新型微电极串联压电传感器在生物分析中的应用研究

摘要

生物传感器应用生物体、微生物、细胞或生物物质作为敏感元件，感知外界的物理或化学的刺激，从而产生各类生理参数的响应或物理与化学参数的响应，传感器接收并感受这些响应并作出评价。生物传感器及其检测技术，不仅可以应用于微生物学研究，还可以应用于生物代谢研究，也可以应用于细胞生物学研究以及为药理学与毒理学研究提供科学有效的方法，因此生物传感被广泛地应用于临床诊断、药物功能与毒性分析、环境毒物监测、食品安全分析与生物产品质量控制相关领域。
　　在生物传感研究上，多年来本实验室主要以压电传感作为本实验组的研究方向并取得了一定的工作进展也得到了相当的积累。因此在本文中，首先介绍了压电传感器的发展现状及发展方向：质量敏感型方向和非常量的串联压电电化学型方向。接着详细介绍了本实验室的研究工作，即串联压电生物传感器的相关工作与成果。之后，在对电极串联压电传感的研究基础之上，提出了由微型电极与压电晶体串联构建灵敏的压电生物传感器。
　　本论文主要开展了几种微型电极的设计、仿真计算与优化、加工与其电学参数的检测与研究以及构建传感器检测实验研究。首先设计了几种不同尺寸规格的平行叉指电极，进行多物理场仿真计算，并对叉指电极与对电极的电场分布进行对比较，仿真结果表明叉指电极这种交替嵌入结构的电场分布比传统平行板对电极具有更强的电场强度与更集中的电场分布，因此叉指电极对其检测对象有更高的传质效率。然后，以叉指电极构建叉指电极串联压电生物传感器对实际生物样本进行实验研究，结果表明，叉指电极构建的压电生物传感器比对电极构建的压电生物传感器具有更高的灵敏度。此外通过对叉指电极进行修饰操作构建了溶菌酶为分析目标的生物蛋白的分析。实验结果也表明在高选择性高灵敏度的生物分子识别与分析上也取得了成功。由于叉指电极为平面分布的对称电极，能更好的进行表面修饰处理，从而使得其在特殊功能改造上更具有独特的优点与便利。
　　最后，基于对叉指电极仿真研究的结果分析，本文提出了环状电极的设想，设计加工了多种不同尺寸的环状电极，并对其电极面上方空间电场进行仿真计算，结果表明环状电极的电场分布比平行的叉指电极更加合理，根据模拟样本实验检测，结果表明，增加环数能显著提高传感器的灵敏度。在得到仿真结论绵基础上，利用优化的电极与压电晶体串联构建了串联压电细胞传感器，测试了传感器的等效电路及压电理论模型及参数。应用该细胞传感器对宫颈癌 Hela细胞进行了在线培养监测。通过对传感器稳定性的实验、Hela细胞生长监测及外源药物实验，研究结果均表明，该传感器具备高灵敏度地适时在线监测细胞生长监测与药物分析功能。
　　本论文的创新点：通过多物理场软件仿真串联电极电场分布，探科学合理的电极几何尺寸。根据仿真结果设计加工了多种不同形状的串联电极，并结合压电传感理论构建了不同的串联压电传感器，进行了压电传感器等效电路的分析与检测，提出了不同压电传感器的压电频移关系式。此外还进行了实际生物样本的在线监测，结果表明根据仿真结果设计的串联电极并以此构建的压电传感器能很好地满足实际生物样本分析要求。

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第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 传感器的分类

1.3 压电传感器

1.4 构建的串联压电传感器的探测电极

1.5 压电传感器联用技术

1.6 本论文研究的立题背景和主要内容

第2章 平行叉指电极的设计、加工与物理仿真研究

2.1 前言

2.2 设计、建模与仿真计算软件

2.3 实验部分

2.4 仿真计算结果与讨论

2.5 电场仿真结论

2.6 本章小结

第3章 叉指电极串联压电传感器与对电极串联压电传感器的电化学特性比较研究

3.1 前言

3.2 实验部分

3.3 实验结果与讨论

3.4 结论

3.5 本章小结

第4章 修饰叉指电极压电传感在蛋白质检测方面的应用

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果分析与讨论

4.4 结论

第5章 新型环状叉指电极串联压电细胞传感器的设计与电化学特性研究

5.1 前言

5.2 实验部分

5.3 实验结果与讨论

5.4 结论

5.5 本章小结

第6章 新型环状压电细胞传感器的构建与应用研究

6.1 前言

6.2 实验部分

6.3 结果分析与讨论

6.4 结论

总结与展望

研究总结

工作展望

参考文献

附录 攻读博士学位期间所发表的学术论文

致谢