石英晶體微天平的原理和應用
更新時間：2023-06-30 點擊次數：4881
一、 石英晶體微天平的基本原理：
石英晶體微天平基本的原理是利用了石英晶體的壓電效應：石英晶體內部每個晶格在不受外力作用時呈正六邊形，若在晶片的兩側施加機械壓力，會使晶格的電荷中心發生偏移而極化，則在晶片相應的方向上將產生電場;反之，若在石英晶體的兩個電極上加一電場，晶片就會產生機械變形，這種物理現象稱為壓電效應。如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會產生機械振動，同時晶片的機械振動又會產生交變電場。在一般情況下，晶片機械振動的振幅和交變電場的振幅非常微小，但當外加交變電壓的頻率為某一特定值時，振幅明顯加大，這種現象稱為壓電諧振。它其實與LC回路的諧振現象十分相似：當晶體不振動時，可把它看成一個平板電容器稱為靜電電容C，一般約幾個PF到幾十PF;當晶體振蕩時，機械振動的慣性可用電感L 來等效，一般L 的值為幾十mH到幾百mH。由此就構成了石英晶體微天平的振蕩器，電路的振蕩頻率等于石英晶體振蕩片的諧振頻率，再通過主機將測的得諧振頻率轉化為電信號輸出。由于晶片本身的諧振頻率基本上只與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸有關，而且可以做得精確，因此利用石英諧振器組成的振蕩電路可獲得很高的頻率穩定度。
二、石英晶體微天平的主要構造：
QCM主要由石英晶體傳感器、信號檢測和數據處理等部分組成。石英晶體傳感器的基本構成大致是：從一塊石英晶體上沿著與石英晶體主光軸成35015＇切割(AT—CUT)得到石英晶體振蕩片，在它的兩個對應面上涂敷銀層作為電極，石英晶體夾在兩片電極中間形成三明治結構。在每個電極上各焊一根引線接到管腳上，再加上封裝外殼就構成了石英晶體諧振器，其產品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。石英晶體微天平的其他組成結構在不同型號和規格的儀器中也不盡相同，可根據測量需要選用或聯用。一般附屬結構還包括振蕩線路、頻率計數器、計算機系統等;電化學石英晶體微天平在此基礎上還包括恒電位儀、電化學池、輔助電極、參比電極等;
三、石英晶體微天平的分析化學應用
QCM早應用于氣相組分、有毒易爆氣體的檢測。已對SO2、H2 S、HCI、NH3、NO2、Hg、CO、及其他碳氫化合物、氰化物等有毒易爆氣體進行探測研究。日本的S. Iijima博士首次發現了碳納米管(CNTs) ,其結構是由單層(單壁碳納米管) 或兩層(MWCNTs)以上、極細小的圓筒狀石墨片而形成的中空碳籠管.利用MWCNTs 作為氣敏材料,將其均勻地涂覆在QCM表面形成一敏感薄膜.利用MWCNTs 敏感薄膜對16 mg/m3甲醛和9. 64 mg/ m3 水蒸汽的吸附作用,把甲醛和19. 64 mg/ m3水蒸汽的濃度信號轉化為頻率信號從而對16 mg/ m3 甲醛和9. 64mg/ m3 水蒸汽進行檢測.
