CN202110164U - 串联声表面波压电传感器液相检测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了串联声表面波压电传感器液相检测装置，包括双路差分电路，一路由声表面波谐振器一、振荡电路一、串联叉指金电极组成反馈回路，声表面波谐振器一、振荡电路一、串联叉指金电极依次相联，串联叉指金电极再与声表面波谐振器一相联，用于检测待测内毒素溶液；另一路由声表面波谐振器二、振荡电路二组成，声表面波谐振器二与振荡电路二相联，用于环境噪声的补偿；振荡电路一、串联叉指金电极、振荡电路二、声表面波谐振器二都与混频器相联，两电路输出振荡信号经过混频器进行差分，后输入频率检测电路。本实用新型液相检测装置摆脱了液体工作环境，无需固定敏感层；检测精度高，稳定性好。
Description
技术领域
本实用新型属于液相检测装置技术领域，特别涉及一种串联声表面波压电传感器液相检测装置。
背景技术
内毒素是细菌等微生物最直接的致病毒性物质，内毒素的主要成分是脂多糖类的复合物，主要来自革兰阴性细菌的细胞壁，不仅死亡的细菌溶解后能释放出来，细菌在生长过程中也能释放内毒素。临床常见的一些疾病如感染性休克、败血症、多器官功能性衰竭等都与内毒素密切相关。内毒素含量的升高，可引起全身性的致热反应、白细胞反应、致死性感染休克、弥散性血管内凝血多器官功能衰竭等诸多不良反应，使许多患者的病情恶化甚至死亡。
目前，被世界各国纳入国家药典的细菌内毒素的检测方法均是基于鲎试剂的凝胶法，该法也被美国食品药品监督管理局认证。不论是定性的凝胶限量法，半定量的显色基质法，还是定量的浊度法，无一例外地是利用鲎试剂与细菌内毒素产生凝集反应的机理进行的。该方法是基于鲎的变形细胞溶解物对脂多糖类极其敏感，极少量的变形细胞溶解物能与之作用产生凝胶反应，根据凝胶形成时间或凝胶形成时发生的吸光度及状态的变化来测定内毒素的浓度。其检测灵敏度与鲎试剂标准品的灵敏度和检测设备的精度有关。目前常用的鲎试剂标准品能提供的灵敏度范围为0.03～0.5EU/mL。但由于鲎资源非常有限，价格昂贵，且该凝胶形成需要在恒温37℃下反应60±2分钟才能完成，即使是目前已公开的美国新研制的快速动态浊度检测法，时间缩短为30分钟，但仍需在水浴中进行实验。因此，其存在检测成本高、耗时长、操作复杂、受人为因素影响大、自动化程度低、最低检测限偏高等缺陷，难以实现在线快速检测。
声表面波技术是上世纪六十年代末期发展起来的一门新兴科学技术，它是声学、电子学、光学、压电材料和半导体平面工艺相结合的一门交叉学科。自声表面波压电传感器应用于液相传感以来，液相声表面波压电传感器响应的广谱性为多种模式的应用提供了便利，但是液相声表面波压电传感器的频率稳定性也因溶液的损耗而不及气相声表面波压电传感器。如果单纯以声表面波压电传感器测定溶液电导率的变化，声表面波压电传感器双面浸入电解质溶液中，这种方法有两点不足：一是晶体双面触液，表面声波的介质损耗很大，损害了石英晶体振荡频率的稳定性；二是溶液的旁路(测定原理所必需)会导致晶体在稍高浓度电解质溶液中停止振荡。
自1999年Chang等利用压电晶体传感器研究脂多糖类的结合反应并得出结论：能结合脂多糖类的物质有以下几种：脂多糖结合蛋白、CD14抗原、多粘菌素、鲎抗脂多糖类因子、杀菌性/通透性增加蛋白等，其中，多粘菌素特异性最好，与内毒素的结合能力最强。国内外许多研究者就此展开试验，证实了多粘菌素与脂多糖类结合的可行性，由此推出的基于多粘菌素的生物传感器检测内毒素的方法迅速展开。
实用新型内容
