石英晶体微天平的基本原理及其在生物医学研究中的应用摘要：本文综述了石英晶体微天平（Quartz Crystal Microbalance－QCM）的基本原理、组成结构、适用范围和特点，以及它在化学和生物医学中的应用及发展前景，并对于其突出优点和局限性进行比较分析。
关键词：石英晶体微天平；压电效应；电化学；生物医学；应用引言：石英晶体微天平（Quartz Crystal Microbalance－QCM）的发展始于上世纪60年代初期，它是一种非常灵敏的质量检测仪器，其测量精度可达纳克级，比灵敏度在微克级的电子微天平高100倍，理论上可以测到的质量变化相当于单分子层或原子层的几分之一。
石英晶体微天平利用了石英晶体谐振器的压电特性，将石英晶振电极表面质量变化转化为石英晶体振荡电路输出电信号的频率变化，进而通过计算机等其他辅助设备获得高精度的数据。
QMC所具有的高灵敏度和实时测量质量改变的特点使其在化学和生物医学研究领域的应用备受关注。
一、石英晶体微天平的基本原理：石英晶体微天平最基本的原理是利用了石英晶体的压电效应：石英晶体内部每个晶格在不受外力作用时呈正六边形，若在晶片的两侧施加机械压力，会使晶格的电荷中心发生偏移而极化，则在晶片相应的方向上将产生电场；反之，若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形，这种物理现象称为压电效应。
如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。
在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，这种现象称为压电谐振。
它其实与LC回路的谐振现象十分相似：当晶体不振动时，可把它看成一个平板电容器称为静电电容C，一般约几个PF到几十PF；当晶体振荡时，机械振动的惯性可用电感L来等效，一般L的值为几十mH 到几百mH。
由此就构成了石英晶体微天平的振荡器，电路的振荡频率等于石英晶体振荡片的谐振频率，再通过主机将测的得谐振频率转化为电信号输出。
由于晶片本身的谐振频率基本上只与晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关，而且可以做得精确，因此利用石英谐振器组成的振荡电路可获得很高的频率稳定度。
1959年 Sauerbrey 在假定外加持量均匀刚性地附着于QCM的金电极表面的条件下，得出了QCM的谐振频率变化与外加质量成正比的结论。
对于刚性沉积物，晶体振荡频率变化△F正比于工作电极上沉积物的质量改变△M。
只要(1)△F小于2％F0；(2)溶剂的粘弹性不变；(3)沉积物的厚度基本均匀则有Sauerbrey公式成立：（1）F0：石英品振的基频(MHz)；△F：石英品振的额率改变量又称频移值(Hz)；△M：沉积在电极上的物质质量改变(g)；A：工作电极的面积(cm2)；ρ为石英晶体密度；µ为剪切系数。
1985年 Kanazawa 和Gordon 推出了 QCM 在牛顿流体中振荡时其谐振频率变化与液体的粘度和密度的关系式[1]，即：（2）从式（1）、（2）可以看出，QCM 谐振频率的变化量Δf 是关键的待测量。
二、石英晶体微天平的主要构造：QCM 主要由石英晶体传感器、信号检测和数据处理等部分组成。
石英晶体传感器的基本构成大致是：从一块石英晶体上沿着与石英晶体主光轴成35015'切割(AT—CUT)得到石英晶体振荡片，在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，石英晶体夹在两片电极中间形成三明治结构。
在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。
石英晶体微天平的其他组成结构在不同型号和规格的仪器中也不尽相同，可根据测量需要选用或联用。
一般附属结构还包括振荡线路、频率计数器、计算机系统等；电化学石英晶体微天平在此基础上还包括恒电位仪、电化学池、辅助电极、参比电极等；另外经常加装一些辅助输出设备，例如显示器、打印机等。
三、石英晶体微天平的适用范围和特点1.质量测定：测试表面形成的分子层的质量，测量精度理论上可以达到纳克级。
例如，可检测到1%或更低浓度蛋白质单分子层的质量变化。
2.结构变化：同步测试，通过质量改变信号反映结构变化，因此可以区分两个相似的键合反应或观察到吸附层上发生的相转变。
3.实时分析：可以进行实时记录和动力学评估4.无须标记：无须对分子做标记，仪器测定的是分子本身5.表面选择广泛：适用于任何能形成薄膜的表面如金属、高分子、化学表面等四、石英晶体微天平的电化学应用1.金电极上单分子层氧的吸附机理研究Bruckenstein和Shay[2]用EQCM方法研究了Au电极上单层吸附的形成过程，指出当电极氧化时频率下降，而氧化层被还原时，频率又会回到原来的位置。
从电荷计算得到的质量变化和根据频率变化所推算出的质量变化的误差不超过10%。
图1 A u 晶振电极在pH= 6. 1的磷酸缓冲液中扫描的CV 图和EQCM 频率响应图当电位超过0.9V时,频率下降的幅度增加,一直持续到1.3V，对应着氧化态金的形成金的氧化过程为:A uA・ x H2O + A u — A uA・A uOH (1- γ)-・(x – 1) H2O + H+ + γe-A uOH —A uO + H+ + e-式中A代表吸附于电极表面的酸根阴离子,这个过程几乎不应有太大的质量变化,但由于A uO在电场作用下会发生金-氧原子的位置交换反应,即：A u-O —O-A uO-A u + H2Oaq —O-A u (H2O ) aq氧原子向金属内部嵌入,而交换到表面的金原子又可再吸附到水分子, 所以△m 可能是由此引起的。