四、石英晶體微天平在生物醫學中的應用
生物醫學方面，在QCM探頭電極上修飾具有生物活性的特異選擇功能膜即作了壓電晶體生物傳感器,因其對質量變化的高敏感性，傳感器具有特異性好、靈敏度高、成本低廉和操作簡便等優點?，F已廣泛應用于分子生物學、病理學、醫學診斷學、細菌學等研究領域,今年來在研究和檢測蛋白質、微生物、核酸、酶、細胞等方面都發揮了重要的作用，具有廣闊的發展前景。
1、蛋白質檢測：
QCM法檢測蛋白質是基于免疫反應原理建立,在石英電極表面固定抗原/抗體,與待測溶液中的特異性抗體/抗原發生免疫結合,形成的復合物沉積在電極表面,引起石英晶體振蕩頻率下降利用抗原-抗體免疫結合反應引起質量變化而制成的石英晶體微天平。目前QCM技術已應用于免疫球蛋白、白蛋白、纖維蛋白(原)及降解產物、補體、酶蛋白、甲狀腺素、人絨毛膜促性腺激素及皮質醇等檢測?；趬弘娛⒕w液相振蕩的實現，對反應體系實施采樣、進行連續監測，1996年的時候，我國有科研人員研究了IgM免疫放映中IgM 抗原在固體抗體表面吸附過程，推導了抗原過量情況下的反應動力學方程，首次計算了免疫反應的Arrhenius活化能，理論推導與實驗結果相吻合。近年來，瑞典Q-sense AB 公司開發了QCM-D技術，此技術的核心是石英晶體傳感器。在電極兩端加入一個交流電壓，在石英晶體傳感器的共振頻率處引發一個小的剪切振動，當交流電壓關閉后，振動呈指數衰減，這個衰減被記錄下來，得到共振頻率(f)和耗散因子(D)兩個參數。每秒鐘獲得多個頻率和耗散因子數據，可方便用于反應動力學的計算。與放射免疫法、酶聯免疫法相比，具有更好的選擇性、更寬的線性范圍，且不需要生物分子標記。
2、微生物：
利用細菌抗原-目標細菌抗體相結合的原理，對細菌進行檢測。1992 年，Plomer等人首次用這種方法檢測到了腸球菌，現已大規模發展，掌握了對白色念珠菌、大腸桿菌、沙門氏菌、霍亂弧菌等多種細菌的檢測手段。Fung等人改進了抗體在奠基表面的吸附過程，使其凝聚，工作范圍達到了102 ～105 cells/L,檢測限1. 7 ×102cells/L。應用廣的病毒檢測法是將病毒抗原固定在電極表面的QCM技術檢測待測溶液中的病毒抗體。有學者經葡萄球菌蛋白A將病毒的單克隆抗體固定在QCM電極上，直接檢測病毒顆粒(5*104~1*109/石英晶體表面)。與酶標免疫反應檢測法相比，除了無分子標記外，假陽性反應也可以降低很多。目前用于檢測柯薩奇病毒、肝炎病毒、皰疹病毒、登革熱病毒及HIV等感染性疾病。石英晶體微天平對粘度和密度的響應，利用涂有固體培養基薄膜的QCM，通過對加入菌液后明膠培養基薄膜溶解后凝固過程的測定而間接測定微生物。
3、核酸：
1988 年Fawcett 等首次采用QCM 技術測定RNA /DNA分子雜交反應,從而開創了DNA 壓電傳感器研究酶的先例。DNA壓電傳感器工作原理就是將ssDNA探針固定在電極表面,然后浸入含有目標ssDNA 分子的溶液中。當電極上的核酸探針與溶液中目標ssDNA分子雜交后,晶體表面質量增加而引起振蕩頻率的降低。QCM法檢測核酸技術的大優點是操作簡便、快速,特別在人工培養難度大、鑒定過程復雜的病原微生物的實驗診斷中發揮了重要作用。此外，石英晶體微天平還用于基因突變的檢測。在QCM電極表面涂抹MutS，一種與dsDNA 分子中錯配堿基對結合的蛋白，如果目標dsDNA分子存在錯配，就會發生結合反應，產生復合物沉積，可以檢測單堿基突變和1~4 個堿基對的插入突變。
4.凝血因子：
常規的方法是以血漿凝固反應為基礎，觀測反映體系中黏度、光密度的變化判定反應的終點，由于實驗者肉眼觀察、手工操作的不一致性，存在著很多的不利。而利用QCM檢測凝血因子活性，使用10MHz 鍍銀石英晶體，通過實時變化判斷起點和終點，此法快速、準確、低成本。
5. 細胞檢測：
目前主要兩個應用，一是通基于受體-配體的親和反應，建立QCM系統檢測多種血液中細胞含量。另一是腫瘤細胞的檢測，把胞外基質蛋白固定在壓電石英電極上,在整合素介導下,待測的人卵巢癌細胞與胞外基質蛋白發生粘附作用。形成胞外基質蛋白-整合素—癌細胞的三明治樣結構,電極質量的增加與電極振蕩頻率的下降改變符合Sauerbrey 方程。
