CN111812319B - 一种微流控石英晶片阵列传感检测系统及其检测方法 - Google Patents

一种微流控石英晶片阵列传感检测系统及其检测方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111812319B
CN111812319B CN202010705212.5A CN202010705212A CN111812319B CN 111812319 B CN111812319 B CN 111812319B CN 202010705212 A CN202010705212 A CN 202010705212A CN 111812319 B CN111812319 B CN 111812319B
Authority
CN
China
Prior art keywords
detection
quartz wafer
frequency
signal
quartz
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010705212.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111812319A (zh
Inventor
司士辉
张润
陈金华
扶梅
冯浪霞
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Central South University
Original Assignee
Central South University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Central South University filed Critical Central South University
Priority to CN202010705212.5A priority Critical patent/CN111812319B/zh
Publication of CN111812319A publication Critical patent/CN111812319A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111812319B publication Critical patent/CN111812319B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/53—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
    • G01N33/543—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
    • G01N33/54313—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals the carrier being characterised by its particulate form
    • G01N33/54326—Magnetic particles
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N35/00—Automatic analysis not limited to methods or materials provided for in any single one of groups G01N1/00 - G01N33/00; Handling materials therefor
    • G01N35/00584—Control arrangements for automatic analysers
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A40/00—Adaptation technologies in agriculture, forestry, livestock or agroalimentary production
    • Y02A40/80—Adaptation technologies in agriculture, forestry, livestock or agroalimentary production in fisheries management
    • Y02A40/81—Aquaculture, e.g. of fish

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Urology & Nephrology (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Cell Biology (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Magnetic Means (AREA)

Abstract

本发明公开了一种微流控石英晶片阵列传感检测系统及其检测方法，包括有PC机，arduino单片机，DDS信号源，A/D转换器、低通滤波器、石英晶片传感系统，信号调理电路和幅值相位检测器，以上组件依次通过线路互连，幅值相位检测器与arduino单片机通过线路互连。本发明的在石英晶片片的一面非有效面积粘上聚氨酯泡沫圈使其能浮于检测液，另一面修饰上磁性纳米颗粒和不同的抗体检测探针，通过磁性纳米颗粒对晶片进行微控制，使晶片短暂的固定于检测位置，同时也增加了探针修饰的表面积和晶振的质量效应。采用多个石英晶片片并形成参比对照，并使用半封闭阀门隔绝，实现依次检测避免多个晶片互相干扰。

