石英晶体微天平(Quartz Crystal Microbalance,QCM)是一种在20世纪60年代兴起的微小质量传感器,其质量检测限可以精确到纳克(ng)量级。QCM免疫传感器技术是将QCM的高灵敏性和免疫反应的高特异性结合起来的一种新型检测技术。由于QCM免疫传感器具有免除示踪物标记、免样品纯化、检测成本低廉、检测速度快、分辨率高、操作方便、安全和具备在线检测能力等特点,近年来,引起了国内外研究人员的广泛关注,被广泛用于临床检验、食品卫生、环境检测,以及其它生化分析等领域。利用QCM免疫传感器来检测肿瘤等生物标志物,实现对肿瘤及早、准确、快速的诊断,是当前信息科学和医学上非常新颖又极具吸引力的研究方向。但目前QCM用于生化检测时,不仅气相检测与液相检测的原理没有得到有效的统一,而且质量灵敏度分布不均匀常会导致测量结果重复性低。此外,抗原或抗体蛋白质在石英晶片电极表面的固定具有特异性低、响应时间慢、晶片重复利用率低和测试结果重复性低等缺点。以上几个关键性的不足,严重阻碍了QCM免疫传感技术的广泛应用。本文利用能量传输模型(ETM)研究QCM的检测机理,揭示了影响QCM免疫传感器质量灵敏度的决定因素,设计出新型的电极结构,从一定程度上改善了测量结果重复性低的问题。针对现有生物分子在晶片电极表面固定中存在的特异性低等问题,提出了一种用于肿瘤检测的抗原蛋白固定方法,并通过对卵巢癌和非小细胞肺癌的检测,验证了本文所建立的高特异性、高稳定性和高均匀性的肿瘤新型快速检测方法。本文主要工作和创新点包括:1.深入研究了QCM质量检测机理。利用能量传输模型统一分析了QCM免疫传感器气相检测和液相检测原理,发现了决定QCM质量灵敏度的物理量为谐振器表面粒子的加速度,并采用QCM负载等效电路的分析方法对谐振器振动幅度进行理论计算推导,为QCM的应用提供了理论支持。2.以石英晶体谐振器表面粒子的振动幅度为切入点,分析了传统电极结构QCM的质量灵敏度呈高斯形分布的原因,揭示了影响QCM免疫传感器质量灵敏度的决定因素。针对传统电极结构QCM应用存在测量结果重复性低的问题,设计了一种新型的电极结构谐振器。该新型电极结构谐振器的引入,极大地改善了质量灵敏度分布不均的问题,从一定程度上改善了测量结果重复性低的问题。3.对生物分子金电极表面的固定方法进行了深入分析,根据早期肿瘤的特点,针对直接法特异性低,交联法固定层太厚以及蛋白A法价格昂贵等不足,提出了一种新型的、用于肿瘤检测的抗原表面固定方法。该方法不仅完全不损失抗原/抗体蛋白质的活性,而且固定化效率高,所固定的抗原蛋白不易从晶片表面脱落,从而有效地解决了特异性选择差、响应时间长及重现性差等问题。4.构建了一种用于肿瘤检测的QCM免疫检测系统。分别检测了免疫血清溶液中卵巢癌NuTu-19抗体和非小细胞肺癌LL/2抗体。检测结果表明,该检测系统稳定可靠,阴性检测结果与理论值相符,且阳性检测准确率较高。此外,分别将检测到的NuTu-19抗体和LL/2抗体浓度与通过Bradford蛋白定量法和Lorry蛋白定量法所得到的浓度进行了对比,结果表明,QCM用于肿瘤检测的性能良好。我们的研究为进一步研究QCM免疫传感技术在肿瘤早期诊断上的应用提供了定性、定量的分析方法及可靠的科学依据。