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、靈敏度高等諸多優點而廣泛應用于環境檢測、食品安全檢查、生物醫藥等領域[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下進行測試的qcm系統，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。測試系統的設計

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

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工作在發射極放大電路狀態，在電路調試中，可以直接調節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需要根據晶體的頻率大小做出相應的改變。

2.頻率計數、顯示和存儲設計系統是由定時計數原理來完成頻率測量。其中40mhz高精度快速恒溫晶振p400作為計數定時器,altra 公司的cpld---epm7256作為核心的計數和 顯示控制，epm7256具有5000個可用門，256個宏單元，zui高工作頻率可以達到 90mhz。p400開機穩定度±0.1ppm，年老化程度小于±0.5ppm，是一種穩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：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，另一個則是對輸入目標頻率計數;

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

(3) 數據讀取：內部有一個373數據鎖存和譯碼電路，定時時間到后，目標計數停止，并且向cpu發出中斷，cpu利用中斷服務程序來分三次讀取頻率計數值，同時存儲數據。

8位數碼管刷新間隔在毫秒級，可以zui大顯示10mhz，直接由epm7256引腳驅動。數據向上位機發送后，可以用來計算處理，ram容量為32k，一次連續測試時間可以達到2個小時。

3.系統測試精度

系統整體結構簡單，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*狀態，入水時晶體頻率馬上變化為8.97001mhz，兩分鐘之后頻率繼續減小為 8 .969642mhz，8 分鐘后晶體頻率穩定在8.969590mhz左右，偏移±1hz。系統測試精度可以滿足專門的研究用途。

五.系統應用前景

這套微石英晶體天平測試系統主要用于腫瘤早期診斷。在此測試系統基礎上，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，也為腫瘤的治療提供更多的機會。微石英天平系統和頻率計數系統有很多產品，但是沒有針對晶體在液體中振蕩的應用產品，所以開發這樣的系統有很重要的意義。如果腫瘤標志物提取過程工業化以后，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。◆

參考文獻：

[1] park is lin n. thiolatedsalmonella antibody immobilization ontothe gold surface of piezoelectric quartzcrystal biosens bioelectron,1998;13(1):1091.

[2] 楚霞，林朝暉，沈國勵等 石英微天平用于免疫球蛋白m免疫反應的動力學研究 高等學校化學學報 1996;(17):1025.

[3] shij koike takuya fujiedanoboru wakabayashi shunichi higuchi.electrochemical and quartzmicrobalance techinique studies of anodematerial for secondary batteries.journal of power source 1997(68):480.

[4]張德印石英晶體振蕩器邢臺示范高專學報2002;2(17)：45-47.

[5] sauerbry g，verwendung vonschwingquarzen zur wagung dunnerschichen and zur mikrowagung.zeitschriftfor physik,1959,(155):206.

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

[7] guilbant g.g in lu c czandernaa w application of piezoelectricquartz crysatl .microbalance,amsterdam;elsevier, 1984;221.

[8] 姚守拙. 壓電生物傳感器 生命科學研究 1998, 2(1).

[9] konash p l bastinanns g janal chem 1980(,52)：1929.

[10] nomura t anal chim acta1981;124:81.

[11] jorg aug,peter hauptman ,jenshartmann new design for qcm sensorsin liquids sensors and actuators 1995;b 24-25:43.

[12] 孫振東，趙玉春，范世福等. 新型石英晶體粘度儀的研制[j].儀器儀表學報, 2000;(3):270

[13] chao zhang，guanping feng，zhixian gao，development of a new kind ofdua modulated qcm biosensors biosensorsand bioelectrics 1997;(12):1219.

[14] burr-brown user manualopa660-wide bandwidth operationaltransconductance amplifier and bufferburr-brown corporation 1990.