基于醫(yī)用石英微天平測試系統(tǒng)的研制

一.引言

  壓電石英晶體測量技術是在上世紀60年代建立起來的一種新型應用技術,主要是利用晶體表面的微小質量改變會導致其頻率偏移的原理。由于其結構簡單、體積小、靈敏度高等諸多優(yōu)點而廣泛應用于環(huán)境檢測、食品安全檢查、生物醫(yī)藥等領域[1][2][3]。一般應用中，晶體只在氣相中振蕩，液相中由于阻尼和短路而不能起振，所以在以前檢測液體中某種物質含量的時候，大部分的壓電晶體傳感器都采用液體中反應，晾干后在空氣中測量頻偏，但是這種方法無法給出目標物質反應的過程，而且測試過程繁瑣，在疾病診斷應用中多是在液體中檢測，所以有必要設計一種直接在液體狀態(tài)下進行測試的qcm系統(tǒng)，來滿足各種科學研究的要求。

二.壓電石英晶體諧振器簡介

  壓電石英晶體是天然硅(si02)的一種，六角錐體狀，具有各向異性的物理特性。若在石英晶體兩側加一交變電場，且頻率與晶體固有頻率接近，則會在晶體內部產生一共振駐波。又因為at 切形的溫度敏感度較差，所以在質量效應傳感器應用中一般選擇at切形石英晶體。為了提高晶體的選擇接收能力，常常在石英晶體電極表面修飾一些具有特異選擇性的生物活性分子，這些分子能與某種特殊的分子結合附著在電極表面，就構成了生物傳感器。普通晶體的形狀如下：

三.壓電石英晶體質量敏感原理

sauerbry1959年首先推導出厚度剪切壓電石英晶體頻移δf 與在晶體表面均勻吸附的極薄層剛性物質δm之間存在正比關系的公式

f、δm、a 的單位分別為hz、g、cm2，從公式可以看出，ng級質量變化就能帶來較大的頻率改變，因此稱之為微石英天平(quartz crystal mi-crobalance qcm)。80 年代以后，由于生物醫(yī)藥等應用的需求，人們開始嘗試在液體中使用qcm直接測量，但是由于聲表面波在流體中有很大衰減，開始的應用并不很成功[7]。很多學者開始建立液體狀態(tài)下的晶體模型，并逐步得到一些試驗成果[8]，konash 和bastiaans設計了一種單面接觸液體的結構獲得成功[9]，后來nomura等在有機溶液中雙面接觸液體振蕩成功，為日后石英晶體傳感技術的推廣奠定了基礎。

三.液相中石英傳感器結構的設計

我們采用的晶體是北京707 廠生產的，at-切型，9000khz，披金電極直徑為4.5mm，由于需要在水溶液測量，晶體單面裸露，另一面采用塑料膜和o型密封環(huán)通過硅橡膠封閉，使之僅與空氣接觸而與待測液體絕緣。

探頭結構整體設計對晶體的穩(wěn)定程度起很重要的作用。我們設計一用于實驗室的簡單設備，結構示意圖如下：

四。測試系統(tǒng)的設計

根據(jù)實際工作的需要，硬件測試系統(tǒng)測試精度±1hz，具有實時顯示和存儲測試過程的功能，系統(tǒng)方框圖如下：

1.振蕩電路設計一些文獻都討論了液相中晶體振蕩電路的設計[11][12],主要有兩種方式:一是由門電路和電感電容構成的ttl振蕩電路，這種電路設計簡單，但是對基頻不同的晶體具體參數(shù)調整困難，幅度調整也不容易;另外就是由集成運放構成的可調振蕩電路。我們參考文獻[13]后自己設計一種幅度可調，適用于1～50mhz的所有晶體的振蕩電路(圖3)，試驗證明，振蕩穩(wěn)定過程迅速，時間漂移很小。

電路由兩片寬帶跨導運算放大器opa660組成，opa660是一個可靈活設計成高性能視頻、射頻和中頻電路等寬帶系統(tǒng)的單片集成放大器。它內含寬帶、雙極性的集成電壓控制電流源(運算跨導放大器ota)和一個電壓緩沖放大器。

在上述電路中，晶體處于反饋線路上，片opa660中的ota工作在發(fā)射極放大電路狀態(tài)，在電路調試中，可以直接調節(jié)r3和r5使晶體振蕩輸出信號呈標準的正弦波，第二片opa660是對輸出信號起整理和放大作用。在電路設計中，電容c20需要根據(jù)晶體的頻率大小做出相應的改變。

2.頻率計數(shù)、顯示和存儲設計系統(tǒng)是由定時計數(shù)原理來完成頻率測量。其中40mhz高精度快速恒溫晶振p4005a作為計數(shù)定時器,altra 公司的cpld－－-epm7256作為核心的計數(shù)和 顯示控制，epm7256具有5000個可用門，256個宏單元，高工作頻率可以達到 90mhz。p4005a開機穩(wěn)定度±0.1ppm，年老化程度小于±0.5ppm，是一種穩(wěn)定性很高的晶體振蕩器。 cpld硬件編程語言為veriloghdl,主要完成三個功能:

(1) 頻率計數(shù)：內部采用兩個24位的寄存器，一個完成標準晶體的1秒鐘的定時計數(shù)，另一個則是對輸入目標頻率計數(shù);

(2) 顯示功能：用一個32位的寄存器完成計數(shù)值到8個四位十進制bcd碼的轉換，同時定時刷新led數(shù)據(jù)。

(3) 數(shù)據(jù)讀?。簝炔坑幸粋€373數(shù)據(jù)鎖存和譯碼電路，定時時間到后，目標計數(shù)停止，并且向cpu發(fā)出中斷，cpu利用中斷服務程序來分三次讀取頻率計數(shù)值，同時存儲數(shù)據(jù)。

8位數(shù)碼管刷新間隔在毫秒級，可以大顯示10mhz，直接由epm7256引腳驅動。數(shù)據(jù)向上位機發(fā)送后，可以用來計算處理，ram容量為32k，一次連續(xù)測試時間可以達到2個小時。

3.系統(tǒng)測試精度

系統(tǒng)整體結構簡單，程序簡潔實用。以一空氣中基頻為8.985652mhz晶體為試驗，放入普通水溶液，調整振蕩幅度，使其輸出幅度達到佳狀態(tài)，入水時晶體頻率馬上變化為8.97001mhz，兩分鐘之后頻率繼續(xù)減小為 8 .969642mhz，8 分鐘后晶體頻率穩(wěn)定在8.969590mhz左右，偏移±1hz。系統(tǒng)測試精度可以滿足專門的研究用途。

五.系統(tǒng)應用前景

這套微石英晶體天平測試系統(tǒng)主要用于腫瘤早期診斷。在此測試系統(tǒng)基礎上，利用生物工程和電化學方法，在晶體電極上附著一種特殊的生物功能分子薄層，用來吸附人體腫瘤標志物。利用頻偏公式就可以檢測出電極上的質量微小變化，測試精度有望達到亞納克級，由此得知一定溶液中人體腫瘤標志物分子的含量，從而為腫瘤的預測提供一種科學的依據(jù)，也為腫瘤的治療提供更多的機會。微石英天平系統(tǒng)和頻率計數(shù)系統(tǒng)有很多產品，但是沒有針對晶體在液體中振蕩的應用產品，所以開發(fā)這樣的系統(tǒng)有很重要的意義。如果腫瘤標志物提取過程工業(yè)化以后，這種測試比較一般的腫瘤檢測方式如放射性檢測、ct 檢測等有鮮明的特色?！?/span>

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