本实用新型旨在提供一种串联声表面波压电传感器液相检测装置。本实用新型串联声表面波压电传感器液相检测装置具有检测精度高、稳定性好等优点。
本实用新型采取以下技术方案：串联声表面波压电传感器液相检测装置，包括双路差分电路，一路由声表面波谐振器一、振荡电路一、串联叉指金电极组成反馈回路，声表面波谐振器一、振荡电路一、串联叉指金电极依次相联，串联叉指金电极再与声表面波谐振器一相联，用于检测待测内毒素溶液；另一路由声表面波谐振器二、振荡电路二组成，声表面波谐振器二与振荡电路二相联，用于环境噪声的补偿；振荡电路一、串联叉指金电极、振荡电路二、声表面波谐振器二都与混频器相联，前述两电路输出振荡信号经过混频器进行差分，最后输入频率检测电路。
优选的，振荡电路包括SAW2Header3、电阻R1、R3、电容C1、C2、C5、C7、电感L1、L3、三极管Q1、Q3，SAW2Header3的3脚接地，1脚与2脚间串接电阻R1，1脚接三极管Q1的基极，三极管Q1的发射极分两路接三极管Q3的集电极、电容C7，电容C7的另一端接SAW2Header3的2脚；三极管Q3的基极与VCC间串接电阻R3，三极管Q3的发射极接地；三极管Q1的集电极分两路接电容C5、电感L3，电感L3的另一端接SAW2Header3的2脚，SAW2Header3的2脚还接电感L1，电感L1的另一端接VCC，VCC与接地间并联电容C1、C2。
本实用新型还公开了一种串联声表面波压电传感器液相检测装置的制造方法，其按如下步骤：A)设定声表面波谐振器参数，制作声表面波谐振器；
B)选取叉指金电极并进行预处理；
C)对预处理后的叉指金电极表面进行多粘菌素的固定化；
D)设计双路差分电路，一路由步骤A)制得的声表面波谐振器一、振荡电路一、步骤C)制得的串联叉指金电极组成反馈回路，声表面波谐振器一、振荡电路一、串联叉指金电极依次相联，串联叉指金电极再与声表面波谐振器一相联，用于检测待测内毒素溶液；另一路由步骤A)制得的声表面波谐振器二、振荡电路二组成，声表面波谐振器二与振荡电路二相联，用于环境噪声的补偿；振荡电路一、串联叉指金电极、振荡电路二、声表面波谐振器二都与混频器相联，前述两电路输出振荡信号经过混频器进行差分，最后输入频率检测电路，根据频移量测定待测物浓度。
优选的，步骤A)中：设定声表面波谐振器的插指宽度、插指间隙、声孔径、插指对数、反射栅宽度、间隙、左右条数、传输距离的参数，以前述参数制成光刻掩膜板；采用电子束溅射在铌酸锂基底上沉积金膜，后采用精密光刻加工出叉指电极和反射栅图形，且将引线引出。
优选的，步骤B)中：选定叉指金电极，浸泡于piranha溶液中，用无水乙醇洗净后再经超声振荡，之后采用氮气吹干。
与现有技术相比，本实用新型串联声表面波压电传感器液相检测装置的优点：1)将声表面波压电传感器与叉指金电极串联，使声表面波压电传感器摆脱了液体工作环境，且无需固定敏感层；2)参比通道与传感通道的双路系统结构设计及差分电路的处理，能够克服背景噪声、温度、环境等因素的影响，提高了系统的检测精度和稳定性。
附图说明
图1为串联声表面波压电传感器液相检测装置的结构示意图。
图1中：1是声表面波谐振器，2是振荡电路，3是叉指金电极，4是待测内毒素溶液，5是混频器，6是频率检测电路。
图2为叉指金电极的俯视结构图。
图2中：2a为叉指对数，2b为叉指长度，2c为叉指宽度，2d为叉指间距。
图3为串联声表面波压电传感器测试内毒素的浓度-频率曲线图。
图4为振荡电路原理图。
图4中：SAW2Header3为433MHz石英晶振。
图5为混频电路原理图。
图5中：Res2为0～50K的可调电阻，M1MC1496为混频集成芯片
图6为频率检测电路原理图。