Description

一种微流控石英晶片阵列传感检测系统及其检测方法
技术领域
本发明属于生物传感器以及分析化学技术领域，具体涉及一种微流控石英晶片阵列传感检测系统及其检测方法。
背景技术
近年来，生物医学科技的突飞猛进对现代生物检测技术的发展提出了更的高要求。在免疫反应，病毒检测，食品安全以及突发性生化恐怖事件等实时、快速检测领域，目前只能使用传统的生物化学检测手段，需要几小时甚至几天的检测周期，这可能会造成较大的社会经济效益损失。石英晶片微天平(QCM)已普遍应用于临床诊断，食品分析，环境分析和农业监测。我们已经建立了一个QCM免疫分析系统，可以在整个检测过程中进行在线和定量监测，并提供有关抗体表面覆盖率和抗体与抗原结合率的信息。QCM是一种常用的生物传感器，在商业应用中用于检测质量响应，这些响应是沉积在电极表面的物质特征。QCM理论质量灵敏度与基频的平方成正比，对于5MHz石英晶振芯片(厚度330微米)而言，产生1Hz的响应需要的质量为20ng/cm2。而对于基频27MHz的晶片芯片，产生1Hz的响应需要的质量为0.7ng/cm2，显而易见，27MHz比5MHz具有更高的灵敏度，提高了29倍。日本大阪大学Ogi H采用170MHz无极石英晶片建立的传感器其质量灵敏度比5MHz的石英晶振提高3个数量级，可达15pg/cm2Hz，其前提条件需使用厚度为9.7微米的芯片。对于AT切石英晶片，它频率适用范围在500kHz～350MHz，通常石英晶振一般是由圆形AT切石英晶片和在晶片上下表面镀上两个同心圆形金属电极构成，金属通常为金、银、铝等材料。在溶液中使用时通常是镀金电极，厚度至少20nm(为了增加金电极的附着性通常预先真空蒸镀2nm厚的铬或钛层)，电极金属镀层降低了石英晶片谐振品质因子，也制约了高频QCM在溶液中的使用，通常使用的QCM基频在10MHz以下。无极裸石英晶片传感技术的出现为超高频石英谐振子的应用提供了一个新途径。从1991年首次对无极石英晶片进行研究起，已有很多材料和方法用于实现无极石英晶片检测，无极石英晶片微天平(QCM)传感器也逐渐被应用于化学生物传感器，成为许多应用的分析仪器。无极QCM与镀有金属电极的QCM相比具有很多优势：直接使用裸石英谐振子其表面比镀有金属膜更耐腐蚀更抗氧化；裸石英谐振子的SiO2传感表面易于生物修饰，生物相容性好；更容易实现高频检测，成本更低容易实现商业化，可实现非接触检测用于体内实验；可以使用50MHz以上的高频石英振子，传感器灵敏度大幅提高，因此越来越多的人开始关注起了无极石英晶片的应用。然而由于无极石英晶片谐振传感器稳定性不佳，有时启动石英晶片发生谐振困难，限制了该技术应用推广，需要进一步的改进和发展。
当石英晶片在液体环境中传感时，其频率变化与表面吸附层的关系相对复杂，在液相中振荡导致的能量损耗远大于在气相中所产生的损耗，液相中晶片的谐振频率受吸附膜的厚度、粘弹性和液体介质密度、粘度等因素影响。根据弹性波导理论，压电晶片中的厚度剪切波在沿横向传输时，由于压电晶片不同区域的截止频率不一样，绝大多数振动能量都被限制在晶片的电极区域，剪切波的机械位移和电场强度都会在离开电极区域后成指数衰减。根据压电晶片剪切波与流体阻尼剪切波耦合的物理模型，压电晶片并不带动整个溶液振荡，因为剪切波在液相中随距离增加呈指数衰减，实际上只有很薄的液层参与了晶片的振荡，经计算其厚度约为1微米，液体或被测生物分子膜可以充当晶片的模拟电极，从而在无金属电极覆盖的区域激励厚度剪切波，即剪切波可由金属电极区横向传输至非金属电极区域。由此可以设计出基于非金属准电极的压电晶片传感器。实验表明，与标准晶片传感器相比，此类传感器对液体电参数变化的灵敏度可以提高25倍。通过液体或被测生物分子膜可以充当晶片的准电极，为实现无电极和单面无极提供了理论基础。
无极石英晶片实现方式有很多种，比如使用铜平面线圈激励信号并接收信号，将两个铜丝螺旋成为环状置于石英晶片下，当铜平面线圈受到刺激时，产生远程体声波(BAW)，两个铜线圈(发射线圈和接收线圈)在同一平面上且彼此相邻，位于石英盘的正下方(约0.2mm)；从线圈到圆盘的中心距离是相同的，一个作为激励线圈一个作为接收线圈，两个分开线圈的几何形状可以增强接收信号并避免来自刺激电路的干扰。线天线也被广泛应用于无线激励领域，可有效减少电流耦合，便于控制。在其他研究中还有螺线管线圈天线，线天线，磁铁线圈等装置被用于实现无极检测。
