一.引言

  壓電石英晶體測(cè)量技術(shù)是在上世紀(jì)60年代建立起來(lái)的一種新型應(yīng)用技術(shù),主要是利用晶體表面的微小質(zhì)量改變會(huì)導(dǎo)致其頻率偏移的原理。由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、靈敏度高等諸多優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于環(huán)境檢測(cè)、食品安全檢查、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域[1][2][3]。一般應(yīng)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(cè)液體中某種物質(zhì)含量的時(shí)候，大部分的壓電晶體傳感器都采用液體中反應(yīng)，晾干后在空氣中測(cè)量頻偏，但是這種方法無(wú)法給出目標(biāo)物質(zhì)反應(yīng)的過(guò)程，而且測(cè)試過(guò)程繁瑣，在疾病診斷應(yīng)用中多是在液體中檢測(cè)，所以有必要設(shè)計(jì)一種直接在液體狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)試的qcm系統(tǒng)，來(lái)滿足各種科學(xué)研究的要求。

二.壓電石英晶體諧振器簡(jiǎn)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(cè)加一交變電場(chǎng)，且頻率與晶體固有頻率接近，則會(huì)在晶體內(nèi)部產(chǎn)生一共振駐波。又因?yàn)閍t 切形的溫度敏感度較差，所以在質(zhì)量效應(yīng)傳感器應(yīng)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(jié)合附著在電極表面，就構(gòu)成了生物傳感器。普通晶體的形狀如下：

三.壓電石英晶體質(zhì)量敏感原理

sauerbry1959年首先推導(dǎo)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(zhì)δm之間存在正比關(guān)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(jí)質(zhì)量變化就能帶來(lái)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(yīng)用的需求，人們開(kāi)始嘗試在液體中使用qcm直接測(cè)量，但是由于聲表面波在流體中有很大衰減，開(kāi)始的應(yīng)用并不很成功[7]。很多學(xué)者開(kāi)始建立液體狀態(tài)下的晶體模型，并逐步得到一些試驗(yàn)成果[8]，konash 和bastiaans設(shè)計(jì)了一種單面接觸液體的結(jié)構(gòu)獲得成功[9]，后來(lái)nomura等在有機(jī)溶液中雙面接觸液體振蕩成功，為日后石英晶體傳感技術(shù)的推廣奠定了基礎(chǔ)。

三.液相中石英傳感器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

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

探頭結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)對(duì)晶體的穩(wěn)定程度起很重要的作用。我們?cè)O(shè)計(jì)一用于實(shí)驗(yàn)室的簡(jiǎn)單設(shè)備，結(jié)構(gòu)示意圖如下：

四。測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際工作的需要，硬件測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試精度±1hz，具有實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)測(cè)試過(guò)程的功能，系統(tǒng)方框圖如下：

1.振蕩電路設(shè)計(jì)一些文獻(xiàn)都討論了液相中晶體振蕩電路的設(shè)計(jì)[11][12],主要有兩種方式:一是由門電路和電感電容構(gòu)成的ttl振蕩電路，這種電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但是對(duì)基頻不同的晶體具體參數(shù)調(diào)整困難，幅度調(diào)整也不容易;另外就是由集成運(yùn)放構(gòu)成的可調(diào)振蕩電路。我們參考文獻(xiàn)[13]后自己設(shè)計(jì)一種幅度可調(diào)，適用于1～50mhz的所有晶體的振蕩電路(圖3)，試驗(yàn)證明，振蕩穩(wěn)定過(guò)程迅速，時(shí)間漂移很小。

電路由兩片寬帶跨導(dǎo)運(yùn)算放大器opa660組成，opa660是一個(gè)可靈活設(shè)計(jì)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(nèi)含寬帶、雙極性的集成電壓控制電流源(運(yùn)算跨導(dǎo)放大器ota)和一個(gè)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(diào)試中，可以直接調(diào)節(jié)r3和r5使晶體振蕩輸出信號(hào)呈標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，第二片opa660是對(duì)輸出信號(hào)起整理和放大作用。在電路設(shè)計(jì)中，電容c20需要根據(jù)晶體的頻率大小做出相應(yīng)的改變。