图6中：Res1为0～50K的可调电阻，U1MAX998为比较器，U274LS393为分频器。
具体实施方法
下面结合附图对本实用新型的实施例作详细说明。
本实用新型串联声表面波压电传感器液相检测装置，包括双路差分电路，如图1-6所示，一个通道的传感器由声表面波谐振器一1、振荡电路一2、串联叉指金电极一3组成反馈回路，声表面波谐振器一1、振荡电路一2、串联叉指金电极一3依次相联，串联叉指金电极一3再与声表面波谐振器一1相联，用于检测待测内毒素溶液4；另一个通道由一个声表面波谐振器二1、振荡电路二2组成，声表面波谐振器二1与振荡电路二2相联，用于环境噪声的补偿。振荡电路一、串联叉指金电极、振荡电路二、声表面波谐振器二都与混频器5相联，两路输出振荡信号经过混频器5进行差分，去除环境噪声的影响，最后输入到频率检测电路6中，根据频移量测定待测物浓度。
振荡电路详见图4，其包括SAW2Header3、电阻R1、R3、电容C1、C2、C5、C7、电感L1、L3、三极管Q1、Q3，SAW2Header3的3脚接地，1脚与2脚间串接电阻R1，1脚接三极管Q1的基极，三极管Q1的发射极分两路接三极管Q3的集电极、电容C7，电容C7的另一端接SAW2Header3的2脚。三极管Q3的基极与VCC间串接电阻R3，三极管Q3的发射极接地。三极管Q1的集电极分两路接电容C5、电感L3，电感L3的另一端接SAW2Header3的2脚，SAW2Header3的2脚还接电感L1，电感L1的另一端接VCC，VCC与接地间并联电容C1、C2。
混频电路详见图5，其包括M1，M1的5脚通过电阻R18接地，4脚通过电阻R17接地，4脚还接入Res2的3脚，Res2的2脚接入M1的14脚，Res2的1脚通过电阻R15接入M1的1脚。M1的14脚与接地间并联电容C20、C21、C22。M1的10脚接电容C18，10脚与8脚间接电容R9，8脚分两路通过电容C11、电阻R5接地，8脚还串接电阻R6、电容C12后接地。M1的2脚与3脚间接电阻R7，12脚与8脚间接电感L5，6脚接电感L6，L6的另一端与接地间并联电容C13、C14、C15；6脚接电容C19，C19的另一端分两路接电容C23、电感L7，C23的另一端接地，L7的另一端通过电容C24接地。
频率检测电路详见图6，其包括U1、U2，U1的2脚接地，4脚接入Res1的2脚，Res1的3脚接VCC，1脚接地，U1的5脚、6脚接VCC，VCC与接地间并联电容C9、C10，U1的1脚接U2的1脚。U2的2脚与7脚相联且接地，U2的3、4、5、6脚分别接S1的8、7、6、5脚，U2的8、9、10、11、12、13脚接地，14脚接VCC，VCC与接地间并联电容C16、C17。
本实用新型还公开了一种串联声表面波压电传感器液相检测装置的制造方法，按如下步骤进行：
A)以铌酸锂为压电晶体基底材料，制作声表面波谐振器：设定声表面波谐振器插指宽度为2.3μm，插指间隙2.3μm，声孔径为780μm，插指对数为80对，反射栅宽度为2.3μm，间隙为2.3μm，左右条数各为160条，传输距离为784.5μm，以此参数制成光刻掩膜板；采用电子束溅射在铌酸锂基底材料上沉积厚度为150nm金膜，采用精密光刻加工出叉指电极和反射栅图形，且将引线引出，湿敏膜成膜区域为1mm×1mm；
B)选定叉指对数2a为20对叉指的金电极作为传感器电极，叉指长度2b为1.5mm，叉指宽度2c和叉指间距2d皆为40μm，在piranha溶液(浓硫酸和双氧水体积比为7∶3配置)中浸泡10分钟，用无水乙醇洗净后再经超声振荡10分钟，之后用氮气吹干备用；