目前驱动QCM振动并采集其输出信号的方法主要有两种：振荡电路方法，频谱分析方法。振荡电路方法是将QCM接入自激振荡电路中，使其构成固频元件，电路的振荡频率等于QCM的谐振频率，通过测量电路振荡频率的变化，便可得到QCM谐振频率的变化。这种自激振荡电路方法只能测量唯一参数串联谐振频率，在大阻尼待测溶液中易于发生停振。国内外的很多学者做了大量研究，设计了多种适用于QCM在液态条件下工作的振荡电路，如：射极耦合振荡电路、杠杆振荡电路(lever oscillator)、标准桥式振荡电路、主动桥式振荡电路(active bridge oscillator)以及平衡桥式电路为代表，这些电路都是基于自激振荡的原理,满足相位平衡条件和幅度平衡条件。频谱分析方法是扫描QCM在其谐振频率附近一段频率范围内的频谱(QCM等效阻抗的幅频和相频特性)，通过该频谱可得到QCM的谐振频率、品质因子等参数。
疾病成因的复杂性使其生物标志物的联合检测显得极为重要，而单种疾病标志物的检测诊断难以满足临床的要求，对各指标进行联合检测能有效提高诊断的灵敏度及准确度。比如心肌梗死AMI若单独检测C-反应蛋白，高敏肌钙蛋白等，其敏感性和特异性不高难以满足临床需要，而联合检测对心脏预后的评估具有高度的特异性和准确性。再比如血清中SCC、CEA、CA125和CA19-9的水平有助于早期诊断宫颈癌，并且这些肿瘤标志物联合检测可以提高诊断敏感性，并可以显示肿瘤的病理类型和分化程度，有助于早期治疗。大部分的研究中联合检测不同的标志物需使用不同的检测试剂盒，然后进行研究比较，而不同的检测试剂盒有不同的使用方法和注意事项，操作步骤过于繁琐复杂，因此需要更方便简单的方法实现快速联合检测。实际样品检测较为复杂，干扰较多，可通过多通道阵列分别修饰上不同特异性抗体检测检测样品中所需的多种检测物，从而排除干扰，增强检测的灵敏度，同时缩短了检测时间，提高了检测效率。本发明基于微流控石英晶片阵列上修饰不同的探针或靶点检测不同的生物分子，从而实现标志物联合检测。
QCM主要由石英晶片传感器、信号检测和数据处理等部分组成。石英晶片传感器是由一块石英晶片上沿着与石英晶片主光轴成35°15'切割(AT—CUT)得到石英晶片振荡片，在它的两个对应面上真空蒸镀金层或银层作为电极，石英晶片夹在两片电极中间形成三明治结构。在每个电极上各焊一根引线接到管脚上。在进行化学生物学检测是通常需要将石英晶片的一面接触溶液另一面在空气中，石英晶片防水封装很麻烦，无论是有极或者无极都是固定在PDMS流动池中进行检测，封闭的流动池虽然可排除一些外界干扰同时增加了石英晶片的稳定性，但是也减少了石英晶片传感器使用的方便性、灵活性，免疫反应结合不彻底检测偏差较大。目前要准确得到测定信号必须经过繁琐的溶液洗涤步骤，和使用复杂的仪器系统以及严格的测定条件，无法实现在检测液中原位的得到检测信号，例如在血液中以及实际样本许多非特异吸附物质干扰目标物检测，反复地洗脱这些干扰物是目前采用的方法。这些繁琐苛刻使用条件限制了石英晶片微天平生物传感器的实际使用，例如在医学即时检测特别需要简单有效的检测方法。现有的多通道石英晶片阵列多采用固定方式进行检测或者在同一晶片刻蚀出多通道检查测，不同通道间距离小是激励信号容易互相干扰，距离过大时增加传感器体积无法实现便携。目前石英晶片传感进行生物检测时，通常将生物分子探针(例如抗体，单链DNA)修饰到石英晶片金属电极上，检测溶液(例如致病细菌、待检测的DNA分子等)从传感器表面流淌，修饰的分子探针与靶向待测物发生结合，产生频率变化信号，生物大分子间作用力较弱，活性结合点位有限，使得检测过程时间长，耗费的检测溶液多，对于生物检测时增加成本，耗费时间。
石英晶片传感器的质量传感原理
当石英晶片微天平在交变电压场的作用下会发生机械振荡产生机械波，当石英晶片的厚度为机械波长的一半时，符合著名的Sauerbrey方程，该方程描述了石英晶振谐振频率变化量与其表面质量负载变化之间的关系。
