基于医用石英微天平测试系统的研制

 摘要:主要介绍压电石英晶体的原理，在液体中振荡的特性，并论述了一套石英微天平qcm(quartzcrystalmicrobalance)测试系统的研制。系统具有高灵敏度、反应速度快、重复性好、操作简单方便的优点。并给出了在诸如肿瘤预测等重要临床诊断中的应用前景。

一.引言

 压电石英晶体测量技术是在上世纪60年代建立起来的一种新型应用技术,主要是利用晶体表面的微小质量改变会导致其频率偏移的原理。由于其结构简单、体积小、灵敏度高等诸多优点而广泛应用于环境检测、食品安全检查、生物医药等领域[1][2][3]。一般应用中，晶体只在气相中振荡，液相中由于阻尼和短路而不能起振，所以在以前检测液体中某种物质含量的时候，大部分的压电晶体传感器都采用液体中反应，晾干后在空气中测量频偏，但是这种方法无法给出目标物质反应的过程，而且测试过程繁琐，在疾病诊断应用中多是在液体中检测，所以有必要设计一种直接在液体状态下进行测试的qcm系统，来满足各种科学研究的要求。

二.压电石英晶体谐振器简介

 压电石英晶体是天然硅(si02)的一种，六角锥体状，具有各向异性的物理特性。若在石英晶体两侧加一交变电场，且频率与晶体固有频率接近，则会在晶体内部产生一共振驻波。又因为at切形的温度敏感度较差，所以在质量效应传感器应用中一般选择at切形石英晶体。为了提高晶体的选择接收能力，常常在石英晶体电极表面修饰一些具有特异选择性的生物活性分子，这些分子能与某种特殊的分子结合附着在电极表面，就构成了生物传感器。普通晶体的形状如下：

三.压电石英晶体质量敏感原理

sauerbry1959年首先推导出厚度剪切压电石英晶体频移δf与在晶体表面均匀吸附的极薄层刚性物质δm之间存在正比关系的公式

f、δm、a的单位分别为hz、g、cm2，从公式可以看出，ng级质量变化就能带来较大的频率改变，因此称之为微石英天平(quartzcrystalmi-crobalanceqcm)。80年代以后，由于生物医药等应用的需求，人们开始尝试在液体中使用qcm直接测量，但是由于声表面波在流体中有很大衰减，开始的应用并不很成功[7]。很多学者开始建立液体状态下的晶体模型，并逐步得到一些试验成果[8]，konash和bastiaans设计了一种单面接触液体的结构获得成功[9]，后来nomura等在有机溶液中双面接触液体振荡成功，为日后石英晶体传感技术的推广奠定了基础。

三.液相中石英传感器结构的设计

我们采用的晶体是北京707厂生产的，at-切型，9000khz，披金电极直径为4.5mm，由于需要在水溶液测量，晶体单面裸露，另一面采用塑料膜和o型密封环通过硅橡胶封闭，使之仅与空气接触而与待测液体绝缘。

探头结构整体设计对晶体的稳定程度起很重要的作用。我们设计一用于实验室的简单设备，结构示意图如下：

四。测试系统的设计

根据实际工作的需要，硬件测试系统测试精度±1hz，具有实时显示和存储测试过程的功能，系统方框图如下：

1.振荡电路设计一些文献都讨论了液相中晶体振荡电路的设计[11][12],主要有两种方式:一是由门电路和电感电容构成的ttl振荡电路，这种电路设计简单，但是对基频不同的晶体具体参数调整困难，幅度调整也不容易;另外就是由集成运放构成的可调振荡电路。我们参考文献[13]后自己设计一种幅度可调，适用于1～50mhz的所有晶体的振荡电路(图3)，试验证明，振荡稳定过程迅速，时间漂移很小。

电路由两片宽带跨导运算放大器opa660组成，opa660是一个可灵活设计成高性能视频、射频和中频电路等宽带系统的单片集成放大器。它内含宽带、双极性的集成电压控制电流源(运算跨导放大器ota)和一个电压缓冲放大器。