C)将预处理后叉指金电极作为工作电极，Ag/Agcl和铂丝分别作为参比电极和对电极，5mM的Fe(CN)6 3-/4-作为氧化还原对，分别在50mM的2-(N-吗啉)乙磺酸(EMS)和1M的高氯酸中进行CV扫描，得到稳定的扫描曲线后进行烘干处理；其次，将工作电极放入100mM的4，4’-二硫代二丁酸(DTBA)中进行自组装；然后，将引入了-COOH的电极浸入到0.6mL的50mM 2-(N-吗啉)乙磺酸(EMS)/23.2mM 1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺(EDC)/9.3mM N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)混合溶液中进行键合反应；最后，将电极放入多粘菌素/2-(N-吗啉)乙磺酸(EMS)溶液中进行多粘菌素的固定化；
D)设计双路差分电路，如图1所示，一个通道的传感器由声表面波谐振器一1(步骤A制得)、振荡电路一2、串联叉指金电极一3(步骤C制得)组成反馈回路，声表面波谐振器一1、振荡电路一2、串联叉指金电极一3依次相联，串联叉指金电极一3再与声表面波谐振器一1相联，用于检测待测内毒素溶液4；另一个通道由一个声表面波谐振器二1(步骤A制得)、振荡电路二2组成，声表面波谐振器二1与振荡电路二2相联，用于环境噪声的补偿。振荡电路一、串联叉指金电极、振荡电路二、声表面波谐振器二都与混频器5相联，两路输出振荡信号经过混频器5进行差分，去除环境噪声的影响，最后输入到频率检测电路6中，根据频移量测定待测物浓度。
振荡电路参见图4，混频电路参见图5，频率检测电路参见图6。
本实用新型串联声表面波压电传感器液相检测装置，其谐振频率将随待测溶液的内毒素浓度变化而变化，测试得到的浓度-频率曲线如图3所示。
当然，本领域的普通技术人员应该认识，上述只是对本实用新型优选实施例的解释说明，而并非对本实用新型的限定，凡是在本实用新型的实质范围内，对以上实施例的变化、变型都将落入本实用新型的保护范围之内。
Claims (2)
1.串联声表面波压电传感器液相检测装置，其特征是包括双路差分电路，一路由声表面波谐振器一、振荡电路一、串联叉指金电极组成反馈回路，声表面波谐振器一、振荡电路一、串联叉指金电极依次相联，串联叉指金电极再与声表面波谐振器一相联，用于检测待测内毒素溶液；另一路由声表面波谐振器二、振荡电路二组成，声表面波谐振器二与振荡电路二相联，用于环境噪声的补偿；振荡电路一、串联叉指金电极、振荡电路二、声表面波谐振器二都与混频器相联，前述两电路输出振荡信号经过混频器进行差分，最后输入频率检测电路。
2.如权利要求1所述的串联声表面波压电传感器液相检测装置，其特征是：所述的振荡电路包括433MHz石英晶振SAW2 Header3、电阻R1、R3、电容C1、C2、C5、C7、电感L1、L3、三极管Q1、Q3，433MHz石英晶振SAW2 Header3的3脚接地，1脚与2脚间串接电阻R1，1脚接三极管Q1的基极，三极管Q1的发射极分两路接三极管Q3的集电极、电容C7，电容C7的另一端接433MHz石英晶振SAW2 Header3的2脚；三极管Q3的基极与VCC间串接电阻R3，三极管Q3的发射极接地；三极管Q1的集电极分两路接电容C5、电感L3，电感L3的另一端接433MHz石英晶振SAW2 Header3的2脚，433MHz石英晶振SAW2 Header3的2脚还接电感L1，电感L1的另一端接VCC，VCC与接地间并联电容C1、C2。
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