Figure BDA0002594485740000041
其中，f0是QCM的基频，Δm是QCM表面的质量改变，A是QCM的谐振面积，ρq是QCM的密度，μq是QCM的剪切模量。
发明内容
本发明的目的是提供一种检测成本低、耗时短的微流控石英晶片阵列传感检测系统及其检测方法。
本发明这种微流控石英晶片阵列传感检测系统，包括有PC机，arduino单片机，DDS信号源，A/D转换器、低通滤波器、石英晶片传感系统，信号调理电路和幅值相位检测器，以上组件依次通过线路互连，幅值相位检测器与arduino单片机通过线路互连。
其中石英晶片传感系统包括有线天线和检测池，检测池通过外加磁场将修饰后的无极石英晶片固定于检测池的检测位置；线天线固定于检测池池底下；低通滤波器与线天线的激励线圈相连，线天线的接收线圈于信号调理电路相连；
PC机通过arduino单片机给DDS信号源写入程序以产生扫频信号，扫频信号经过A/D转换器、低通滤波器一路施加到线天线激励线圈上，由于修饰后的无极石英晶片在进行检测时，会产生质量变化，从而使得频率发生改变，产生一个新的晶振信号，信号会通过线天线接收线圈到达信号调理电路，通过信号调理电路将信号放大后，送入幅值相位检测器进行检测，并将检测到的信号输送至arduino单片机，单片机对信号进行处理后，输送至PC机，得到测试频率，测试频率减去未测试之前的频率，即可得到频率差，根据频率差计算标志物的含量。
所述的DDS信号源为AD9954DDS信号源，石英晶片为33.3MHz的AT切型无极QCM；所述的线天线长为5cm，直径为3mm。
石英晶片传感系统还包括孵化池，孵化池和检测池都有进液口和出液口，孵化池的出液口设有半封闭阀门；孵化池出液口与检测池的进液口通过管路互连。
所述的半封闭阀门在关闭状态是允许检测液流出，但是石英晶片不能通过。
所述的检测池为方形的微流通池，微流通池包括上半部分和下半部分，上半部分的下表面上开设有直角Z字型的凹槽，下半部分的上表面上也开设有与之相对应的凹槽，上半部分和下半部分通过螺杆合并固定后，内部会形成一个直角Z字型的流通管道；下半部分底部对应流通管道下面开设有方形凹槽，用于放置外部磁铁，实现修饰后的无极石英晶片的固定；下半部分还开设有用于放置线天线的圆形孔腔。
一种微流控石英晶片阵列传感检测系统的检测方法，包括以下步骤：
1)无极石英晶片的修饰：在无极石英晶片的非有效面贴上聚氨酯泡沫圈增加浮力，接着将一抗固定在有效面上，测得其频率f0，接着分别将不同浓度的目标检测物滴加多个固定有一抗的石英晶片的有效面上，分别测得其频率f1；
2)制备二抗磁珠扩增剂：在室温下，将EDC 1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺和NHS N-羟基硫代琥珀酰亚胺加入到磁珠悬浮溶液中，进行搅拌反应，滴加二抗溶液，进行孵育，得到磁珠-EDC@NHS悬浮液，磁性分离后，将其分散在PBS(pH＝7.4)中，得到二抗-磁珠-EDC@NHS悬浮液，向其中加入PBS-BSA缓冲液，温育，得到二抗磁珠扩增剂；
3)孵育：关闭检测池出液口，通过注射泵从孵化池进液口注入步骤2)中二抗磁珠扩增剂，然后将步骤1)中，含有检测物和一抗修饰石英晶片按顺序排列在孵化池进行孵育；
4)检测：孵育完毕后，将永磁体放置在检测池的方形凹槽中，打开检测池的出液口，打开半封闭阀门，在扩增剂的流动下流出一个晶片后，关闭半封闭阀门，晶片被固定在永久磁体上方，通过石英晶片阵列传感检测系统给线天线一个激励信号，检测修饰好的无极石英晶片信号，测出其频率f2；接着移开永磁体，将检测完的石英晶片通过检测液流出体系，然后按照上述步骤，检测下一个石英晶片；检测过程中需要一直通过注射泵，泵入扩增剂；
5)根据Sauerbrey方程我们可以得知Δf＝f2-f1，然后根据公式可以计算出Δm的值。
所述步骤1)中，一抗可根据目标检测物进行设计。
所述步骤2)中，磁珠悬浮溶液中的磁珠为1μm羧基官能化的磁珠，磁珠是以Fe3O4超顺磁性纳米颗粒为内核，外核为聚丙烯酸；二抗可根据一抗进行设计。
所述步骤3)中，孵育的时间为30min。