2.頻率計(jì)數(shù)、顯示和存儲(chǔ)設(shè)計(jì)系統(tǒng)是由定時(shí)計(jì)數(shù)原理來(lái)完成頻率測(cè)量。其中40mhz高精度快速恒溫晶振p4005a作為計(jì)數(shù)定時(shí)器,altra 公司的cpld－－-epm7256作為核心的計(jì)數(shù)和 顯示控制，epm7256具有5000個(gè)可用門，256個(gè)宏單元，高工作頻率可以達(dá)到 90mhz。p4005a開(kāi)機(jī)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(yǔ)言為veriloghdl,主要完成三個(gè)功能:

(1) 頻率計(jì)數(shù)：內(nèi)部采用兩個(gè)24位的寄存器，一個(gè)完成標(biāo)準(zhǔn)晶體的1秒鐘的定時(shí)計(jì)數(shù)，另一個(gè)則是對(duì)輸入目標(biāo)頻率計(jì)數(shù);

(2) 顯示功能：用一個(gè)32位的寄存器完成計(jì)數(shù)值到8個(gè)四位十進(jìn)制bcd碼的轉(zhuǎn)換，同時(shí)定時(shí)刷新led數(shù)據(jù)。

(3) 數(shù)據(jù)讀取：內(nèi)部有一個(gè)373數(shù)據(jù)鎖存和譯碼電路，定時(shí)時(shí)間到后，目標(biāo)計(jì)數(shù)停止，并且向cpu發(fā)出中斷，cpu利用中斷服務(wù)程序來(lái)分三次讀取頻率計(jì)數(shù)值，同時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

8位數(shù)碼管刷新間隔在毫秒級(jí)，可以大顯示10mhz，直接由epm7256引腳驅(qū)動(dòng)。數(shù)據(jù)向上位機(jī)發(fā)送后，可以用來(lái)計(jì)算處理，ram容量為32k，一次連續(xù)測(cè)試時(shí)間可以達(dá)到2個(gè)小時(shí)。

3.系統(tǒng)測(cè)試精度

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，程序簡(jiǎn)潔實(shí)用。以一空氣中基頻為8.985652mhz晶體為試驗(yàn)，放入普通水溶液，調(diào)整振蕩幅度，使其輸出幅度達(dá)到佳狀態(tài)，入水時(shí)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(cè)試精度可以滿足專門的研究用途。

五.系統(tǒng)應(yīng)用前景

這套微石英晶體天平測(cè)試系統(tǒng)主要用于腫瘤早期診斷。在此測(cè)試系統(tǒng)基礎(chǔ)上，利用生物工程和電化學(xué)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(lái)吸附人體腫瘤標(biāo)志物。利用頻偏公式就可以檢測(cè)出電極上的質(zhì)量微小變化，測(cè)試精度有望達(dá)到亞納克級(jí)，由此得知一定溶液中人體腫瘤標(biāo)志物分子的含量，從而為腫瘤的預(yù)測(cè)提供一種科學(xué)的依據(jù)，也為腫瘤的治療提供更多的機(jī)會(huì)。微石英天平系統(tǒng)和頻率計(jì)數(shù)系統(tǒng)有很多產(chǎn)品，但是沒(méi)有針對(duì)晶體在液體中振蕩的應(yīng)用產(chǎn)品，所以開(kāi)發(fā)這樣的系統(tǒng)有很重要的意義。如果腫瘤標(biāo)志物提取過(guò)程工業(yè)化以后，這種測(cè)試比較一般的腫瘤檢測(cè)方式如放射性檢測(cè)、ct 檢測(cè)等有鮮明的特色。◆

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