Love波免疫传感器在免疫分析中的研究

Love波免疫传感器是一种以免疫反应为识别方式的新型声表面波传感器。与其它压电声波免疫传感技术相比,水平剪切型表面波、高的压电晶体基频以及声波导层的存在使Love波免疫传感器在可用于气液两相检测的同时具有更高的灵敏度,从而可以成为免疫分析中的一种重要的工具。本文分别从Love波传感器的构造、原理、发展现状和以抗体作为探针在传感器表面的固定化方法两方面综述了Love波免疫传感器的研究进展。

NaBH_4还原对Love波免疫传感器再生能力的影响

目的提高检测B型葡萄球菌肠毒素的Love波免疫传感器的再生能力,以优化Love波免疫传感器的设计。方法传感器由压电石英基片、叉指换能器和SiO2声波导层构成。采用戊二醛共价交联法构建抗体分子探针传感界面。为提高传感器的再生能力,选用NaBH4还原连接于戊二醛和抗体分子之间的Schiff’s base结构,通过实验确定NaBH4还原步骤和最佳浓度,并用原子力显微镜(AFM)对改良后的戊二醛法固定抗体以及捕获SEB后的表面进行成像表征。结果采用优化后的固定化方案制备的免疫传感器对10-6g.mL-1SEB有明显响应,并可以重复使用3次,NaBH4的最佳浓度为100 mmol.L-1。结论先共价交联抗体分子,再用浓度为100 mmol.L-1的NaBH4还原共价双键为稳定的单键能明显改善Love传感器对SEB的响应能力和再生能力。

检测B型葡萄球菌肠毒素的Love波免疫传感器研究

报道了一种可用于检测B型葡萄球菌肠毒素(SEB)的Love模式声表面波压电免疫传感器。传感器本身由压电石英基片、叉指换能器和S iO2声波导层构成。通过APTES和戊二醛层交联蛋白A,实现抗体分子的定向固定,在Love波传感器的表面构建出抗体分子探针的传感界面。建立了基于网络分析仪的传感器测试系统,对抗体分子固定化过程以及10-6g/mL SEB的响应过程进行了实时监测,相位的偏移随时间表现出明显而规律性的改变,与戊二醛共价交联法进行了对比,并用原子力显微镜(AFM)对蛋白A法固定抗体以及捕获了SEB后的表面进行了成像表征。

ZnO/36°YX-LiTaO_3结构的Love波免疫传感器灵敏度研究

对于ZnO/36°YX-LiTaO3结构的Love波免疫传感器,免疫传感实验的结果表明,不同的波导层厚度,免疫传感的灵敏度不同.同时,存在最佳ZnO波导层厚度,使得Love波免疫传感器的灵敏度达到最高.本文根据多层薄膜中弹性波传播理论,运用部分波求解方法,对ZnO/36°YX-LiTaO3结构的Love波器件的相速度及相对质量灵敏度与波导层的厚度的关系进行了数值计算.计算结果表明,当相对于波长归一化膜厚为0~0.1范围内,随着波导层厚度的增加,Love波器件在无负载和有负载条件下的相速度均随之减少;相对质量灵敏度则先随波导层厚度的增加而增加,继而随波导层厚度的增加而减少,即存在一个适当值使得Love波器件的相对质量灵敏度最大,该结果与实验基本吻合.

Love波传感器及其质量灵敏度测试

为实现流体领域的液相传感,设计并制作了基于36°-YXLiTaO3作为压电衬底、PMMA薄膜作为波导层的Love波传感器;通过微电流电铸实验测量得到Love波传感器的质量灵敏度为-2.281g-1cm2.分析了波导层厚度、器件温度和电铸电极的厚度三个因素对灵敏度的影响,为进一步提高灵敏度提供了参考.

高灵敏Love波传感器及其关键材料

Love波传感器是声表面波传感器的一种,其灵敏度最高。对Love波生物、化学传感器的研究现状进行了综述,着重分析了波导材料及其厚度、基板材料及其切向对传感器的灵敏度及温度稳定性的影响关系。指出采用高频谐振型的器件结构并结合聚合物波导的方案可进一步提高Love波传感器的灵敏度。

Love波传感器的性能分析与实验

为了制作高灵敏度Love波传感器,分析了Love波在ST-石英和二氧化硅薄膜分层结构中的传播特性,并对该分层结构进行了相关的理论推导和计算。首先,从声学动力学方程出发,分析求解了该分层结构的波动方程,得到了在该分层结构的色散关系及位移表达式。基于得到的解析表达式分析了波结构,绘制了特性曲线,得到了Love波在该结构中的传播特性。最后,应用MEMS工艺制作了由ST-石英为基底、二氧化硅为波导层的Love波传感器,并通过电化学微电铸的方法进行了实验验证,且对理论灵敏度与实验灵敏度之间不一致的原因进行了分析。测试数据显示,该传感器的质量灵敏度为100cm2/g,最低检出限为3.65ng,结果证明了该Love波传感器基本满足高灵敏度生化检测的要求。