所述步骤3)中，在检测系统给予基频的测量基础上，选择三阶泛音测量石英晶片微天平的频率，达到100MHz，以提高信号采集灵敏度；检测温度为37℃。
所述泛音谐振的工作模态的阶次为基频厚度剪切模态的基数倍，高阶泛音振动提高基数倍，如33.3MHz的基频石英晶体在三阶泛音下频率变三倍即100MHz左右
本发明的有益效果：
1、本发明这种石英晶片阵列传感检测系统中的石英晶片传感系统采用的是流式阵列型的传感系统，可以联合检测疾病标志物。
2、本发明石英晶片采用基频为33.3MHz的AT切型无极QCM作为传感元件，无极石英晶片采用泛音的检测方法，选择三阶泛音测量石英晶片微天平的频率，具有极高的信号灵敏度且具有较低的信噪比。本发明的石英晶片传感系统使用全自动注射式流动系统进行疾病标志物的检测，避免未与探针结合的标志物在晶片表面堆积。本发明传感系统置于37℃保温箱中，以减少传质阻和温度的影响。
3、本发明的在石英晶片片的一面非有效面积粘上聚氨酯泡沫圈使其能浮于检测液，另一面修饰上磁性纳米颗粒和不同的抗体检测探针，通过磁性纳米颗粒对晶片进行微控制，使晶片短暂的固定于检测位置，同时也增加了探针修饰的表面积和晶振的质量效应。采用多个石英晶片片并形成参比对照，并使用半封闭阀门隔绝，实现依次检测避免多个晶片互相干扰。
4、本发明这种石英晶片阵列传感检测系统采用单片机控制DDS信号源产生扫频信号，扫频信号一路施加到与石英晶片正对的线天线上，一路通过线天线直接输出，两路信号经过信号调理电路后，被送入幅度和相位检测单元AD8302，单片机利用片内A/D对AD8302的输出信号进行检测，串口通讯模块将频率检测结果发送到上位机，上位机对测量系统和参比系统的频率进行差值运算，计算出标志物含量。
附图说明
图1本发明中石英晶片阵列传感检测系统的连接示意图。
图2本发明中石英晶片传感系统的结构示意图。
图3检测池的管道结构示意图。
图4检测池下班部分的结构示意图。
图5孵育池的半封闭阀门结构示意图。
其中：1-孵化池，2-检测池，3-线天线，4-管路，5-石英晶片，11-进液口，12-出液口，121-半封闭阀门，21-检测池进液口，22-检测池出液口，23-直角Z字型的凹槽，24-螺杆，25-方形凹槽，26-圆形孔腔。
具体实施方式
实施例1
本发明这种石英晶片阵列传感检测系统，如图1所示，包括有PC机，arduino单片机，AD9954DDS信号源，A/D转换器、低通滤波器、石英晶片传感系统，信号调理电路和幅值相位检测器，以上组件依次通过线路互连，幅值相位检测器与arduino单片机通过线路互连。
石英晶片传感系统的组成如图2所示，包括孵化池1，检测池2和线天线3；孵化池1上设有进液口11和出液口12，出液口12上设有半封闭阀门121；出液口12与检测池2的进液口21通过管路4相连；线天线2放置在检测池2的下部。
所述的检测池2为方形的微流通池，微流通池包括上半部分和下半部分，上半部分的下表面上开设有直角Z字型的凹槽23，下半部分的上表面上也开设有与之相对应的凹槽23(两者的凹槽结构完全一致，如图3所示)，上半部分和下半部分合在一起，内部会形成一个直角Z字型的流通管道；上半部分和下半部分的4个边角位置通过4根螺杆24将两者固定在一起；进液口21即为直角Z字型的流通管道的入口，出液口22即为直角Z字型的流通管道的出口
下半部分底部结构示意图如图4所示，对应流通管道检测位置下方开设有方形凹槽25，用于放置外部磁铁，实现修饰后的无极石英晶片的固定；下半部分还开设有用于放置线天线的圆形孔腔26。
所述的孵化池1的半封闭阀门121在关闭和打开的状态如图5所示，半封闭阀门121在关闭状态是允许检测液流出，但是石英晶片5不能通过；打开时石英晶片可以流出；因而在检测时可将石英晶片5之间隔开，防止检测时晶片5之间相互影响。
低通滤波器与线天线3的激励线圈相连，线天线3的接收线圈与信号调理电路相连；线天线3长为5cm，直径为3mm。
