组成图示
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传感器类型
压电(QCM)生物传感器
检测对象
人免疫球蛋白G（human immunoglobulin G, hIgG），样品基质为磷酸盐缓冲液（PBS）
检测原理
该传感器基于石英晶体微天平（QCM）的无标记质量传感原理。金黄色葡萄球菌蛋白A（SPA）非特异性吸附在裸AT切石英片双表面，作为识别元件；当磷酸盐缓冲液（PBS）中的人免疫球蛋白G（hIgG）流经传感器池时，hIgG与SPA结合，使谐振器有效质量增加，共振频率下降。频率变化与吸附质量满足Sauerbrey关系，且正比于基频平方，因此170 MHz高基频显著提高灵敏度。线天线非接触激发和检测石英剪切振动，相位敏感检测器通过共振峰及相位-频率线性关系读出频率变化。结合过程按拟一级动力学处理，指数系数R=kaCA+kd，可进一步获得亲和力。高频下黏度效应对频率的影响相对质量负载较小，有利于定量分析；理论模型还指出，若结合位点局部共振频率低于QCM频率约一个数量级，吸附蛋白无法跟随振动，测量将失效。
检测灵敏度
LOD: 0.5 pM；质量灵敏度: 15 pg/(cm2 Hz)；CQ: 7.58 pg/(cm2 Hz)；浓度测试范围: 0.5 pM–50 nM；|R| = 0.9999
效应效果
170 MHz无电极QCM的频率变化比5 MHz QCM高约3个数量级；注入50 nM hIgG时，5、55和170 MHz器件的频率变化分别为62、7450和61000 Hz，Δf与f1^2线性相关（|R|=0.9999）。基线波动约1×10^-7（约15 Hz，1 h），5000次平均后降至5 Hz，单点时间增至10 s。因SPA非特异性吸附，0.5 pM hIgG三次独立曲线不完全一致，重现性有限，但仍可检测。拟一级动力学得到SPA-hIgG平均亲和力1.7×10^-8 M，与放射标记法一致；低浓度KD约1.7×10^-11 M，预测平衡频率变化约2 kHz，与观测>1 kHz相符。无电极设计避免金电极质量负载，200 nm金电极使170和55 MHz频率变化分别降低45%和18%。芯片可强酸清洗半永久使用。
传感器的构成
- 基底/换能器：9.7 µm厚无电极AT切石英片（AT-cut quartz plate），直径2 mm，双表面暴露，作为剪切振动换能器
- 识别元件：金黄色葡萄球菌蛋白A（SPA）非特异性吸附于石英片双表面，作为hIgG受体
- 传感器池：自制流动池，硅橡胶垫圈（silicon rubber gaskets）夹持石英边缘，聚四氟乙烯（Teflon）块容纳天线
- 激发天线：线天线（line wire/line antenna）嵌入底部Teflon块，非接触激发石英剪切振动
- 检测天线：线天线嵌入顶部Teflon块，接收石英振动信号
- 信号读出：超外差相位敏感检测器（RITEC SNAP 1-200 MHz），通过共振峰与相位-频率关系读取共振频率变化
中文摘要
本文开发了一种基频为170 MHz的高灵敏度石英晶体微天平（QCM）生物传感器。将一片厚9.7 µm的无电极AT切石英片置于传感器池中，利用线天线非接触激发其剪切振动，并由另一线天线接收振动信号，从而实现对共振频率的非接触测量。该170 MHz QCM生物传感器的质量灵敏度为15 pg/(cm2 Hz)，比常规5 MHz QCM高约3个数量级。作者通过金黄色葡萄球菌蛋白A（SPA）非特异性吸附在石英片双表面，检测人免疫球蛋白G（hIgG），验证了其高灵敏度，检出限为0.5 pM。随后，作者采用连续介质力学模型，将石英片与通过弹性弹簧连接点质量的结合位点相结合，理论讨论了高频QCM测量的限制。结果表明，当QCM工作频率比结合位点局部共振频率高约一个数量级时，QCM测量将失效。
英文摘要
We develop a highly sensitive quartz crystal microbalance (QCM) biosensor with a fundamental resonance frequency of 170 MHz. A naked AT-cut quartz plate of 9.7 microm thick is set in a sensor cell. Its shear vibration is excited by the line wire, and the vibration signals are detected by the other line wire, achieving the noncontacting measurement of the resonance frequency. The mass sensitivity of the 170 MHz QCM biosensor is 15 pg/(cm2 Hz), which is better than that of a conventional 5 MHz QCM by 3 orders of magnitude. Its high sensitivity is confirmed by detecting human immunoglobulin G (hIgG) via Staphylococcus protein A immobilized nonspecifically on both surfaces of the quartz plate. The detection limit is 0.5 pM. Limitation of the high-frequency QCM measurement is then theoretically discussed with a continuum mechanics model for a plate with point masses connected by elastic springs. The result indicates that a QCM measurement will break down at frequencies one-order-of-magnitude higher than the local resonance frequency at specific binding cites.