無(wú)線磁彈性化學(xué)-生物傳感器的研制及應(yīng)用研究.pdf

1、本論文致力于無(wú)線磁彈性化學(xué)/生物傳感器的研制及其在生化分析中的應(yīng)用研究。在外加交變磁場(chǎng)中，磁性膜片受磁場(chǎng)激勵(lì)產(chǎn)生磁矩，將磁能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，并產(chǎn)生沿長(zhǎng)度方向的伸縮振動(dòng)，即磁致伸縮(magnetostrictive)。當(dāng)外加交變磁場(chǎng)的頻率與磁性膜片的機(jī)械振動(dòng)頻率相等時(shí)，磁片產(chǎn)生共振，此時(shí)振幅最大，對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率為磁性膜片的共振頻率。當(dāng)磁性膜片傳感器的表面性質(zhì)(質(zhì)量負(fù)載、粘彈性等)發(fā)生變化時(shí)，其共振頻率隨之發(fā)生改變。由于傳感器材料本身是磁性的

2、，其伸縮振動(dòng)產(chǎn)生磁通，產(chǎn)生的磁通可由檢測(cè)線圈探測(cè)到，信號(hào)經(jīng)放大后由外部?jī)x器測(cè)定。磁彈性傳感器中信號(hào)的激發(fā)與傳送是通過(guò)磁場(chǎng)進(jìn)行的，傳感器與檢測(cè)儀器之間不需任何的物理連接，屬于無(wú)線無(wú)源(wireless，passive)傳感器。磁彈性傳感器無(wú)線無(wú)源的特征使其在活體、在體及無(wú)損檢測(cè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。基于上述原理，本論文主要進(jìn)行了以下幾方面的研究工作： (1)測(cè)定體液pH用無(wú)線磁彈性傳感器研制：基于pH敏感聚合物，制備了無(wú)線磁彈

3、性pH傳感器；研究了pH聚合物組成對(duì)傳感器穩(wěn)定性和響應(yīng)靈敏度的影響，考察了體液中干擾物對(duì)傳感器響應(yīng)的影響。隨溶液pH變化，pH敏感聚合物在堿性溶液中膨脹，酸性溶液中收縮，從而引起傳感器表面質(zhì)量負(fù)載和共振頻率發(fā)生變化?；诖藰?gòu)建的磁彈性pH傳感器的共振頻率隨體液pH升高而下降，在pH5～8之間呈近似線性響應(yīng)，響應(yīng)靈敏度為200 Hz/pH，可準(zhǔn)確測(cè)定0.1 pH的變化。對(duì)體液pH體外測(cè)試表明，制備的pH傳感器有望開(kāi)發(fā)為可進(jìn)行活體在體分析的

4、無(wú)線磁彈性傳感裝置。 (2)測(cè)定血糖用無(wú)線磁彈性傳感器研制：基于上一節(jié)磁彈性pH傳感器，進(jìn)一步制備了無(wú)線磁彈性葡萄糖生物傳感器；研究了傳感器對(duì)體外血糖測(cè)定的穩(wěn)定性、生物相容性及響應(yīng)靈敏度。采用pH敏感聚合物膜對(duì)酶催化反應(yīng)進(jìn)行放大以提高傳感器的靈敏度。在葡萄糖氧化酶(GOD)和過(guò)氧化氫酶(catalase)的共同存在下，催化氧化葡萄糖生成葡萄糖酸，引起pH聚合物收縮，導(dǎo)致傳感器表面質(zhì)量負(fù)載減小、傳感器共振頻率增加。制備的無(wú)線磁彈性

5、葡萄糖傳感器的共振頻移隨血糖濃度的升高而上升，在血糖濃度為2.5～20 mM之間，傳感器的響應(yīng)是線性、可逆的，對(duì)血糖的檢測(cè)限為1.2 mM。傳感器對(duì)血糖體外測(cè)定結(jié)果表明，制備的無(wú)線磁彈性葡萄糖生物傳感器有望應(yīng)用于活體在體分析，有潛力作為植入傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)血糖無(wú)線監(jiān)測(cè)。 (3)無(wú)線磁彈性雙酶葡萄糖傳感器研制：基于辣根過(guò)氧化物酶(HRP)和葡萄糖氧化酶(GOD)雙酶層，制備了無(wú)線磁彈性雙酶葡萄糖生物傳感器。利用酶的催化沉淀反應(yīng)對(duì)傳感器

