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磁弹性无线微生物传感器研究

【摘要】: 本论文研究了基于无线磁传感技术的磁弹性无线微生物传感器的理论及应用技术。无线磁传感技术是基于磁致伸缩原理设计,传感器由非晶态磁性材料和激励/检测线圈组成。在外加交变磁场中,磁性膜片受磁场激发产生磁矩,将磁能转换为机械能,并产生沿长度方向的伸缩振动,即磁致伸缩。当交变磁场的频率与磁性膜片机械振动频率相等时,膜片会产生共振,具有最大振幅,此时的振动频率即为磁性膜片共振频率。当磁性膜片传感器所浸入的检测溶液性质(黏度、密度等)或传感器表面负载质量发生变化时,其共振频率也会随之改变。由于磁性膜片本身是磁性的,其伸缩振动产生的磁通可由检测线圈检测。磁弹性传感器中信号的激发与传送通过磁场进行,传感器与检测仪器之间没有任何物理连接,属于无线无源传感器。磁弹性传感器这一特征使其在活体、在体分析、密闭容器中的无损检测等领域具有广泛的应用前景。基于这一原理,本文主要做了以下三方面应用研究工作: (1)磁弹性大肠杆菌无线传感器的研制:制备了磁弹性大肠杆菌无线传感器;研究了传感器对大肠杆菌O157:H7在培养过程中培养基性质(如黏度、密度等)改变的响应,考察了大肠杆菌在传感器表面吸附对传感器响应的贡献,研究了庆大霉素注射液对大肠杆菌的抑制作用,依据庆大霉素注射液对细菌的抑制作用可以进行抗生素的药效评测。大肠杆菌的生长和繁殖导致溶液黏度减小,从而引起磁弹性传感器共振频率增大;细菌生长过程中在传感器表面有一定吸附,相反引起传感器共振频率减小,溶液性质变化和细菌吸附程度共同影响共振频率的变化。该传感器可以测定的大肠杆菌浓度为2×10~2~3×10~6 cells/ml。 (2)检测不同液体介质中细菌的磁弹性无线传感器的研制:研制了磁弹性金黄色葡萄球菌无线传感器;深入研究了金黄色葡萄球菌在培养基或牛奶中培养时,传感器对不同液体介质(培养基或牛奶)性质改变的响应,获得了金黄色葡萄球菌在培养基或牛奶中的生长曲线;考察了不同细菌在牛奶中生长曲线的差异,据此可以进行牛奶腐败程度的预测。金黄色葡萄球菌的新陈代谢引起溶液黏度变化,导致磁弹性传感器共振频率变化。在液体培养基中,溶液黏度减小引起传感器共振频率增大;牛奶中,牛奶黏度先减小后增大,导致传感器共振频率先增大后减小。该传感器可以测定的金黄色葡萄球菌浓度,在培养基中是3×10~3~2×10~7 cells/ml,牛奶中是1×10~4~2×10~7 cells/ml。 (3)快速测定表皮葡萄球菌的磁弹性无线传感器的研制:制备了磁弹性表皮葡萄球菌无线传感器;考察了该传感器对表皮葡萄球菌在培养过程中液化固体明胶培养基薄膜而导致负载质量改变的响应。表皮葡萄球菌的增殖不断液化固体明胶培养基薄膜,薄膜液化引起传感器表面负载质量减小,从而传感器共振频率增大,该传感器可以测定的表皮葡萄球菌浓度为3×10~3~2×10~7 cells/ml。此外,研究了不同细菌对明胶的液化能力,根据不同细菌的明胶液化能力可以实现不同细菌的快速检测。

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