基于蛋白A定向固定的Love波免疫传感技术研究

报道了一种基于蛋白A固定技术的新型Love波免疫传感器,可用于检测B型葡萄球菌肠毒素(SEB)。本传感器由压电石英基片、叉指换能器和SiO2声波导层构成。为提高传感器对SEB分子的响应能力和检测灵敏度,设计了抗体分子的蛋白A定向固定路线,通过APTES和戊二醛层交联蛋白A,随即用100mmol/L NaBH4还原蛋白A与戊二醛层之间形成的Schiff′s base结构,实现抗体分子在Love波器件表面高效率的定向固定。该固定化方案使传感器的再生能力和检测灵敏度都得到显著提高,对1·0mg/L SEB进行连续5次检测后,其响应能力没有明显下降;而对SEB的浓度检出限度达到了1·0μg/L。原子力显微镜对传感器表面形态的成像结果表明,与戊二醛共价交联法相比,蛋白A结合法使抗体分子探针在传感器表面拥有更高的覆盖度和活性,对SEB具有更强的结合能力。

基于PVA/ST-90°X石英的Love波湿度传感器的实验研究

报道了覆盖聚合物敏感膜的Love波传感器的湿度检测性能。该传感器采用在ST-90°X石英基底上旋涂聚乙烯醇(PVA)膜作为波导层兼吸湿层,测量了密闭空间中相对湿度从9%增加到88%时器件的工作频率及损耗。实验表明,频率偏移和损耗增量均由吸附后质量负载所产生,其变化规律遵循第III类等温吸附曲线。

声表面波飞机结冰传感器灵敏度及实验研究

声表面波飞机结冰传感器有望用于飞机结冰预测,其通过Love波的激发和在导波层中的传播变化,来敏感导波层表面冰的厚度及状态变化,而导波层的厚度对声表面波结冰传感器灵敏度具有重要影响。在学者Zimmermann的理论基础上,根据声表面波结冰传感器实际结构,计算得到导波层厚度对灵敏度影响的特性。通过对SiO2导波层及ST90°石英晶体压电材料进行实例计算,得其厚度在9.6μm处灵敏度最高,并通过实验对0.0042 m厚的冰层进行实验,得到冰层中Love波的传播速度,与理论计算吻合。

新型声表面波湿度传感器的研究

乐甫(Love)波其质点振动方向垂直于传播方向,同时又平行于基片表面,在基片法线方向上无振动分量。因此当基于Love波的电子器件在接触液体时Love波能量损耗很少,因而乐甫波声表面波(SAW)传感器主要用于液相检测。在石英上表面及在其上面淀积的SiO2薄膜中激发、传播的乐甫波对SiO2薄膜质量的变化很敏感,因此该文研究了基于乐甫波的湿度传感器感知气体环境的湿度含量。该文乐甫波湿度传感器采用42.75°Y-旋转切割石英基片,传播方向为[0°,132.75°,90°]。吸湿膜采用APCVD制作的多孔SiO2薄膜,此类膜比PECVD制作的SiO2膜疏松,吸湿、脱湿迅速。传感器灵敏度为62kHz/%RH,最大湿滞约3%,测得的湿敏特性、迟滞特性表明,Love波SAW湿度传感器线性度较好,实验验证了该结构具有很好的气体测试前景。

薄膜Lamb波传感器用于胃蛋白酶原I检测

为满足大规模胃癌早期筛查对胃蛋白酶原I(PGI)检测高灵敏度、高效率、操作简单、样品量少的需求,本文构建了一种PGI抗体功能化薄膜型Lamb波生物传感器。对传感器检测腔薄膜进行PGI抗体自组装修饰,传感器检测腔表面修饰的PGI抗体将样品中PGI抗原特异性的捕获并固定在检测腔薄膜表面,Lamb波传感器薄膜表面质量增加导致其A0模式中心频率发生移动,且频率移动量与检测腔表面吸附物质质量增加量正相关,实现对样本中PGI抗原浓度的检测。实验结果表明:PGI抗体功能化薄膜Lamb波生物传感器对PGI抗原实测灵敏度约为102.114 Hz/ng/mL,理论最低检测限(LOD)为0.176ng/mL,单个样本检测时间为40min,与现有基于光学检测法PGI检测技术相比,具有检测系统简单、操作简单、不需要专业人员操作等显著优势,且比多数光学检测法LOD更低,比电化学法PGI检测技术LOD低两个数量级。结果表明,本文提出的PGI抗体免疫功能化薄膜型Lamb波生物传感器对PGI检测且具有检测下限低、灵敏度高、检测效率高、操作简单、无需样品预处理等特点,满足大规模早期胃癌筛查的基本需求。