PC机通过arduino单片机给DDS信号源写入程序以产生扫频信号，扫频信号经过A/D转换器、低通滤波器一路施加到线天线激励线圈上，由于修饰后的无极石英晶片在进行检测时，会产生质量变化，从而使得频率发生改变，产生一个新的晶振信号，信号会通过线天线接收线圈到达信号调理电路，通过信号调理电路将信号放大后，送入幅值相位检测器进行检测，并将检测到的信号输送至arduino单片机，单片机对信号进行处理后，输送至PC机，得到测试频率，测试频率减去未测试之前的频率，即可得到频率差，根据频率差计算标志物的含量。
实施例2
采用实施例1中的石英晶片阵列传感检测系统进行检测的方法，如下：
无极石英晶片的修饰：
将直径为5mm，厚度为0.05mm，基频为33.3MHz的双面有极两侧均溅射镀有280nm银层AT切型石英晶片(QCM)在聚四氟乙烯腔室中固定好，用含有氢氟酸，氟化铵和水的溶液反应氧化活化表面直至除去QCM表面的电极，清洗去表面的氧化剂，干燥，并用厚为0.5mm，外径为5mm，内径为3mm聚氨酯泡沫圈粘贴在边缘使其能浮在液面。用Piranha溶液(浓硫酸:双氧水＝3:1)浸泡30min，去除晶片表面的有机物，然后用超纯水进行清洗，接下来在超纯水中超声清洗30min，去除表面的无机物颗粒，最后用氮气将石英晶片吹干。
将准备好的QCM生物传感器用PBS和纯水洗涤，然后用N2轻轻吹干，然后将10μl目标检测物一抗(本实施例中具体目标检测的IgG)固定在活化的QCM晶片上，下孵育60分钟；接着将经过抗体修饰的QCM生物传感器在0.25wt％BSA中于37℃孵育60分钟，以消除非特异性结合作用并阻断剩余的活性基团，检测此时晶体的频率为f0，未使用时，将已固定抗体的免疫传感器在4℃下保存。将不同浓度的h-IgG目标检测物滴(具体浓度为0.2、0.4、0.6、0.8、1mg/mL)在固定有一抗的QCM上，使目标物与一抗结合，记录此时的频率为f1。
抗磁珠扩增液的制备
本实施例中使用直径为1μm羧基官能化的磁珠(纳米磁珠是以Fe3O4超顺磁性纳米颗粒为内核，外核为聚丙烯酸)表面的羧基为偶联官能团。
磁珠-EDC@NHS样品是使用碳二亚胺活化的共价偶联方法制备的：在室温下，将240ul的400mmol/L EDC和100mmol/L NHS的1：1混合物加入到1.2mL浓度为10mg/ml磁悬浮溶液中，随后在在室温下温和搅拌30min，然后将200ul100μg/ml的二抗溶液一滴一滴注入磁珠-EDC@NHS悬浮液中，然后孵育120分钟，再将结合物进行磁性分离，最后分散在1.0mL的0.01MPBS(pH＝7.4)中以备进一步使用。向分散液中加入50mMPBS-BSA缓冲液(PBS中的0.1％BSA，pH7.4)并温育5分钟以淬灭未反应的活化羧基，得到二抗-磁珠扩增液。
孵育
关闭检测池出液口，将二抗-磁珠扩增液以10μl/min的速率注射进样并持续几分钟，直到通道中充满溶液，然后将含有检测物和一抗修饰石英晶片按顺序排列在孵化池进行孵育，实现二抗-磁珠磁珠溶液的富集，得到石英晶片上会形成一抗+目标物+二抗磁珠的夹心模式。
检测
孵育完毕后，将永磁体放置在检测池的方形凹槽中，打开检测池的出液口，打开半封闭阀门，在扩增剂的流动下流出一个晶片后，关闭半封闭阀门，一抗+目标物+二抗磁珠的夹心模式晶片被固定在永久磁体上方，通过石英晶片阵列传感检测系统给线天线一个激励信号，检测有夹心模式的无极石英晶片信号，测出其频率f2；接着移开永磁体，将检测完的石英晶片通过检测液流出体系，然后按照上述步骤，检测下一个石英晶片；检测过程中需要一直通过注射泵以10μl/min的速率泵入扩增剂；持续性检测完所有的晶片。选择三阶泛音测量石英晶片微天平的频率，达到100MHz，以提高信号采集灵敏度；检测温度为37℃。
根据上述获得f0、f1和f2，通过Sauerbrey方程得到石英晶体表面的质量改变。
本实施例中先检测了检测0.2、0.4、0.6、0.8、1mg/ml的IgG得到标准曲线，回归方程为y＝111.5x+95.9，R2＝0.9909。IgG在0.2-1mg/ml范围内浓度与频率差有较好的线性范围。
然后测试了20μL 2mg/ml的IgG滴在固定有IgG一抗的QCM上进行免疫测定，测得响应频率变化值210Hz，3次测定相对偏差小于9％。，根据上述回归曲线计算得到质量差约为73ng。

