應(yīng)用于臨床診斷、藥物功能與毒性分析、環(huán)境毒物監(jiān)測、食品安全分析與生物產(chǎn)品質(zhì)量控制相關(guān)領(lǐng)域。在生物傳感研究上，多年來本實(shí)驗(yàn)室主要以壓電傳感作為本實(shí)驗(yàn)組的研究方向并取得了一定的工作進(jìn)展也得到了相當(dāng)?shù)姆e累。

因此在本文中，首先介紹了壓電傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展方向：質(zhì)量敏感型方向和非常量的串聯(lián)壓電電化學(xué)型方向。接著詳細(xì)介紹了本實(shí)驗(yàn)室的研究工作，即串聯(lián)壓電生物傳感器的相關(guān)工作與成果。之后，在對電極串聯(lián)壓電傳感的研究基礎(chǔ)之上，提出了由微型電極與壓電晶體串聯(lián)構(gòu)建靈敏的壓電生物傳感器。本論文主要開展了幾種微型電極的設(shè)計(jì)、仿真計(jì)算與優(yōu)化、加工與其電學(xué)參數(shù)的檢測與研究以及構(gòu)建傳感器檢測實(shí)驗(yàn)研究。首先設(shè)計(jì)了幾種不同尺寸規(guī)格的平行叉指電極，進(jìn)行多物理場仿真計(jì)算，并對叉指電極與對電極的電場分布進(jìn)行對比較，仿真結(jié)果表明叉指電極這種交替嵌入結(jié)構(gòu)的電場分布比傳統(tǒng)平行板對電極具有更強(qiáng)的電場強(qiáng)度與更集中的電場分布，因此叉指電極對其檢測對象有更高的傳質(zhì)效率。然后，以叉指電極構(gòu)建叉指電極串聯(lián)壓電生物傳感器對實(shí)際生物樣本進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，叉指電極構(gòu)建的壓電生物傳感器比對電極構(gòu)建的壓電生物傳感器具有更高的靈敏度。此外通過對叉指電極進(jìn)行修飾操作構(gòu)建了溶菌酶為分析目標(biāo)的生物蛋白的分析。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明在高選擇性高靈敏度的生物分子識(shí)別與分析上也取得了成功。由于叉指電極為平面分布的對稱電極，能更好的進(jìn)行表面修飾處理，從而使得其在特殊功能改造上更具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)與便利。最后，基于對叉指電極仿真研究的結(jié)果分析，本文提出了環(huán)狀電極的設(shè)想，設(shè)計(jì)加工了多種不同尺寸的環(huán)狀電極，并對其電極面上方空間電場進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果表明環(huán)狀電極的電場分布比平行的叉指電極更加合理，根據(jù)模擬樣本實(shí)驗(yàn)檢測，結(jié)果表明，增加環(huán)數(shù)能顯著提高傳感器的靈敏度。在得到仿真結(jié)論綿基礎(chǔ)上，利用優(yōu)化的電極與壓電晶體串聯(lián)構(gòu)建了串聯(lián)壓電細(xì)胞傳感器，測試了傳感器的等效電路及壓電理論模型及參數(shù)。應(yīng)用該細(xì)胞傳感器對宮頸癌Hela細(xì)胞進(jìn)行了在線培養(yǎng)監(jiān)測。通過對傳感器穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)、Hela細(xì)胞生長監(jiān)測及外源藥物實(shí)驗(yàn)，研究結(jié)果均表明，該傳感器具備高靈敏度地適時(shí)在線監(jiān)測細(xì)胞生長監(jiān)測與藥物分析功能。

本論文的創(chuàng)新點(diǎn)：通過多物理場軟件仿真串聯(lián)電極電場分布，探科學(xué)合理的電極幾何尺寸。根據(jù)仿真結(jié)果設(shè)計(jì)加工了多種不同形狀的串聯(lián)電極，并結(jié)合壓電傳感理論構(gòu)建了不同的串聯(lián)壓電傳感器，進(jìn)行了壓電傳感器等效電路的分析與檢測，提出了不同壓電傳感器的壓電頻移關(guān)系式。此外還進(jìn)行了實(shí)際生物樣本的在線監(jiān)測，結(jié)果表明根據(jù)仿真結(jié)果設(shè)計(jì)的串聯(lián)電極并以此構(gòu)建的壓電傳感器能很好地滿足實(shí)際生物樣本分析要求。