压电免疫传感器原理及分析

本文介绍了压电免疫传感器的基本原理，分析了压电免疫传感系统的关键技术．文章还综合比较了基于体波（ＢＡＷ）、声表面波（ＳＡＷ）、声板波（ＰＡＷ）、乐甫波（ＬＡＷ）等振动原理的压电免疫传感器的特点和性质，并对其临床应用价值及前景进行了评估。

波导层不连续的Love波延迟线

Love波传感器的波导层和吸附层通常是不同材料的,一般先在整个器件表面覆盖一层声波导层材料,然后在感应区域对应的波导层上涂镀吸附层,但是这样会增大延迟线的插入损耗。文中设计了一种不连续波导层的Love波延迟线,即在感应区域,吸附层直接镀在压电基片上,同时兼作声波导层;在其他区域覆盖声波导层材料。实验器件制作在ST-90°X石英晶体上,中间感应区域用Au作波导层和吸附层,其他区域采用SU-8光刻胶作声波导层,结果表明,采用这种结构的延迟线可以降低损耗2 dB以上。

涂覆聚合物膜的Love波传播特性

该文计算了涂覆聚合物膜的Love波传感器波速和波导层相对膜厚的关系,并进行了实验验证。Love波器件以ST-90°X石英晶体为基片,在基片表面镀一层不同膜厚的聚乙烯醇(PVA)膜作为波导层兼吸湿层。采用网络分析仪测量了相对湿度35%左右器件的工作频率和插入损耗分别随膜厚的变化,算出Love波波速和PVA相对膜厚的关系,当PVA膜厚度从0增大到波长的5%时,Love波速度由约4 992m/s降低到4 840m/s,和理论计算结果一致。

Love波飞机结冰传感器研究

Love波结冰传感器有望应用于飞机结冰预测与监测,其通过Love波在导波层中的传播变化,来敏感导波层表面冰的厚度以及状态变化。在Zimmermann理论基础上,根据Love波结冰传感器实际结构,针对导波层为冰层及压电材料为ST90°X石英的实际实验情况进行了仿真计算,计算得到了冰层厚度与相速之间的特性关系,以及冰层厚度对灵敏度的影响,并与N.Bari等的灵敏度理论的计算结果进行了比较,结果表明Love波结冰传感器的灵敏度与相速的理论计算是正确的。通过初步的实验对Love波结冰传感器进行原理性的验证研究,实验结果表明Love波结冰传感器可以明显区分空气、水和冰的状态,实验数据符合理论计算的结果。

应用于气体传感器的多波导层Love波器件的温度特性研究

为获得趋于零温度系数的多波导层Love波器件结构参数,对Love波器件的温度稳定性进行了研究。首先构建了这种多波导层条件下Love波传播特性的理论模型,即根据层状结构声波传播方程和边界条件推导出Love波的色散方程,再结合色散方程和Tomar的方法,成功提取出趋于零温度系数的Love器件结构参数,并通过实验验证了理论计算结果,实验测试得到的基于ST-90°X石英且采用SU-8与SiO_2双波导层的Love波延迟线器件的频率温度系数(tcf)仅为2.16 ppm/℃。优化后的器件具有很好的实际意义。

Love波传感器结构的有限元分析方法

提出一种ANSYS分析Love波传感器性能的有限元方法。根据Love波传感器的特点,施加一维近似假设和周期性边界条件建立了由压电基片,金属电极和波导层组成Love波传感器的三维有限元分析模型,并在此模型分析结果基础上提取结构的特征频率。一方面运用开路和短路条件下的特征频率来计算机电耦合系数,另一方面结合微扰理论的计算得到器件的质量灵敏度。最后通过这两个参数来选取波导层厚度,使器件达到最优的性能。在不同的波导层厚度情况下,计算了SiO_2/ST-90°X石英和SiO_2/36°Y-X LiTaO_3两种结构Love波传感器结构的仿真结果,得到了这两种结构的波导层最优的厚度分别为0.11λ和0.2λ。与已报道的文献和实验的结果对比,本文所采用的方法明显优于传统的均匀层状结构理论分析的结果,通过仿真不同结构和材料参数的器件性能,有效地指导Love波传感器的设计。

Research on the temperature characteristic of Love wave device with structure of multi-waveguides used for gas sensor

This paper aimed at extracting optimal structural parameters for Love wave device with structure of multi-waveguides to improve its temperature stability.The theoretical model dealing with the Love wave propagation in multi-waveguides was established first,the dispersion characteristic is depicted by the acoustic propagation theory of stratified media and boundary conditions.Combing with the dispersion characteristics and Tomar's method,the optimal structural parameters for the Love wave device with zero temperature coefficient were extracted,and confirmed by the following experimental results.Excellent temperature coefficient of the Love wave device with SU-8/SiO_2 on ST-90°X quartz substrate was evaluated experimentally as only 2.16 ppm/℃,which agrees well with the calculated results.The optimized Love wave device is very promising in gas sensing application.