6、的響應(yīng)進(jìn)行質(zhì)量放大以提高其靈敏度。葡萄糖氧化酶催化氧化葡萄糖產(chǎn)生葡萄糖酸和過(guò)氧化氫(H2O2)，產(chǎn)生的過(guò)氧化氫在辣根過(guò)氧化物酶存在下，催化氧化3，3’，5，5’—四甲基聯(lián)苯氨(TMB)生成沉淀。產(chǎn)生的沉淀沉積在傳感器表面，導(dǎo)致傳感器表面質(zhì)量負(fù)載增加，傳感器共振頻率下降?；诖藰?gòu)建的無(wú)線磁彈性雙酶葡萄糖傳感器的共振頻移隨葡萄糖濃度的升高而上升，在葡萄糖濃度為5～50 mM范圍內(nèi)呈線性響應(yīng)，對(duì)葡萄糖的檢測(cè)限為2 mM。 (4)無(wú)線磁

7、彈性微生物傳感器研制：以預(yù)聚合了聚氨酯膜的磁性膜片為敏感元件，制備了無(wú)線磁彈性微生物傳感器；研究了微生物生長(zhǎng)導(dǎo)致培養(yǎng)基性質(zhì)(如黏度、密度等)改變對(duì)傳感器共振頻率的影響，考察了細(xì)菌在傳感器表面吸附對(duì)傳感器響應(yīng)的貢獻(xiàn)?；谒幬飳?duì)微生物生長(zhǎng)的抑制，利用無(wú)線磁彈性微生物傳感器進(jìn)行菌株藥敏試驗(yàn)研究，依據(jù)抗菌藥物對(duì)細(xì)菌的抑制作用可進(jìn)行抗生素的藥效評(píng)測(cè)。微生物生長(zhǎng)時(shí)消耗培養(yǎng)基，將大分子的蛋白質(zhì)分解為小分子導(dǎo)致培養(yǎng)液粘彈性發(fā)生變化，同時(shí)微生物在傳感器表

8、面的吸附引起質(zhì)量變化。通過(guò)測(cè)定微生物培養(yǎng)時(shí)傳感器共振頻率和振幅的變化對(duì)微生物進(jìn)行快速檢測(cè)，獲得了綠膿桿菌(P．a(chǎn)reuginosa)和結(jié)核桿菌(M． tuberculosis)的生長(zhǎng)曲線，考察了不同細(xì)菌特征生長(zhǎng)曲線的差異，據(jù)此可望對(duì)細(xì)菌進(jìn)行初步的分型。利用石英晶體微天平(QCM)、顯微成像等手段研究了培養(yǎng)液性質(zhì)變化和細(xì)菌吸附對(duì)傳感器共振頻率的影響。傳感器對(duì)綠膿桿菌和結(jié)核桿菌檢測(cè)濃度范圍分別為103～108和104～109 cells/m

9、L，相應(yīng)檢測(cè)限分別為103和104 cells/mL。基于此，研究了可用于細(xì)菌早期診斷和快速分析的無(wú)線磁彈性傳感檢測(cè)新方法。 (5)無(wú)線磁彈性傳感器用于細(xì)菌生物被膜形成機(jī)制的研究。基于綠膿桿菌(P．a(chǎn)reuginosa)易于在固體界面粘附且形成細(xì)菌生物被膜(biofilms)的特性，利用無(wú)線磁彈性傳感器初步研究了細(xì)菌生物被膜的形成機(jī)制。預(yù)聚合了聚氨酯膜的磁性膜片作為敏感元件，同時(shí)測(cè)定了細(xì)菌生物被膜形成過(guò)程中傳感器共振頻率和振幅的