【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。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，多年來本實驗室主要以壓電傳感作為本實驗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)介紹了本實驗室的研究工作，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、仿真計算與優(yōu)化、加工與其電學(xué)參數(shù)的檢測與研究以及構(gòu)建傳感器檢測實驗研究。首先設(shè)計了幾種不同尺寸規(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際生物樣本進(jìn)行實驗研究，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。

實驗結(jié)果也表明在高選擇性高靈敏度的生物分子識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特的優(yōu)點與便利。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)模擬樣本實驗檢測，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)定性的實驗、Hela細(xì)胞生長監(jiān)測及外源藥物實驗，研究結(jié)果均表明，該傳感器具備高靈敏度地適時在線監(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：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際生物樣本分析要求。