在上述电路中，晶体处于反馈线路上，diyi片opa660中的ota工作在发射极放大电路状态，在电路调试中，可以直接调节r3和r5使晶体振荡输出信号呈标准的正弦波，第二片opa660是对输出信号起整理和放大作用。在电路设计中，电容c20需要根据晶体的频率大小做出相应的改变。

2.频率计数、显示和存储设计系统是由定时计数原理来完成频率测量。其中40mhz高精度快速恒温晶振p4005a作为计数定时器,altra公司的cpld---epm7256作为核心的计数和显示控制，epm7256具有5000个可用门，256个宏单元，Zgao工作频率可以达到90mhz。p4005a开机稳定度±0.1ppm，年老化程度小于±0.5ppm，是一种稳定性很高的晶体振荡器。cpld硬件编程语言为veriloghdl,主要完成三个功能:

(1)频率计数：内部采用两个24位的寄存器，一个完成标准晶体的1秒钟的定时计数，另一个则是对输入目标频率计数;

(2)显示功能：用一个32位的寄存器完成计数值到8个四位十进制bcd码的转换，同时定时刷新led数据。

(3)数据读取：内部有一个373数据锁存和译码电路，定时时间到后，目标计数停止，并且向cpu发出中断，cpu利用中断服务程序来分三次读取频率计数值，同时存储数据。

8位数码管刷新间隔在毫秒级，可以Zda显示10mhz，直接由epm7256引脚驱动。数据向上位机发送后，可以用来计算处理，ram容量为32k，一次连续测试时间可以达到2个小时。

3.系统测试精度

系统整体结构简单，程序简洁实用。以一空气中基频为8.985652mhz晶体为试验，放入普通水溶液，调整振荡幅度，使其输出幅度达到Z佳状态，入水时晶体频率马上变化为8.97001mhz，两分钟之后频率继续减小为8.969642mhz，8分钟后晶体频率稳定在8.969590mhz左右，偏移±1hz。系统测试精度可以满足专门的研究用途。

五.系统应用前景

这套微石英晶体天平测试系统主要用于肿瘤早期诊断。在此测试系统基础上，利用生物工程和电化学方法，在晶体电极上附着一种特殊的生物功能分子薄层，用来吸附人体肿瘤标志物。利用频偏公式就可以检测出电极上的质量微小变化，测试精度有望达到亚纳克级，由此得知一定溶液中人体肿瘤标志物分子的含量，从而为肿瘤的预测提供一种科学的依据，也为肿瘤的ZL提供更多的机会。微石英天平系统和频率计数系统有很多产品，但是没有针对晶体在液体中振荡的应用产品，所以开发这样的系统有很重要的意义。如果肿瘤标志物提取过程工业化以后，这种测试比较一般的肿瘤检测方式如放射性检测、ct检测等有鲜明的特色。◆

参考文献：

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[2]楚霞，林朝晖，沈国励等石英微天平用于免疫球蛋白m免疫反应的动力学研究高等学校化学学报1996;(17):1025.

[3]shijkoiketakuyafu极edanoboruwakabayashishunichihiguchi.electrochemicalandquartzmicrobalancetechiniquestudiesofanodematerialforsecondarybatteries.journalofpowersource1997(68):480.

[4]张德印石英晶体振荡器邢台示范高专学报2002;2(17)：45-47.

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[6]hlavayjguilbaultg.g[j]analchem..1977,49(13):1890

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[8]姚守拙.压电生物传感器生命科学研究1998,2(1).

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[12]孙振东，赵玉春，范世福等.新型石英晶体粘度仪的研制[j].仪器仪表学报,2000;(3):270

[13]超zhang，guanpingfeng，至xiangao，developmentofanewkindofduamodulatedqcmbiosensorsbiosensorsandbioelectrics1997;(12):1219.

[14]burr-brownusermanualopa660-widebandwidthoperationaltransconductanceamplifierandbufferburr-browncorporation1990.

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