前言

壓電生物傳感器是一種將高靈敏的壓電傳感器與特異的生物反應結合在一起的新型生物分析方法，這一方法不需要任何標記，且儀器構造簡單、操作方便，引起人們的濃厚興趣，逐漸成為生物傳感器領域中的一項研究熱點。本文就壓電免疫傳感器及壓電基因傳感器在微生物、蛋白質及基因檢測等方面的研究應用作一綜述。壓電生物傳感器將在分子生物學、疾病診斷和治療、新藥開發(fā)、司法鑒定等領域具有很大開發(fā)潛力。

1 壓電生物傳感器的基本原理

1880年雅克•居里和皮埃爾•居里兄弟首先發(fā)現(xiàn)了石英等一些晶體的壓電現(xiàn)象，后來1959年Sauerbrey 推導出氣相中有關晶體表面所載質量與諧振頻移的Sauerbrey方程：

v F = KF2 v M PA

v F：晶體吸附外來物質后振動頻率的變化(Hz)

K：常數(shù)

A：被吸附物所覆蓋的面積

F：壓電晶體的基本頻率(MHz)

v M：被吸附物質的質量

從方程可知，石英晶片在氣相中振蕩時，v F與v M 呈簡單的線性關系。如果設法讓晶體選擇性地吸附外源性生物活性物質，便能制成壓電生物傳感器。后經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)：在液相中，石英晶體不僅對質量敏感，而且會受到溫度、氣壓、液體密度、粘度、介電常數(shù)等多因素影響，但其中質量負載和粘性耦合是導致壓電石英晶體頻率變化的兩個主要作用機理。因此根據(jù)檢測原理的不同，壓電生物傳感器分為質量響應型和非質量響應型，它們在免疫學、微生物學、基因檢測、血液流變、藥理研究以及環(huán)境等科學領域具有重要運用價值和開發(fā)前景。

2 壓電生物傳感器的基本構成

壓電晶體具有一定的諧振頻率，如9MHz、27MHz等。最常用的為石英晶體，按AT方式切割。石英晶體片夾在兩片金或銀電極之間，成為夾心形。質量響應型壓電傳感器則在石英晶體層表面固定有某種生物分子識別物質。一般來說理論上可允許檢測10-12g級的痕量物質。

壓電檢測系統(tǒng)一般設置兩個振蕩電路，一個是晶體檢測振蕩電路，一個是晶體的參比振蕩電路。參比電路是為另外校正溫度、氣壓、粘度、緩沖體系以及其它一些干擾的影響,消除誤差。

壓電晶體的諧振頻率以及頻率的改變由頻率計數(shù)器完成，再由經(jīng)電腦進行數(shù)據(jù)分析和結果報告。

3 壓電生物傳感器的應用

如前所述，根據(jù)檢測原理的不同，壓電生物傳感器一類為質量響應型，即晶體表面質量在一定范圍內的微小改變將引起頻率的改變，通過測定vF 可知vM。由于此類傳感器對質量改變非常敏感，因此有人亦將之稱為石英晶體微天平QCM( Quarts Crystal Microbalance)。另一類為非質量響應型，利用電導率或粘度等變化引起的頻率改變來進行檢測，有人曾報道用此類壓電傳感器檢測凝血酶原時間和血沉。由于目前關于質量響應型的壓電傳感器研究較多，以下主要介紹此型的應用。

用于微生物的檢測：

白色念珠菌的檢測

第一個報道用壓電微質量法檢測微生物的是Muramatsu 等人。他們用C氨基丙基三乙氧基硅烷處理石英晶體,然后用特異性抗體包被。檢測時，將壓電芯片浸入可疑樣品液中,由于免疫吸附念珠菌，晶體表面的質量增加，測得諧振頻率減少，并獲得了線性范圍。而且在相同的混合液中對酵母菌無響應，因而具有一定的特異性。

腸道菌的檢測

Plomer在1992年介紹了一種可以檢測食物以及飲用水中的所有腸道細菌壓電免疫傳感器。他們通過蛋白A將抗腸道細菌共同抗原的單克隆抗體包被在10MHz的石英晶體表面。實驗中以大腸桿菌為例，菌液濃度在106~ 109個Pml范圍內可引起晶體頻率有意義改變。這樣通過頻率的變化可以測出腸道細菌的數(shù)量。

此外還可用于愛滋病病毒、胰島素、免疫球蛋白檢測等。

壓電基因傳感器：

壓電基因傳感器屬于質量響應型傳感器，是基于壓電石英諧振對其表面質量變化敏感的原理，在晶體表面固定大量特異的寡核苷酸序列，利用其與溶液中互補的核酸序列發(fā)生雜交反應，導致晶體表面微質量改變來檢測特定的靶基因序列。

迄今為止壓電基因傳感器的研究尚處于起步階段。1988年Fawcett等首先利用壓電諧振器檢測晶體電極表面固定的聚尿苷酸與溶液中的聚腺苷酸的互補雜交。1993年Naomi等人詳細報道了其研制的壓電基因傳感器。

后來隨著液相壓電傳感器技術的成熟，通過現(xiàn)場監(jiān)測雜交過程,使壓電基因傳感器更為簡便和快捷；同時也可進行表面雜交過程動力學的研究，并為基因傳感器的優(yōu)化提供依據(jù)。這方面率先開展研究的是Okahato實驗室，他們測定了10~30個堿基的寡核苷酸雙鏈互補結合的平衡常數(shù)，結合及解離的速度常數(shù)等動力學參數(shù)以及表面的雜交結合量；通過改變探針的固定方法，探針和靶基因的長度、錯配的堿基數(shù)、雜交溫度、雜交液離子強度等因素，詳細研究了傳感器表面雜交過程的動力學特性。

小結

壓電生物傳感器以它操作簡便快速、成本低、體積小、易于攜帶等特點，在分子生物學、疾病診斷和治療、新藥開發(fā)、司法鑒定等領域具有很大潛力，尤其對于醫(yī)院檢驗工作，將取代繁瑣的操作，龐大的儀器和眾多的實驗室。基于生物傳感器與生物芯片技術而建立的微縮實驗室( Integrated Laboratory on Chip, ILC)將會使一滴血就能在病人床旁檢測出大量疾病信息的愿望成為現(xiàn)實，因而具有可觀的開發(fā)前景。但作為一個新技術新方法，要使其真正成為常規(guī)分析儀器，還要經(jīng)歷一個發(fā)展的過程。