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
互补靶DNA（complementary target DNA A）；样品基质：HEPES/NaCl 缓冲液溶液
检测原理
该传感器基于压电石英晶体微天平（QCM）质量传感原理。AT 切石英晶体在 Miller 振荡器驱动下以约 50 MHz 厚度剪切模式振动，金表面通过硫-金相互作用固定 20 碱基二硫键 DNA 探针 A。当溶液中的互补靶 DNA A 流过表面时，与探针发生特异性杂交，双链 DNA 质量负载到晶体表面；非互补 DNA B 不杂交，不引起明显质量变化。根据 Sauerbrey 关系，表面吸附质量增加使石英谐振频率下降，频率变化量与吸附质量近似成正比，因此靶 DNA 浓度越高，杂交质量越大，频率偏移越大。振荡器电路将质量变化转换为输出频率变化，频率计记录 Δf，从而实现液相 DNA 序列检测。
检测灵敏度
LOD/最低可检测浓度: 50 ng/mL（原文：DNA target concentrations higher of 50 ng/mL can be detected）；质量分辨率: 7.1 ng/cm2（dynamic conditions）；静态检测极限: 2 Hz；静态质量分辨率: 357 ng/cm2；动态检测极限: 40 Hz。
效应效果
该传感器在液相中表现出良好选择性与灵敏度。循环 20 μg/mL 非互补 DNA B 时未观察到明显频率变化，说明非特异性吸附低；循环 20 μg/mL 互补靶 DNA A 时频率变化为 −1676 Hz，明显高于此前 27 MHz QCM 系统的 −55 Hz。频率噪声分析显示静态条件下检测极限为 2 Hz，对应质量分辨率约 357 ng/cm2；动态液体流动条件下检测极限为 40 Hz，质量分辨率 7.1 ng/cm2，优于 27 MHz 系统的 13.1 ng/cm2。实验采用恒温控制，并在相同 HEPES 缓冲液中进行检测以抵消缓冲液变化影响；探针可用 NaOH 溶液去杂交后再次杂交，表明传感器具有一定可重复使用性。作者认为该 50 MHz QCM 振荡器适合液相 DNA 序列检测。
传感器的构成
- 换能器基底：AT 切石英晶体（AT-cut quartz disc），利用压电效应将表面质量变化转换为频率变化。
- 电极层：石英两侧圆形电极，传感面为金覆盖石英表面（gold-covered quartz surface），用于固定 DNA 探针并提供电学接触。
- 识别元件：20 碱基二硫键 DNA 探针 A（DNA-disulfide probe A），通过硫-金相互作用固定于金表面，选择性结合互补靶 DNA。
- 样品池/流路：有机玻璃实验池（plexiglass cell）与 O 形圈密封，微泵提供 50 μL/min 液体流动，使缓冲液和 DNA 溶液接触晶体表面。
- 电子振荡器电路：Miller 拓扑 50 MHz 振荡器，采用 Burr-Brown OTA660 跨导放大器（OTA）和 PCB，驱动石英并输出频率信号。
- 频率读出与温控：Fluke PM6685 频率计、自制软件、WATLOW 温控器/温度传感器，用于记录频率并稳定电路与样品温度。
中文摘要
本文报道了一种基于 50 MHz 石英晶体微天平（QCM）电子振荡器电路的高灵敏度 DNA 序列检测生物传感器的设计与实验研究。该振荡器采用 Miller 拓扑结构，能够在液体阻尼介质中维持 Barkhausen 振荡条件，从而适用于液相环境下的质量传感。作者对振荡器进行了频率噪声与稳定性校准，利用 Allan 偏差确定其检测极限，并依据 Sauerbrey 关系换算质量分辨率；在动态液体流动条件下，系统质量分辨率达到 7.1 ng/cm2。随后将金表面 QCM 用作 DNA 传感器，通过二硫键将 20 碱基 DNA 探针固定于金电极表面，并在 HEPES 缓冲液中监测互补靶 DNA 杂交引起的频率变化。结果表明，该传感器能够高选择性地识别互补 DNA 序列，非互补 DNA 不引起明显频率变化；在溶液样品中可检测浓度高于 50 ng/mL 的靶 DNA。该工作展示了高频 QCM 振荡器在液相 DNA 检测中的高灵敏度与选择性应用潜力。
英文摘要
This work deals with the design of a high sensitivity DNA sequence detector using a 50 MHz quartz crystal microbalance (QCM) electronic oscillator circuit. The oscillator circuitry is based on Miller topology, which is able to work in damping media. Calibration and experimental study of frequency noise are carried out, finding that the designed sensor has a resolution of 7.1 ng/cm(2) in dynamic conditions (with circulation of liquid). Then the oscillator is proved as DNA biosensor. Results show that the system is able to detect the presence of complementary target DNAs in a solution with high selectivity and sensitivity. DNA target concentrations higher of 50 ng/mL can be detected.