Claims (8)

1.一种微流控石英晶片阵列传感检测系统的检测方法，所述微流控石英晶片阵列传感检测系统，包括有PC机，arduino单片机，DDS信号源，A/D转换器、低通滤波器、石英晶片传感系统，信号调理电路和幅值相位检测器，以上组件依次通过线路互连，幅值相位检测器与arduino单片机通过线路互连；
其中石英晶片传感系统包括有线天线和检测池，检测池通过外加磁场将修饰后的无极石英晶片固定于检测池的检测位置；线天线固定于检测池池底下； 低通滤波器与线天线的激励线圈相连，线天线的接收线圈与信号调理电路相连；
PC机通过arduino单片机给DDS信号源写入程序以产生扫频信号，扫频信号经过A/D转换器、低通滤波器一路施加到线天线激励线圈上，由于修饰后的无极石英晶片在进行检测时，会产生质量变化，从而使得频率发生改变，产生一个新的晶振信号，信号会通过线天线接收线圈到达信号调理电路，通过信号调理电路将信号放大后，送入幅值相位检测器进行检测，并将检测到的信号输送至arduino单片机，单片机对信号进行处理后，输送至PC机，得到测试频率，测试频率减去未测试之前的频率，即得到频率差，根据频率差计算标志物的含量；
所述石英晶片传感系统还包括孵化池，孵化池和检测池都有进液口和出液口，孵化池的出液口设有半封闭阀门；孵化池出液口与检测池的进液口通过管路互连；
所述检测方法，包括以下步骤：
1）无极石英晶片的修饰：在无极石英晶片的非有效面贴上聚氨酯泡沫圈增加浮力，接着将一抗固定在有效面上，测得其频率f0，接着分别将不同浓度的目标检测物滴加多个固定有一抗的石英晶片的有效面上，分别测得其频率f1;
2)制备二抗-磁珠扩增剂：在室温下，将EDC 1-乙基-3-（3-二甲基氨基丙基）碳二亚胺和NHS N-羟基硫代琥珀酰亚胺加入到磁珠悬浮溶液中，进行搅拌反应，滴加二抗溶液，进行孵育，磁性分离后，将其分散在PBS中，得到二抗-磁珠-EDC@NHS悬浮液，向其中加入PBS-BSA缓冲液 ，温育，得到二抗磁珠扩增剂；
3）孵育：关闭检测池出液口，通过注射泵从孵化池进液口注入步骤2）中二抗磁珠扩增剂，然后将步骤1）中，含有检测物和一抗修饰石英晶片按顺序排列在孵化池进行孵育；
4）检测：孵育完毕后，将永磁体放置在检测池的方形凹槽中，打开检测池的出液口，打开半封闭阀门，在扩增剂的流动下流出一个晶片后，关闭半封闭阀门，晶片被固定在永久磁体上方，通过石英晶片阵列传感检测系统给线天线一个激励信号，检测修饰好的无极石英晶片信号，测出其频率f2；接着移开永磁体，将检测完的石英晶片通过检测液流出体系，然后按照上述步骤，检测下一个石英晶片；检测过程中需要一直通过注射泵，泵入扩增剂；
5）根据Sauerbrey方程我们得知
Figure QLYQS_1
，然后根据公式计算出/>
Figure QLYQS_2
的值。
2.根据权利要求1所述的微流控石英晶片阵列传感检测系统的检测方法，其特征在于，所述的DDS信号源为AD9954DDS信号源，石英晶片为33.3MHz的AT切型无极QCM；所述的线天线长为5cm，直径为3mm。
3.根据权利要求1所述的微流控石英晶片阵列传感检测系统的检测方法，其特征在于，所述的半封闭阀门在关闭状态是允许检测液流出，但是石英晶片不能通过。
4.根据权利要求1所述的微流控石英晶片阵列传感检测系统的检测方法，其特征在于，所述的检测池为方形的微流通池，微流通池包括上半部分和下半部分，上半部分的下表面上开设有直角Z字型的凹槽，下半部分的上表面上也开设有与之相对应的凹槽，上半部分和下半部分通过螺杆合并固定后，内部会形成一个直角Z字型的流通管道；下半部分底部对应流通管道下面开设有方形凹槽，用于放置外部磁铁，实现修饰后的无极石英晶片的固定；下半部分还开设有用于放置线天线的圆形孔腔。
5.根据权利要求1所述的微流控石英晶片阵列传感检测系统的检测方法，其特征在于，所述步骤1）中，一抗根据目标检测物进行设计。
6.根据权利要求1所述的微流控石英晶片阵列传感检测系统的检测方法，其特征在于，所述步骤2）中，磁珠悬浮溶液中的磁珠为1μm羧基官能化的磁珠，磁珠是以Fe3O4超顺磁性纳米颗粒为内核，外核为聚丙烯酸；二抗根据一抗进行设计。
7.根据权利要求1所述的微流控石英晶片阵列传感检测系统的检测方法，其特征在于，所述步骤3）中，孵育的时间为30min。
8.根据权利要求1所述的微流控石英晶片阵列传感检测系统的检测方法，其特征在于，所述步骤4）中，在检测系统给予基频的测量基础上，选择三阶泛音测量石英晶片微天平的频率，达到100MHz，以提高信号采集灵敏度；检测温度为37℃。
CN202010705212.5A 2020-07-21 2020-07-21 一种微流控石英晶片阵列传感检测系统及其检测方法 Active CN111812319B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010705212.5A CN111812319B (zh) 2020-07-21 2020-07-21 一种微流控石英晶片阵列传感检测系统及其检测方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010705212.5A CN111812319B (zh) 2020-07-21 2020-07-21 一种微流控石英晶片阵列传感检测系统及其检测方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111812319A CN111812319A (zh) 2020-10-23
CN111812319B true CN111812319B (zh) 2023-07-11

