【摘要】：生物傳感器應用生物體、微生物、細胞或生物物質(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(lèi)生理參數的響應或物理與化學(xué)參數的響應，傳感器接收并感受這些響應并作出評價(jià)。生物傳感器及其檢測技術(shù)，不僅可以應用于微生物學(xué)研究，還可以應用于生物代謝研究，也可以應用于細胞生物學(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用于臨床診斷、藥物功能與毒性分析、環(huán)境毒物監測、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(lái)本實(shí)驗室主要以壓電傳感作為本實(shí)驗組的研究方向并取得了一定的工作進(jìn)展也得到了相當的積累。

因此在本文中，首先介紹了壓電傳感器的發(fā)展現狀及發(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(zhù)詳細介紹了本實(shí)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之上，提出了由微型電極與壓電晶體串聯(lián)構建靈敏的壓電生物傳感器。本論文主要開(kāi)展了幾種微型電極的設計、仿真計算與優(yōu)化、加工與其電學(xué)參數的檢測與研究以及構建傳感器檢測實(shí)驗研究。首先設計了幾種不同尺寸規格的平行叉指電極，進(jìn)行多物理場(chǎng)仿真計算，并對叉指電極與對電極的電場(chǎng)分布進(jìn)行對比較，仿真結果表明叉指電極這種交替嵌入結構的電場(chǎng)分布比傳統平行板對電極具有更強的電場(chǎng)強度與更集中的電場(chǎng)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)驗研究，結果表明，叉指電極構建的壓電生物傳感器比對電極構建的壓電生物傳感器具有更高的靈敏度。此外通過(guò)對叉指電極進(jìn)行修飾操作構建了溶菌酶為分析目標的生物蛋白的分析。

實(shí)驗結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(chēng)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(diǎn)與便利。最后，基于對叉指電極仿真研究的結果分析，本文提出了環(huán)狀電極的設想，設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(chǎng)進(jìn)行仿真計算，結果表明環(huán)狀電極的電場(chǎng)分布比平行的叉指電極更加合理，根據模擬樣本實(shí)驗檢測，結果表明，增加環(huán)數能顯著(zhù)提高傳感器的靈敏度。在得到仿真結論綿基礎上，利用優(yōu)化的電極與壓電晶體串聯(lián)構建了串聯(lián)壓電細胞傳感器，測試了傳感器的等效電路及壓電理論模型及參數。應用該細胞傳感器對宮頸癌Hela細胞進(jìn)行了在線(xiàn)培養監測。通過(guò)對傳感器穩定性的實(shí)驗、Hela細胞生長(cháng)監測及外源藥物實(shí)驗，研究結果均表明，該傳感器具備高靈敏度地適時(shí)在線(xiàn)監測細胞生長(cháng)監測與藥物分析功能。

本論文的創(chuàng )新點(diǎn)：通過(guò)多物理場(chǎng)軟件仿真串聯(lián)電極電場(chǎng)分布，探科學(xué)合理的電極幾何尺寸。根據仿真結果設計加工了多種不同形狀的串聯(lián)電極，并結合壓電傳感理論構建了不同的串聯(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(xiàn)監測，結果表明根據仿真結果設計的串聯(lián)電極并以此構建的壓電傳感器能很好地滿(mǎn)足實(shí)際生物樣本分析要求。