在返扫过程中,当电位低于0.5V ,出现大幅度质量下降,对应着氧化态金被还原。
Schumacher等亦研究了同一问题[3]。
迄今EQCM已广泛用于研究电极表面吸附，如Br-及I- 在Au电极上吸附，I2在Pt电极上吸附过程，水在Pt电极上吸附，表面活性剂的吸附和解吸过程。
2.氧化还原过程离子和溶剂在聚合物膜中的传输以EQCM现场监测成膜过程，与电量对照测定电流效应测量表面沉积组分的表现摩尔质量，膜电化学过程中伴随的质子或其他离子插入和迁出膜相过程，溶剂进入膜中的溶胀过程等。
如溴化二庚基紫电色膜修饰[3]，聚乙烯二茂铁(PVF)修饰膜电化学过程，普鲁士蓝(PB)膜等。
（1）采用电化学石英晶体微天平(EQCM)测量了金电极表面上聚二茂铁二甲基硅烷(PFDMS)膜[4]在水、甲醇、乙醇和丙酮等溶液中循环伏安(CV)过程中的质量变化．在PFDMS膜的氧化还原过程中伴有电解质阴离子向膜内扩散，进出聚合物膜的阴离子量与发生氧化还原的Fe的物质量相等，在水溶液中ClO4-离子是非水化的，进入聚合物膜的ClO4-离子不带水分子，在有机溶剂中ClO4-离子是溶剂化的，在甲醇和乙醇溶液中分别有l：l和l：0．5等摩尔量的溶剂分子随阴离子进出聚合物膜．（2）QCM 应用于LB膜的研究Mclafrey[5]等用QCM 技术测定沉积在金上的单层或多层的硬脂酸钙的LB膜，发现QCM 的频率改变与沉积的层数是成线性关系的．Okahata用EQCM 技术现场研究了LB膜的浸渍过程在水溶液中的传输过程中，水分子会迁入类脂膜，当暴露在空气中时水又可蒸发；LB膜的取向就可以从吸入的水量和水蒸发的速度上得以确定．3.研究金属沉淀Nomura等用内电解方法使溶液中金属离子沉积在石英晶体的电极表面，以测得溶液中Hg2-的浓度。
[7] 姚守拙等用电解方法测定了合金中的Cu2-，并发现石英晶体表面的银电极对单质I2有特异性吸附，利用氧化还原反应+将溶液中的I-氧化为I后吸附于银电极表面，用于溶液中微量I- 的测定，吸附了I2的银电极可用浓氨回复。
基于同样的原理，结合Br-对高碘酸根氧化I-的催化作用，实现了pmol(10-12)Br-的分析测定。
Bruckenstein等[8] 研究了Ag 的电化学沉积，测定了沉积过程中QCM 的频率变化，以Sauerbrey方程计算Ag的沉积质量，其结果和由电化学库仑方法测定的沉积质量相吻合。
五、石英晶体微天平的分析化学应用1.有毒易爆气体的检测QCM最早应用于气相组分、有毒易爆气体的检测。
已对SO2 、H2S、HCI 、NH3、NO2、Hg、CO、及其他碳氢化合物、氰化物等有毒易爆气体进行探测研究。
[1] 日本的S. Iijima 博士首次发现了碳纳米管(CNTs) ,其结构是由单层(单壁碳纳米管) 或两层(MWCNTs) 以上、极细小的圆筒状石墨片而形成的中空碳笼管.利用MWCNTs 作为气敏材料,将其均匀地涂覆在QCM表面形成一敏感薄膜. 利用MWCNTs 敏感薄膜对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水蒸汽的浓度信号转化为频率信号从而对16 mg/ m3甲醛和9. 64mg/ m3水蒸汽进行检测.2. 大气腐蚀研究Sharma借助QCM 技术[6]，发现在不同条件下铜的腐蚀表现了不同的规律性：含5×10H2S 的干燥空气环境中，没有预氧化膜的铜样品的腐蚀速度一直呈线性增长；当相对湿度(RH)为80％时，无论有否预氧化膜，虽然在开始10 h内均遵循线性规律，但此后则遵循抛物线规律．此外，还发现即使在最初的线性阶段，不同的初始表面状态，也具有不同的腐蚀速度，且以在氧气中预氧化处理所得到的氧化膜最具保护性。
六、石英晶体微天平在生物医学中的应用：生物医学方面，在QCM探头电极上修饰具有生物活性的特异选择功能膜即作了压电晶体生物传感器,因其对质量变化的高敏感性，传感器具有特异性好、灵敏度高、成本低廉和操作简便等优点。
现已广泛应用于分子生物学、病理学、医学诊断学、细菌学等研究领域,今年来在研究和检测蛋白质、微生物、核酸、酶、细胞等方面都发挥了重要的作用，具有广阔的发展前景。
1、蛋白质检测：QCM法检测蛋白质是基于免疫反应原理建立,在石英电极表面固定抗原/抗体,与待测溶液中的特异性抗体/抗原发生免疫结合,形成的复合物沉积在电极表面,引起石英晶体振荡频率下降利用抗原-抗体免疫结合反应引起质量变化而制成的石英晶体微天平。
早在1972年，Shons等人就首次报道了将BSA固定于压电晶体表面用于检测BSA抗体。
目前QCM技术已应用于免疫球蛋白、白蛋白、纤维蛋白(原)及降解产物、补体、酶蛋白、甲状腺素、人绒毛膜促性腺激素及皮质醇等检测[9]。
基于压电石英晶体液相振荡的实现，对反应体系实施采样、进行连续监测，1996年的时候，我国有科研人员研究了IgM免疫放映中IgM抗原在固体抗体表面吸附过程，推导了抗原过量情况下的反应动力学方程，首次计算了免疫反应的Arrhenius活化能，理论推导与实验结果相吻合[10]。