Family

ID=72861098

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010705212.5A Active CN111812319B (zh) 2020-07-21 2020-07-21 一种微流控石英晶片阵列传感检测系统及其检测方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111812319B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113009123B (zh) * 2021-03-05 2022-10-14 中南大学 一种微型压电石英传感血凝监测系统
CN112885733B (zh) * 2021-03-12 2023-09-05 中南大学 利用高频无极石英晶体传感器监测刻蚀二氧化硅的系统
CN115276565B (zh) * 2022-09-29 2023-04-18 成都世源频控技术股份有限公司 一种高稳定度表贴石英晶体振荡器

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1180251C (zh) * 2002-04-28 2004-12-15 武汉大学 双重放大技术电化学石英晶体微天平检测超痕量dna的方法
CN103115944B (zh) * 2013-01-22 2014-10-29 桂林电子科技大学 谐振式地沟油检测方法
CN105043922A (zh) * 2015-07-24 2015-11-11 南京理工大学 一种石英晶体微天平双参数检测装置及方法
CN105842100B (zh) * 2016-03-15 2019-02-01 浙江大学 一种电磁激励的无线qcm-d传感器检测系统
CN106065391A (zh) * 2016-07-20 2016-11-02 国家纳米科学中心 用于单细胞分选和单细胞全基因组扩增的微流控芯片

Also Published As

Publication number Publication date
CN111812319A (zh) 2020-10-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111812319B (zh) 一种微流控石英晶片阵列传感检测系统及其检测方法
US7993854B2 (en) Detection and quantification of biomarkers via a piezoelectric cantilever sensor
Holford et al. Recent trends in antibody based sensors
Moina et al. Fundamentals and applications of immunosensors
Bunde et al. Piezoelectric quartz crystal biosensors
US9315855B2 (en) Systems and methods for detection and quantitation of analytes using an oscillating stimulus
Ogi Wireless-electrodeless quartz-crystal-microbalance biosensors for studying interactions among biomolecules: A review
Wong et al. Immunosensor for the differentiation and detection of Salmonella species based on a quartz crystal microbalance
Zhang et al. A novel piezoelectric quartz micro-array immunosensor based on self-assembled monolayer for determination of human chorionic gonadotropin
O'sullivan et al. Piezoelectric immunosensors-theory and applications
US7892759B2 (en) Enhanced sensitivity of a cantilever sensor via specific bindings
Lim et al. Introduction to immunosensors
WO2019192125A1 (zh) 一种基于声表面波模式的生物传感器及其检测方法
CN111398137B (zh) 一种基于电阻微米孔颗粒计数器的检测方法及其应用
Liu et al. A microfabricated thickness shear mode electroacoustic resonator for the label-free detection of cardiac troponin in serum
Zeng et al. Development of quartz-crystal-microbalance-based immunosensor array for clinical immunophenotyping of acute leukemias
Zhang et al. An electrode-separated piezoelectric immunosensor array with signal enhancement based on enzyme catalytic deposition of palladium nanoparticles and electroless deposition nickel-phosphorus
Gan et al. A Novel Signal‐Amplified Immunoassay for the Detection of C‐Reactive Protein Using HRP‐Doped Magnetic Nanoparticles as Labels with the Electrochemical Quartz Crystal Microbalance as a Detector
Larsson et al. Magnetic transducers in biosensors and bioassays
Gheorghiu Detection of pathogenic bacteria by magneto-immunoassays: A review
Yang et al. A new label-free strategy for a highly efficient chemiluminescence immunoassay
US20170370882A1 (en) Detection of viable pathogens in analyte using culture chamber with magnetostrictive sensors
Chen et al. Dynamic magnetic excitation detection method for low-concentration superparamagnetic particles via quartz crystal microbalance
US10094897B2 (en) Nuclear magnetic resonance apparatus and methods
Grammoustianou et al. Acoustic Wave–Based Immunoassays

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant