石英晶体微天平(QCM)在
耗散型石英晶体微天平在生物医用高分子材料中的应用
耗散型石英晶体微天平在生物医用高分子材料中的应用孙㊀彬ａꎬｂ㊀吕建华ｂ㊀金㊀晶ｂ∗㊀赵桂艳ａ∗(ａ辽宁石油化工大学化学化工与环境学部㊀辽宁抚顺１１３００１ꎻｂ中国科学院长春应用化学研究所ꎬ高分子物理与化学国家重点实验室㊀长春１３００２２)摘㊀要㊀石英晶体微天平(ＱＣＭ)是一种基于石英晶体压电效应的分析检测技术ꎬ可实时在线提供石英晶体表面吸附层质量㊁厚度㊁粘弹性等信息ꎬ由此获得表面分子相互作用关系ꎮ耗散型石英晶体微天平(ＱＣＭ￣Ｄ)因其独特的对粘弹性的解析ꎬ使其在高分子材料中的应用迅速发展ꎬ尤其是生物医用高分子材料领域ꎬ已用来评价生物医用高分子材料的表界面相互作用ꎬ力学和生物相容性等ꎮ本文简单介绍了耗散型石英晶体微天平的基本原理及理论模型ꎬ重点综述了近几年ＱＣＭ￣Ｄ在高分子链构象㊁蛋白质吸附㊁生物大分子相互作用㊁药物释放以及水凝胶中的应用ꎬ并且展望了ＱＣＭ￣Ｄ的未来发展趋势ꎮ关键词㊀耗散型石英晶体微天平ꎻ生物医用高分子材料ꎻ粘弹性中图分类号:Ｏ６３１㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀㊀㊀文章编号:１０００￣０５１８(２０２０)１０￣１１２７￣１０ＤＯＩ:１０.１１９４４/ｊ.ｉｓｓｎ.１０００￣０５１８.２０２０.１０.２０００７８２０２０￣０３￣１９收稿ꎬ２０２０￣０４￣２６修回ꎬ２０２０￣０５￣２２接受国家自然科学基金(５１６７３１９６ꎬ２１６７４１１５)㊁辽宁石油化工大学国家级科研项目培育基金(２０１６ＰＹ￣０１４)㊁辽宁石油化工大学引进人才科研启动基金(２０１６ＸＪＪ￣００１)和辽宁省教育厅科研基金(Ｌ２０１９０１３)资助通讯联系人:赵桂艳ꎬ副教授ꎻＴｅｌ:０２４￣５６８６１８６５ꎻＦａｘ:０２４￣５６８６１７０９ꎻＥ￣ｍａｉｌ:ｇｙｚｈａｏ＠ｌｎｐｕ.ｅｄｕ.ｃｎꎻ研究方向:聚合物共混改性ꎬ高分子材料高性能化共同通讯联系人:金晶ꎬ副研究员ꎻＴｅｌ:０４３１￣８５２６２６４２ꎻＦａｘ:０４３１￣８５４５２１２６ꎻＥ￣ｍａｉｌ:ｊｊｉｎ＠ｃｉａｃ.ａｃ.ｃｎꎻ研究方向:生物医用高分子材料石英晶体微天平(ＱＣＭ)发展于上世纪６０年代ꎬ是一类经久不衰的表征手段[１￣２]ꎮＱＣＭ具有超高的质量分辨率ꎬ可以检测表面微小质量的变化ꎬ其精度可以达到纳克级ꎬ广泛应用于能源㊁环境㊁食品㊁涂料㊁生物技术和医疗器械等领域ꎮ当前ꎬ科研人员研制出了具有特殊功能的石英晶体微天平ꎬ以满足不同使用环境的需求ꎮ常见的有基于阻抗分析的石英晶体微天平[３]㊁石英晶体震荡仪[３]㊁电化学石英晶体微天平[４]以及耗散型石英晶体微天平[５]ꎮ其中ꎬ耗散型石英晶体微天平(ＱＣＭ￣Ｄ)具有独特的界面粘弹性分析能力ꎬ在生物化学ꎬ表界面科学和医用生物材料等领域具有重要地位[６￣７]ꎮ生物医用高分子材料是生物医用材料的重要组成部分ꎬ具有环境适应能力强㊁可再生㊁环境友好等优势ꎬ在生物医用材料领域中具有不可替代的地位ꎮ常见的生物医用高分子材料有医用植入和介入材料㊁水凝胶材料㊁药物载体材料和组织工程材料[８￣９]ꎮ生物医用高分子材料的表界面相互作用ꎬ生物相容性和力学性能对材料的应用具有重要影响ꎮ因此ꎬ构建高分子材料表界面结构与性能的关系显得至关重要ꎮＱＣＭ￣Ｄ是一种实时利用频率和耗散进行在线分析表界面结构与性能关系的技术ꎬ用于测定表面吸附层的质量ꎬ并同步提供粘弹性等结构信息ꎮ将ＱＣＭ￣Ｄ应用于生物医用高分子材料领域中ꎬ研究生物医用高分子材料表面结构与性能的关系对生物医用高分子材料的发展具有重要意义ꎮ早期ꎬＱＣＭ￣Ｄ被用来研究聚合物层在表界面的形成过程及聚合物分子间的相互作用㊁分子结合以及高分子材料表面蛋白质的吸附与构象的变化ꎮ随着生物医用材料的迅速发展ꎬＱＣＭ￣Ｄ逐渐被用在水凝胶ꎬ药物释放等生物医用高分子体系中ꎮ然而ꎬＱＣＭ￣Ｄ的应用也具有一定的局限性ꎬ很少作为单一评价手段使用ꎮ因此ꎬＱＣＭ￣Ｄ通常与其他手段联用ꎬ常见的联用手段主要有光谱椭偏仪[１０]㊁原子力显微镜[１１]㊁双偏振极化干涉仪[１２]和拉曼光谱[１３]等ꎬ多种技术的联合使用可以同时在线得到足够多的信息ꎬ促进ＱＣＭ￣Ｄ在生物医用高分子材料领域中的应用ꎮ同时ꎬＱＣＭ￣Ｄ具有超高的分辨率ꎬ可以同时提供晶体表面吸附层质量及结构变化信息ꎬ在众多领域中具有潜在的应用价值ꎮ本文中简介了ＱＣＭ￣Ｄ的基本原理及理论模型ꎬ综述了第３７卷第１０期应用化学Ｖｏｌ.３７Ｉｓｓ.１０２０２０年１０月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＡＰＰＬＩＥＤＣＨＥＭＩＳＴＲＹ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Ｏｃｔ.２０２０８２１１应用化学㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３７卷㊀ＱＣＭ￣Ｄ在生物医用高分子材料领域中的若干应用ꎬ并且展望了ＱＣＭ￣Ｄ的未来发展趋势ꎮ１ ＱＣＭ￣Ｄ原理及理论模型ＱＣＭ￣Ｄ具有其它表界面表征手段无法超越的优势ꎬ实时在线检测㊁结构简单㊁操作方便㊁高效和高分辨率等优势加速了其在各个领域的发展ꎮＱＣＭ的发展得益于居里兄弟于１８８０年发现的石英晶体压电效应[１４]ꎮ当石英晶体受到固定方向的外力而产生形变时ꎬ石英晶体内部会产生电场ꎮ当外力撤去时ꎬ电场随之消失ꎮ反之ꎬ在晶体一定方向上施加电场ꎬ在该方向上就会产生机械形变ꎮ在此基础上居里兄弟认为在石英晶体表面施加一交变电压ꎬ会引起石英晶体产生机械振荡ꎬ当震荡频率与晶体的固有频率一致时ꎬ便会产生共振ꎮＱＣＭ就是基于石英晶体的压电效应将晶体表面微小的质量变化ꎬ转化为频率变化ꎮ１９５９年ꎬ德国科学家Ｓａｕｅｒｂｒｅｙ[１５]提出了著名的Ｓａｕｅｒｂｒｅｙ方程ꎬ该方程奠定了ＱＣＭ的基础理论依据ꎬ促进了ＱＣＭ在微小质量变化检测领域的应用ꎮＳａｕｅｒｂｒｅｙ方程给出了石英晶体表面质量变化与石英晶体频率变化之间的关系式ꎮΔｆ＝－２ｆ２ｏΔｍ(１)Ａμｑρｑ式中ꎬｆ０为石英晶体的基频(Ｈｚ)ꎬＡ为石英晶体的有效面积(ｃｍ２)ꎬρｑ为石英晶体的密度(ｋｇ/ｍ３)ꎬμｑ为石英晶体剪切模量(Ｐａ)ꎬΔｍ为石英晶体表面质量变化(ｎｇ)ꎬΔｆ为频率的变化(Ｈｚ)ꎮＳａｕｅｒｂｒｅｙ方程说明了晶体表面质量的变化与频率变化成线性关系ꎬ当晶体表面质量增加的同时频率随之线性降低ꎮＳａｕｅｒｂｒｅｙ方程具有明确的使用限制ꎬ吸附在石英晶体表面的吸附层必须为刚性的均匀薄层ꎮ这严重限制了ＱＣＭ的使用ꎬ使ＱＣＭ最初只能用于真空或气相环境ꎬ无法用于液相环境中ꎮ石英晶体在与液体接触时ꎬ液体的粘度和密度严重影响晶体的共振频率ꎮ１９８５年ꎬＫａｎａｚａｗａ和Ｇｏｒｄｏｎ教授[１６]提出了Ｋａｎａｚａｗａ方程ꎬ规范了液体的粘度㊁密度与石英晶体振动频率之间的关系ꎮＫａｎａｚａｗａ方程的提出使得ＱＣＭ应用于液相环境成为现实ꎮΔｆ＝－ｎ１/２ｆ３/２０(η１ρ１/πμｑρｑ)(２)式中ꎬμｑ代表石英晶体的剪切模量(Ｐａ)ꎬρｑ代表石英晶体的密度(ｋｇ/ｍ３)ꎬμｌ代表液相粘度(ｋｇ/ｍｓ)ꎬρｌ代表液相密度(ｋｇ/ｍ３)ꎬｆ０为石英晶体的基频(Ｈｚ)ꎬΔｆ为频率的变化(Ｈｚ)ꎬｎ为倍频(１ꎬ３ꎬ５ꎬ７ꎬ９ꎬ１１ꎬ１３)ꎮＫａｎａｚａｗａ方程是ＱＣＭ在液相环境中应用的基础ꎬ但是液相环境为牛顿流体依然限制了ＱＣＭ的应用ꎮ１９９６年ꎬＲｏｄａｈｌ[１７]提出了耗散因子Ｄ的概念ꎬ耗散因子主要是针对具有粘弹性的吸附层提出的ꎮ耗散是指当晶体表面的电压切断时ꎬ晶体频率降低到０时相对时间的快慢ꎮ耗散因子Ｄ的定义为:Ｄ＝Ｅｄｉｓｓｉｐａｔｅｄ２ｐＥｓｔｏｒｅｄ(３)式中ꎬＥｄｉｓｓｉｐａｔｅｄ为一个震荡周期内损耗的能量值(Ｊ)ꎬＥｓｔｏｒｅｄ为一个震荡周期内储存的能量值(Ｊ)ꎮ在应用的过程中ꎬ根据实际情况采用Ｓａｕｅｒｂｒｅｙ或者Ｖｏｉｇｔ模型通过迭代的计算方式拟合出吸附层质量以及粘弹性等相关信息ꎮ在ＱＣＭ￣Ｄ发展过程中ꎬ研究人员通过大量的实验数据ꎬ总结出根据ΔＤ/ΔＦ的比值判断采用Ｓａｕｅｒｂｒｅｙ或者Ｖｏｉｇｔ模型进行拟合ꎮ当ΔＤ/ΔＦ<１ˑ１０－６时表示吸附层为刚性ꎬ采用Ｓａｕｅｒｂｒｅｙ模型进行拟合ꎻ当ΔＤ/ΔＦ>１ˑ１０－６时表示吸附层为粘弹性ꎬ采用Ｖｏｉｇｔ模型进行拟合[１８]ꎮＱＣＭ的理论模型可以简化ＱＣＭ数据分析过程并且构建直观所测信息如频率和耗散与材料结构的关系ꎬ对推动ＱＣＭ发展至关重要ꎮ国内外学者对ＱＣＭ的理论模型做了大量研究ꎮ浙江大学杜滨阳教授与Ｊｏｈａｎｎｓｍａｎｎ教授在解析吸附层粘弹性质方面做出突出贡献ꎬ推导出一系列方程揭示了频率㊁半峰宽变化与吸附层粘弹性之间的关系[１０￣１９]ꎮ马宏伟[２０]教授提出的固化水层模型ꎬＳｈｕｌｌ等[２１￣２２]提出的流变模型都有力推动了ＱＣＭ的发展ꎮ然而ꎬＱＣＭ￣Ｄ并不是唯一可以获得吸附层粘弹性变化信息的工具ꎬ阻抗分析型石英晶体微天平ꎬ石英晶体震荡仪ꎬ双振荡电路石英晶体微天平ꎬ也可以获得吸附层粘弹性变化信息[２３￣２４]ꎮ其中ꎬ阻抗型石英晶体微天平通过测试获得阻抗图谱ꎬ图谱中包含频率与半峰宽的变化ꎬ由频率与半峰宽的变化可获得吸附层粘弹性信息[１０]ꎮ比较阻抗型和耗散型石英晶体微天平可以发现ꎬ阻抗型是通过扫频的方法获得频率与半峰宽的信息ꎻ而耗散型石英晶体微天平是通过周期性脉冲激发的方式直接获得频率与耗散的信息ꎮ二者可以分别通过公式计算或者拟合得到吸附层的粘弹性信息ꎮ但是ꎬ阻抗型石英晶体微天平只需要一个数据点就可以通过计算获得粘弹性信息ꎻ而耗散型石英晶体微天平至少需要３个数据点ꎬ通过Ｖｏｉｇｔ模型拟合才能获得粘弹性信息ꎮ２㊀ＱＣＭ￣Ｄ在生物医用高分子材料领域的应用ＱＣＭ￣Ｄ作为一种对界面变化敏感的检测技术ꎬ通过监控时间分辨率下的频率和耗散的变化ꎬ获得石英晶体表面吸附层质量和结构的变化信息ꎮ结构决定性能ꎬＱＣＭ￣Ｄ提供的吸附层质量和结构变化信息可以为制备理想的生物医用高分子材料提供理论基础ꎮ２.１㊀高分子链构象国内采用ＱＣＭ￣Ｄ研究高分子链构象方面ꎬ华南理工大学张广照教授及中国科学技术大学刘光明教授做出突出贡献ꎬ他们的工作主要围绕ＱＣＭ￣Ｄ对表面接枝聚合物层特性及其动态行为表征两方面开展ꎮ张广照教授等[２５￣２６]率先利用ＱＣＭ￣Ｄ研究了温度㊁溶剂㊁链长等对表面接枝聚合物链构象的影响ꎮ该团队围绕具有温敏性的聚(Ｎ￣异丙基丙烯酰胺)(ＰＮＩＰＡＭ)展开研究ꎬ利用ＱＣＭ￣Ｄ观察表面接枝聚(Ｎ￣异丙基丙烯酰胺)在不同环境条件下的频率与耗散的变化ꎬ进而获得聚(Ｎ￣异丙基丙烯酰胺)分子链水合构象变化与温度㊁溶剂㊁链长之间的关系ꎮ刘光明教授[２７]等利用ＱＣＭ￣Ｄ实时检测了聚(Ｎ￣异丙基丙烯酰胺)(ＰＮＩＰＡＭ)刷在２０~３８ħ温度范围内水溶液中的塌陷与溶胀行为ꎬ图１是一个冷热循环内ＰＮＩＰＡＭ刷频率与耗散变化图ꎮ在温度升高的过程中ꎬ由于水分子与ＰＮＩＰＡＭ之间结合能力变弱ꎬ发生去水合现象ꎬ同时ＰＮＩＰＡＭ刷塌陷ꎬＰＮＩＰＡＭ层结构变得紧密ꎬ导致频率变化上升ꎬ耗散变化降低ꎮ在冷却过程中ꎬ水溶液逐渐变为ＰＮＩＰＡＭ的良溶剂ꎬ水分子与ＰＮＩＰＡＭ相互结合ꎬＰＮＩＰＡＭ由塌陷逐渐溶胀形成刷状构象ꎬ导致频率变化下降ꎬＰＮＩＰＡＭ层溶胀后结构变得松散ꎬ导致耗散变化上升ꎮ同时ꎬ该项研究利用频率与耗散的线性变化证实了ＰＮＩＰＡＭ刷在冷热循环内的塌陷与溶胀是连续的相转变ꎮ基于ＰＮＩＰＡＭ构象转变行为的研究ꎬ刘光明教授[２８]利用ＱＣＭ￣Ｄ研究了聚(Ｎ￣异丙基丙烯酰胺￣ｃｏ￣丙烯酸钠)(ＰＮＩＰＡＭ￣ｃｏ￣ＰＮａＡ)嵌段共聚物刷在２０~３８ħ温度范围下水溶液中的塌陷与溶胀行为ꎮ研究显示ꎬＰＮＩＰＡＭ￣ｃｏ￣ＰＮａＡ嵌段共聚物刷与ＰＮＩＰＡＭ刷在２０~３８ħ温度范围内的构象转变行为相似ꎬ在冷热循环中嵌段共聚物的塌陷与溶胀行为是连续的相转变ꎮ图１㊀(Ａ)ＰＮＩＰＡＭ刷频率变化和(Ｂ)ＰＮＩＰＡＭ刷耗散变化与温度的关系[２７]Ｆｉｇ.１㊀Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅｏｆ(Ａ)ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｈｉｆｔａｎｄ(Ｂ)ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎｓｈｉｆｔｏｆＰＮＩＰＡＭｂｒｕｓｈｅｓ[２７]张广照教授[２９￣３０]利用ＱＣＭ￣Ｄ详细分析了界面高分子链构象的转变行为ꎬ证实了ＨＳ￣ＰＮＩＰＡＭ在表面接枝后主要经历 ｐａｎｃａｋｅ￣ｔｏ￣ｍｕｓｈｒｏｏｍ￣ｔｏ￣ｂｒｕｓｈ 的构象转变过程以及巯基修饰的聚(２￣二甲氨基乙基甲基丙烯酸酯)(ＨＳ￣ＰＤＥＭ)表面接枝后经历了 ｍｕｓｈｒｏｏｍ￣ｔｏ￣ｂｒｕｓｈ 的构象转变过程ꎮ张广照教授和刘光明教授将ＱＣＭ￣Ｄ用于表面接枝高分子链构象变化的研究ꎬ确定了频率和耗散变化与聚合物链构象转变之间的关系ꎬ为制备具有环境响应性的高分子材料提供了理论基础ꎬ推动了ＱＣＭ￣Ｄ在国内高分子领９２１１㊀第１０期孙彬等:耗散型石英晶体微天平在生物医用高分子材料中的应用０３１１应用化学㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３７卷㊀域的发展ꎮ２.２㊀蛋白质吸附ＱＣＭ￣Ｄ还是一种强有力的检测蛋白质吸附行为的技术手段ꎮ作为优质的生物医用高分子材料其首要特点就是要具有优异的抗污及血液相容性ꎬ而蛋白质吸附能力是评价材料抗污与血液相容性的重要标准[３１]ꎮＱＣＭ￣Ｄ频率的变化与蛋白质在表面吸附质量变化有关ꎬ而耗散的变化与蛋白质在表面吸附后构象变化有关ꎮ张广照教授团队[３２￣３３]利用ＱＣＭ￣Ｄ研究了蛋白质在不同性质表面的吸附行为ꎮ研究发现表面润湿性ꎬ溶液的ｐＨ值ꎬ表面接枝链的柔性对蛋白质吸附有重要影响ꎮＱＣＭ￣Ｄ对表面蛋白质吸附质量及构象变化的直观显示ꎬ促进了ＱＣＭ￣Ｄ在高分子抗污领域的发展ꎮ张广照教授团队[３４]自主研发了一种同时具有自生与自更新的两性聚合物ꎬ该团队利用ＱＣＭ￣Ｄ表征了自主合成的两性聚合物膜的特异性蛋白吸附能力ꎬ由图２可知ꎬ两性膜具有广谱抗污能力ꎬ可以抑制溶菌酶㊁牛血清蛋白的吸附ꎮ值得注意的是ꎬ该类两性聚合物对纤维蛋白原抑制可以达到１００％ꎮ研究表明该团队制备的两性聚合物涂层在海洋环境下具有优异的抗污染能力ꎮ图２㊀蛋白质在两性膜及疏水性膜表面吸附频率与耗散的变化[３４]Ｆｉｇ.２㊀Ｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｎｄｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎｓｈｉｆｔｓｏｆｐｒｏｔｅｉｎａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ[３４]聚乙二醇(ＰＥＧ)是一类常见的用于改善材料抗污及血液相容性的高分子材料ꎮ金晶等[３５￣３６]利用ＱＣＭ￣Ｄ实时在线检测了不同ＰＥＧ构象对蛋白质吸附的抑制能力ꎬ研究发现ꎬ环状构象的ＰＥＧ相比于线型构象的ＰＥＧ具有优异的抗蛋白吸附能力ꎮ并且解释了环状构象ＰＥＧ的蛋白质吸附机理ꎬ由图３可知ꎬ当ＰＥＧ的相对分子质量较低时ꎬＰＥＧ高的表面覆盖率决定了其抗蛋白质吸附能力ꎮ当ＰＥＧ相对分子质量较大时ꎬ抑制吸附的机理来源于ＰＥＧ高的表面覆盖率以及ＰＥＧ接枝层的粘弹性ꎮ该项研究通过ＱＣＭ￣Ｄ揭示了ＰＥＧ抑制蛋白质吸附的机理ꎬ为制备具有优异抗污性能的生物医用材料提供了借鉴ꎮＱＣＭ￣Ｄ频率与耗散的变化可以实时揭示蛋白质在材料表面的吸附行为ꎬ为制备具有优异的抗污ꎬ血液相容性材料提供理论依据ꎮ２.３㊀生物大分子吸附ＱＣＭ￣Ｄ可以检测纳克级别的质量变化ꎬ具有超高的质量分辨率ꎬ在分析超精细生物界面相互作用ꎬ揭示生命系统中重要行为ꎬ探究生命系统中生物大分子之间的相互作用领域具有一定优势ꎮ淀粉样肽是一类天然生物大分子ꎬ在细胞表面的聚集及浓缩会引起相关的生物学疾病ꎮ检测淀粉样肽与生物界面之间的相互作用具有重要意义ꎬ澳大利亚莫纳什大学Ｍａｒｔｉｎ团队[３７]利用ＱＣＭ￣Ｄ的频率与耗散变化实时在线检测了淀粉样肽在具有不同生物功能表面上的吸附行为(图４)ꎮ研究发现ꎬ淀粉样肽在界面的吸附主要受淀粉样肽带电性质以及界面性质的影响ꎮ羟基化表面ꎬ阳离子化表面ꎬ阴离子化表面ꎬ烷基图３㊀不同相对分子质量环状ＰＥＧ抗蛋白质吸附机理图[３５]Ｆｉｇ.３㊀ＴｈｅｐｒｏｔｅｉｎａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｏｆｌｏｏｐｅｄＰＥＧｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｏｌｅｃｕｌａｒｗｅｉｇｈｔｓ[３５]化表面ꎬ糖蛋白修饰的表面对于淀粉肽具有不同的吸附能力ꎬ其中羟基化表面具有广谱的抑制吸附能力而烷基修饰的表面可以强有力地吸附淀粉样肽ꎮ图４㊀淀粉样肽在烷基㊁氨基㊁羧基㊁羟基和润滑素修饰表面的吸附[３７]Ｆｉｇ.４㊀Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｔｈｅａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｏｆｐｅｐｔｉｄｅｓ(ｉｎｇｒｅｅｎ)ｏｎｕｎｍｏｄｉｆｉｅｄꎬｍｅｔｈｙｌꎬａｍｉｎｏꎬｃａｒｂｏｘｙｌꎬｈｙｄｒｏｘｙｌａｎｄｌｕｂｒｉｃｉｎ(ＬＵＢ)ｃｏａｔｅｄｓｕｒｆａｃｅｓ[３７]天然高分子纤维素具有独特的空间结构ꎬ常被用来制备吸附材料ꎮＱＣＭ￣Ｄ具有实时监测ꎬ高质量分辨率的特点完全适用于评价吸附材料的吸附性能ꎮＰｅｒｓｉｎ等[３８]利用ＱＣＭ￣Ｄ检测了基于纤维素和壳聚糖的吸附材料对蓝藻霉素的吸附能力ꎮＰｅｒｓｉｎ[３８]通过纤维素(ＣＮＦ)表面的羟基分别接枝环糊精(ＣＤ)和聚环糊精(ＰＣＤ)ꎬ分别形成ＣＮＦ￣ＣＤ和ＣＮＦ￣ＰＣＤꎮ以聚乙稀亚胺(ＰＥＩ)作为锚定聚合将ＣＮＦ㊁ＣＮＦ＋ＣＤ㊁ＣＮＦ￣ＣＤ㊁ＣＮＦ￣ＰＣＤ固定在ＱＣＭ￣Ｄ芯片上ꎬ利用频率和耗散的变化ꎬ实时在线检测了不同芯片表面在不同溶剂条件下对蓝藻霉素的吸附能力ꎬ研究发现ꎬ在盐溶液的条件下ꎬ有利于各个表面对蓝藻霉素的吸附ꎮ最重要的是该课题组制备的ＣＮＦ￣ＣＤ吸附材料对蓝藻霉素的吸附能力可以达到１９６ｍｇ/ｇꎮ大自然丰富多彩ꎬ无数的生物质资源可以被我们利用ꎮ比如说常见的木材ꎬ胡良兵等[３９￣４０]以木头为基础材料ꎬ研制出了具有超强力学性能的 超级木头 与 超级水凝胶 ꎮ木质素ꎬ一种天然的高分子材料ꎬ作为木材的组成之一ꎬ更是具有来源广泛㊁可再生㊁易修饰等优势ꎬ在造纸㊁生物医用等领域广泛应用ꎮ南京林业大学宋君龙[４１]将ＱＣＭ￣Ｄ融合进木质素领域ꎬ扩宽了ＱＣＭ￣Ｄ的应用范围ꎮ宋君龙教授通过结合频率与耗散变化研究了两性聚丙烯酰胺在纤维素表面的吸附行为ꎬ并评价两性聚丙烯酰胺对纤维网络干强度的影响ꎮ当两性聚丙烯酰胺的相对分子质量在３ ０ˑ１０５~５ˑ１０５之间时具有最佳的增强能力ꎮ并且通过探究两性聚丙烯酰胺在纤维素表面吸附动力学及吸附后构象的变化ꎬ总结出最佳的吸附条件ꎮ基于ＱＣＭ￣Ｄ的实时检测ꎬ高质量分辨率的特点ꎬ宋君龙教授[４２]还利用ＱＣＭ￣Ｄ研究了生物酶对木质纤维素的酶解作用ꎮＱＣＭ￣Ｄ通过检测界面微痕量的质量及构象变化ꎬ揭示了生物大分子之间的相互作用机制ꎬ可以为科研学者构建性能优异的材料提供理论支撑ꎮ２.４㊀药物释放生物医用高分子材料作为药物释放领域基础材料之一ꎬ已经被用来制备纳米胶囊及纳米微球等药物控释材料[４３]ꎮＱＣＭ￣Ｄ可以监测晶体表面吸附层的吸附动力学ꎬ揭示分子间的相互作用ꎬ因此利用ＱＣＭ￣Ｄ探索药物控释体系的载药与释放机制对建立更加优质的药物载体体系具有重要意义[４４]ꎮ自组１３１１㊀第１０期孙彬等:耗散型石英晶体微天平在生物医用高分子材料中的应用２３１１应用化学㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３７卷㊀装聚电解质薄膜是一类常见的用于药物释放体系的生物医用高分子材料ꎮ２０１４年ꎬＴｉｅｋｅ等[４５]将ＱＣＭ￣Ｄ与紫外可见分光光度计联合应用在聚电解质药物释放体系研究中ꎬ详细研究了层层自组装膜(ＬＢＬ)的载药与药物释放过程ꎬ研究表明层层自组装膜的载药能力与药物释放能力可以通过自组装膜与溶液环境的ｐＨ值控制ꎮ该研究系首次将ＱＣＭ￣Ｄ应用在聚电解质薄膜药物控释体系中ꎬ扩宽了在ＱＣＭ￣Ｄ生物医用高分子材料领域的应用ꎮ刘昌胜团队[４６]基于生物大分子伴刀豆蛋白Ａ和多糖制备了具有环境响应性的涂覆膜ꎬ涂覆膜通过静电相互作用包裹载药的纳米粒子ꎬ在合适的条件下涂覆膜解组装的同时释放药物ꎮ该团队主要利用ＱＣＭ￣Ｄ的频率变化分析了涂覆膜的组装与解组装行为ꎮ涂覆膜通过伴刀豆蛋白Ａ和多糖层层自组装形成ꎬ如图５Ａ所示ꎬ频率的变化表示吸附层质量的变化ꎬ当通入伴刀豆蛋白Ａ时频率下降说明经过活化的晶体表面吸附了伴刀豆蛋白Ａꎬ继续通入多糖时ꎬ频率显著下降ꎬ说明伴刀豆蛋白Ａ与多糖发生相互作用结合在一起ꎬ并循环数次后频率变化达到－２０００Ｈｚꎮ在中性条件下ꎬ自组装膜可以保持稳定状态ꎬ而在酸性条件下ꎬ自组装膜发生解聚ꎬ由图５Ｂ可以看出ꎬ当ｐＨ值达到５ ５时ꎬ频率变化明显ꎬ说明酸性条件下解聚反应已经发生ꎬｐＨ值为５ ０时频率显著变化ꎬ说明解聚反应剧烈ꎬ同时ꎬ该研究采用荧光标记的方法证实了在酸性条件下自组装膜会发生解聚现象ꎮ图５㊀ＱＣＭ￣Ｄ结果(Ａ)多层膜组装过程中频率的变化ꎮ(Ｂ)多层膜在酸性条件下解组装频率变化[４６]Ｆｉｇ.５㊀ＱＣＭ￣Ｄｒｅｓｕｌｔｓ(Ａ)Ｓｅｌｆ￣ａｓｓｅｍｂｌｙｏｆｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓ.(Ｂ)Ｄｉｓ￣ａｓｓｅｍｂｌｙｏｆｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓｉｓｔｒｉｇｇｅｒｅｄｕｎｄｅｒａｃｉｄｉｃｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ[４６]ＱＣＭ￣Ｄ在药物释放领域的应用突出了ＱＣＭ￣Ｄ在吸附层质量㊁结构变化分析方面的独特优势ꎮ在聚电解质药物载体的基础上ꎬ众多研究学者已经将目光转移到ＱＣＭ￣Ｄ在纳米胶束ꎬ胶囊等药物释放体系中的应用ꎮ但是ＱＣＭ￣Ｄ无法检测到药物载体在进入有机体后的药物释放行为及免疫反应ꎬ限制了ＱＣＭ￣Ｄ在药物释放领域的应用ꎮ２.５㊀水凝胶水凝胶材料是一类新型的智能高分子材料ꎬ近年来备受科研学者的关注ꎬ在生物医用材料领域应用广泛[４７]ꎮ膨胀收缩性能㊁生物相容性㊁力学性能是评价水凝胶材料性能的重要标准ꎬＱＣＭ￣Ｄ可以通过吸附前后频率和耗散的变化获得吸附物质的质量及吸附物质的物理化学性质ꎬ完全适用于评价水凝胶的膨胀收缩㊁力学㊁界面相互作用㊁粘弹性等性质[４８]ꎮ２００８年ꎬ浙江大学杜滨阳教授[４９]将ＱＣＭ用于评价水凝胶的膨胀收缩性能和粘弹性能ꎬ开扩了ＱＣＭ在水凝胶领域的应用ꎮＡｎｎａ等[５０]利用ＱＣＭ￣Ｄ的频率与耗散变化ꎬ直观显示了胶原蛋白在不锈钢表面及经过甲基丙烯酸五氟苯酯(ＰＦＭ)修饰的不锈钢表面的吸附行为ꎬ研究发现ＰＦＭ修饰的表面可以吸附大量胶原蛋白进而形成水凝胶ꎮＶｏｇｔ等[５１]利用ＱＣＭ￣Ｄ同时结合Ｓｈｕｌｌ提出的 流变模型 检测了水凝胶在Ｎａ２ＳＯ４㊁ＮａＢｒ及ＮａＣｌＯ４环境下膨胀及流变行为ꎮ预测与ＱＣＭ￣Ｄ实验结果如图６所示ꎬ频率的变化趋势代表水凝胶膨胀趋势ꎬ半峰宽的变化趋势代表水凝胶模量的变化趋势ꎮ研究发现在Ｎａ２ＳＯ４硬离子盐溶液中ꎬ水凝胶会大幅度地解膨胀并且复合模量会显著增加ꎮ在ＮａＣｌＯ４离液盐的环境中ꎬ水凝胶会迅速膨胀ꎬ并且复合模量发生变化ꎮ对于Ｎａ２ＳＯ４和ＮａＣｌＯ４环境下水凝胶的膨胀与复合模量的变化都依赖盐浓度的变化ꎮ在ＮａＢｒ盐环境下ꎬ水凝胶发生解膨胀ꎬ并且模量与膨胀变化与盐浓度无关ꎮ该研究促进了ＱＣＭ￣Ｄ在软材料领域的应用ꎮＱＣＭ￣Ｄ的频率变化可以简单的获得水凝胶的膨胀收缩信息ꎬ相比于传统的称量法具有省时ꎬ节约成本等优势ꎬ最重要的是ＱＣＭ￣Ｄ耗散的变化可以直接揭示水凝胶粘弹性的变化ꎬ节约表征成本ꎬ并可以为制备理想的水凝胶材料提供依据ꎮ图６㊀水凝胶薄膜在不同盐溶液中频率(Ａ)与半峰宽变化(Ｂ)[５１]Ｆｉｇ.６㊀ＱＣＭ￣Ｄｓｅｎｓｏｒｒｅｓｐｏｎｓｅｆｏｒ(Ａ)ｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｎｄ(Ｂ)ｈａｌｆｗｉｄｔｈｆｏｒｔｈｅｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍｓｗｅｌｌｉｎｇｏｆｔｈｅｈｙｄｒｏｇｅｌｆｉｌｍｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓａｌｔｓｏｌｕｔｉｏｎｓ[５１]３ 结论与展望ＱＣＭ￣Ｄ通过实时在线测量石英晶体表面吸附层的频率与耗散变化ꎬ获得表面吸附层质量及结构相关信息ꎬ具有非常高的质量及时间分辨率ꎬ在生物医用高分子材料领域具有不可代替的地位ꎮ本文简要介绍了ＱＣＭ￣Ｄ的基本原理及几种理论模型及其使用范围ꎬ并综述了ＱＣＭ￣Ｄ在高分子链构象㊁蛋白质吸附㊁水凝胶等方面的应用ꎮ随着生物医用材料的发展ꎬＱＣＭ￣Ｄ作为一种实时在线的表征技术ꎬ具有广阔的发展空间ꎮ但是ꎬ由于其基础理论相对复杂ꎬ目前研究多数把ＱＣＭ￣Ｄ作为一种测试表征手段ꎬ而不是深入研究医用高分子材料结构与性能关系的重要工具ꎬ尤其是高分子链构象转变或者蛋白质二级结构转变与材料表界面性能的关系ꎮ因此ꎬ未来需要深入拓展ＱＣＭ￣Ｄ的应用ꎬ同时与计算机模拟相结合解析材料结构与性能的关系ꎬ为制备高性能多功能的生物医用高分子材料提供理论基础ꎮ另一方面ꎬＱＣＭ￣Ｄ在生物医用高分子材料领域的研究对象主要为高分子链㊁聚合物薄膜㊁水凝胶等ꎬ针对抑制小分子药物在输注器械表面的吸附研究相对较少ꎬ未来将ＱＣＭ￣Ｄ技术与其他表征手段相结合ꎬ解决生物医药领域中小分子药物的吸附问题ꎬ获得准确的抑制小分子吸附的机理ꎮ３３１１㊀第１０期孙彬等:耗散型石英晶体微天平在生物医用高分子材料中的应用４３１１应用化学㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３７卷㊀参㊀考㊀文㊀献[１]ＫｏｎａｓｈＰＬꎬＢａｓｔｉａａｎｓＧＪ.ＰｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃＣｒｙｓｔａｌｓａｓＤｅｔｅｃｔｏｒｓｉｎＬｉｑｕｉｄＣｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ[Ｊ].ＡｎａｌＣｈｅｍꎬ１９８０ꎬ５２(１２):１９２９￣１９３１.[２]ＤｕＹＱꎬＪｉｎＪꎬＪｉａｎｇＷ.ＡＳｔｕｄｙｏｆＰｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅＧｌｙｃｏｌＢａｃｋｆｉｌｌｉｎｇｆｏｒＥｎｈａｎｃｉｎｇＴａｒｇｅｔＲｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎＵｓｉｎｇＱＣＭ￣ＤａｎｄＤＰＩ[Ｊ].ＪＭａｔｅｒＣｈｅｍＢꎬ２０１８ꎬ６(３９):６２１７￣６２２４.[３]ＤＵＢｉｎｙａｎｇꎬＦＡＮＸｉａｏꎬＣＡＯＺｅｎｇꎬｅｔａｌ.ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓａｎｄＯｕｔｌｏｏｋｓｏｆＱｕａｒｔｚＣｒｙｓｔａｌＭｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅｉｎＳｔｕｄｉｅｓｏｆＰｏｌｙｍｅｒＴｈｉｎＦｌｉｍｓ[Ｊ].ＣｈｉｎｅｓｅＪＡｎａｌＣｈｅｍꎬ２０１０ꎬ５(３８):７５２￣７５９(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ).杜滨阳ꎬ范潇ꎬ曹峥ꎬ等.石英晶体微天平在聚合物薄膜研究中的应用与展望[Ｊ].分析化学ꎬ２０１０ꎬ５(３８):１５１￣１５８. [４]ＥｓｃｏｂａｒＴｅｒａｎＦꎬＡｒｎａｕＡꎬＧａｒｃｉａＪＶꎬｅｔａｌ.ＧｒａｖｉｍｅｔｒｉｃａｎｄＤｙｎａｍｉｃＤｅｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆＧｌｏｂａｌＥＱＣＭＲｅｓｐｏｎｓｅｏｆＣａｒｂｏｎＮａｎｏｔｕｂｅＢａｓｅｄＥｌｅｃｔｒｏｄｅｓｂｙＡＣ￣Ｅｌｅｃｔｒｏｇｒａｖｉｍｅｔｒｙ[Ｊ].ＥｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍＣｏｍｍｕｎꎬ２０１６ꎬ７０:７３￣７７.[５]ＨｕＹꎬＪｉｎＪꎬＬａｎｇＨꎬｅｔａｌ.ｐＨＤｅｐｅｎｄｅｎｃｅｏｆＡｄｓｏｒｂｅｄＦｉｂｒｉｎｏｇｅｎＣｏｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄＩｔｓＥｆｆｅｃｔｏｎＰｌａｔｅｌｅｔＡｄｈｅｓｉｏｎ[Ｊ].Ｌａｎｇｍｕｉｒꎬ２０１６ꎬ３２(１６):４０８６￣４０９４.[６]ＯｌｓｓｏｎＡＬＪꎬＷａｒｇｅｎａｕＡꎬＴｕｆｅｎｋｊｉＮ.ＯｐｔｉｍｉｚｉｎｇＢａｃｔｅｒｉｏｐｈａｇｅＳｕｒｆａｃｅＤｅｎｓｉｔｉｅｓｆｏｒＢａｃｔｅｒｉａｌＣａｐｔｕｒｅａｎｄＳｅｎｓｉｎｇｉｎＱｕａｒｔｚＣｒｙｓｔａｌＭｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅｗｉｔｈＤｉｓｓｉｐａｔｉｏｎＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇ[Ｊ].ＡＣＳＡｐｐｌＭａｔｅｒＩｎｔｅｒｆａｃｅｓꎬ２０１６ꎬ８(２２):１３６９８￣１３７０６. [７]ＬｖＪＨꎬＪｉｎＪꎬＣｈｅｎＪＹꎬｅｔａｌ.ＡｎｔｉｆｏｕｌｉｎｇａｎｄＡｎｔｉｂａｃｔｅｒｉａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓＣｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｂｙＱｕａｔｅｒｎａｒｙＡｍｍｏｎｉｕｍａｎｄＢｅｎｚｙｌＥｓｔｅｒＤｅｒｉｖｅｄｆｒｏｍＬｙｓｉｎｅＭｅｔｈａｃｒｙｌａｍｉｄｅ[Ｊ].ＡＣＳＡｐｐｌＭａｔｅｒＩｎｔｅｒｆａｃｅｓꎬ２０１９ꎬ１１(２８):２５５５６￣２５５６８.[８]ＱｉｎＢꎬＹｉｎＺꎬＴａｎｇＸꎬｅｔａｌ.ＳｕｐｒａｍｏｌｅｃｕｌａｒＰｏｌｙｍｅｒＣｈｅｍｉｓｔｒｙ:ＦｒｏｍＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＣｏｎｔｒｏｌｔｏＦｕｎｃｔｉｏｎａｌＡｓｓｅｍｂｌｙ[Ｊ].ＰｒｏｇＰｏｌｙｍＳｃｉꎬ２０１９ꎬ１０:１０１１６７.[９]ＺｈａｎｇＹꎬＬｉｕＸꎬＺｅｎｇＬꎬｅｔａｌ.ＴｉｓｓｕｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ:ＰｏｌｙｍｅｒＦｉｂｅｒＳｃａｆｆｏｌｄｓｆｏｒＢｏｎｅａｎｄＣａｒｔｉｌａｇｅＴｉｓｓｕｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ[Ｊ].ＡｄｖＦｕｎｃｔＭａｔｅｒꎬ２０１９ꎬ２９(３６):１９７０２４６.[１０]ＺｈａｎｇＹꎬＤｕＢＹꎬＣｈｅｎＸꎬｅｔａｌ.ＣｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅｏｆＤｉｓｓｉｐａｔｉｏｎａｎｄＩｍｐｅｄａｎｃｅＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＱｕａｒｔｚＣｒｙｓｔａｌＭｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅＳｔｕｄｉｅｓ[Ｊ].ＡｎａｌＣｈｅｍꎬ２００９ꎬ８１(２):６４２￣６４８.[１１]ＨａｊｉｒａｉｓｓｉＲꎬＨａｎｋｅＭꎬＹａｎｇＹꎬｅｔａｌ.ＡｄｓｏｒｐｔｉｏｎａｎｄＦｉｂｒｉｌｌｉｚａｔｉｏｎｏｆＩｓｌｅｔＡｍｙｌｏｉｄＰｏｌｙｐｅｐｔｉｄｅａｔＳｅｌｆ￣ａｓｓｅｍｂｌｅｄＭｏｎｏｌａｙｅｒｓＳｔｕｄｉｅｄｂｙＱＣＭ￣ＤꎬＡＦＭꎬａｎｄＰＭ￣ＩＲＲＡＳ[Ｊ].Ｌａｎｇｍｕｉｒꎬ２０１８ꎬ３４(１１):３５１７￣３５２４.[１２]ＨｕＹꎬＪｉｎＪꎬＨａｎＹＹꎬｅｔａｌ.ＳｔｕｄｙｏｆＦｉｂｒｉｎｏｇｅｎＡｄｓｏｒｐｔｉｏｎｏｎＰｏｌｙ(ＥｔｈｙｌｅｎｅＧｌｙｃｏｌ)￣ＭｏｄｉｆｉｅｄＳｕｒｆａｃｅｓＵｓｉｎｇａＱｕａｒｔｚＣｒｙｓｔａｌＭｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅｗｉｔｈＤｉｓｓｉｐａｔｉｏｎａｎｄａＤｕａｌＰｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎＩｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ[Ｊ].ＲＳＣＡｄｖꎬ２０１４ꎬ４(１５):７７１６￣７７２４. [１３]ＨｅｉｄａｒｙＮꎬＫｏｒｎｉｅｎｋｏＮꎬＫａｌａｔｈｉｌＳꎬｅｔａｌ.ＤｉｓｐａｒｉｔｙｏｆＣｙｔｏｃｈｒｏｍｅＵｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｉｎＡｎｏｄｉｃａｎｄＣａｔｈｏｄｉｃＥｘｔｒａｃｅｌｌｕｌａｒＥｌｅｃｔｒｏｎＴｒａｎｓｆｅｒＰａｔｈｗａｙｓｏｆＧｅｏｂａｃｔｅｒＳｕｌｆｕｒｒｅｄｕｃｅｎｓＢｉｏｆｉｌｍｓ[Ｊ].ＪＡｍＣｈｅｍＳｏｃꎬ２０２０ꎬ１４２(１１):５１９４￣５２０３. [１４]ＭａｒｘＫＡ.ＱｕａｒｔｚＣｒｙｓｔａｌＭｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅ:ＡＵｓｅｆｕｌＴｏｏｌｆｏｒＳｔｕｄｙｉｎｇＴｈｉｎＰｏｌｙｍｅｒＦｉｌｍｓａｎｄＣｏｍｐｌｅｘＢｉｏｍｏｌｅｃｕｌａｒＳｙｓｔｅｍｓａｔｔｈｅＳｏｌｕｔｉｏｎ￣ＳｕｒｆａｃｅＩｎｔｅｒｆａｃｅ[Ｊ].Ｂｉｏｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓꎬ２００３ꎬ４(５):１０９９￣１１２０.[１５]ＳａｕｅｒｂｒｅｙＧ.ＶｅｒｗｅｎｄｕｎｇＶｏｎＳｃｈｗｉｎｇｑｕａｒｚｅｎＺｕｒＷäｇｕｎｇＤüｎｎｅｒＳｃｈｉｃｈｔｅｎＵｎｄＺｕｒＭｉｋｒｏｗａｇｕｎｇ[Ｊ].ＺｅｉｔｓｃｈｒｉｆｔＦüｒＰｈｙｓｉｋꎬ１９５９ꎬ１５５(２):２０６￣２２２(ｉｎＧｅｒｍａｎ).[１６]ＫａｎａｚａｗａＫＫꎬＧｏｒｄｏｎＪＧ.ＦｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆａＱｕａｒｔｚＭｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅｉｎＣｏｎｔａｃｔｗｉｔｈＬｉｑｕｉｄ[Ｊ].ＡｎａｌＣｈｅｍꎬ１９８５ꎬ５７(８):１７７０￣１７７１.[１７]ＲｏｄａｈｌＭꎬＫａｓｅｍｏＢ.ＯｎｔｈｅＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆＴｈｉｎＬｉｑｕｉｄＯｖｅｒｌａｙｅｒｓｗｉｔｈｔｈｅＱｕａｒｔｚ￣ＣｒｙｓｔａｌＭｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅ[Ｊ].ＳｅｎｓＡｃｔｕａｔｏｒｓＡꎬ１９９６ꎬ５４(１￣３):４４８￣４５６.[１８]ＣｈｅｎＴꎬＹａｎｇＨꎬＧａｏＨＷꎬｅｔａｌ.ＡｄｓｏｒｐｔｉｏｎａｎｄＯｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｏｆ３ꎬ４￣Ｄｉｈｙｄｒｏｘｙ￣Ｌ￣ＰｈｅｎｙｌａｌａｎｉｎｅｏｎｔｏＴｕｎａｂｌｅＭｏｎｏｌａｙｅｒＦｉｌｍｓ[Ｊ].ＪＰｈｙｓＣｈｅｍＣꎬ２０１７ꎬ１２１(２１):１１５４４￣１１５５１.[１９]ＤｕＢＹꎬＪｏｈａｎｎｓｍａｎｎＤ.ＯｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＱｕａｒｔｚＣｒｙｓｔａｌＭｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅｉｎＬｉｑｕｉｄｓ:ＤｅｒｉｖａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＥｌａｓｔｉｃＣｏｍｐｌｉａｎｃｅｏｆａＦｉｌｍｆｒｏｍｔｈｅＲａｔｉｏｏｆＢａｎｄｗｉｄｔｈＳｈｉｆｔａｎｄＦｒｅｑｕｅｎｃｙＳｈｉｆｔ[Ｊ].Ｌａｎｇｍｕｉｒꎬ２００４ꎬ２０(７):２８０９￣２８１２.[２０]ＭａＨＷꎬＺｈｕＺꎬＬｉＤꎬｅｔａｌ.ＡＱｕａｒｔｚＣｒｙｓｔａｌＭｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅ￣ＢａｓｅｄＭｏｌｅｃｕｌａｒＲｕｌｅｒｆｏｒＢｉｏｐｏｌｙｍｅｒｓ[Ｊ].ＣｈｅｍＣｏｍｍｕｎꎬ２０１０ꎬ４６(６):９４９￣９５１.[２１]ＤｅＮｏｌｆＧＣꎬＳｔｕｒｄｙＬＦꎬＳｈｕｌｌＫＲ.Ｈｉｇｈ￣ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＲｈｅｏｌｏｇｉｃａｌＣｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆＨｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓＰｏｌｙｍｅｒＦｉｌｍｓｗｉｔｈｔｈｅＱｕａｒｔｚＣｒｙｓｔａｌＭｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅ[Ｊ].Ｌａｎｇｍｕｉｒꎬ２０１４ꎬ３０(３２):９７３１￣９７４０.[２２]ＳａｄｍａｎＫꎬＷｉｅｎｅｒＣＧꎬＷｅｉｓｓＲＡꎬｅｔａｌ.ＱｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅＲｈｅｏｍｅｔｒｙｏｆＴｈｉｎＳｏｆｔＭａｔｅｒｉａｌｓＵｓｉｎｇｔｈｅＱｕａｒｔｚＣｒｙｓｔａｌＭｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅｗｉｔｈＤｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ[Ｊ].ＡｎａｌＣｈｅｍꎬ２０１８ꎬ９０(６):４０７９￣４０８８.[２３]ＢｒｕｃｋｅｎｓｔｅｉｎＳꎬＭｉｃｈａｌｓｋｉＭꎬＦｅｎｓｏｒｅＡꎬｅｔａｌ.ＤｕａｌＱｕａｒｔｚＣｒｙｓｔａｌＭｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅＯｓｃｉｌｌａｔｏｒＣｉｒｃｕｉｔ.ＭｉｎｉｍｉｚｉｎｇＥｆｆｅｃｔｓＤｕｅｔｏＬｉｑｕｉｄＶｉｓｃｏｓｉｔｙꎬＤｅｎｓｉｔｙꎬａｎｄＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ[Ｊ].ＡｎａｌＣｈｅｍꎬ１９９４ꎬ６６(１１):１８４７￣１８５２.[２４]ＨＥＪｉａｎᶄａｎꎬＦＵＬｏｎｇꎬＨＵＡＮＧＭｏꎬｅｔａｌ.ＴｈｅＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＱｕａｒｔｚＣｒｙｓｔａｌＭｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅ[Ｊ].ＳｃｉＳｉｎＣｈｉｍꎬ２０１１ꎬ４１(１１):７￣２６(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ).何建安ꎬ付龙ꎬ黄沫ꎬ等.石英晶体微天平的新进展[Ｊ].中国科学:化学ꎬ２０１１ꎬ４１(１１):７￣２６.[２５]ＬｉｕＧＭꎬＺｈａｎｇＧＺ.ＲｅｅｎｔｒａｎｔＢｅｈａｖｉｏｒｏｆＰｏｌｙ(Ｎ￣Ｉｓｏｐｒｏｐｙｌａｃｒｙｌａｍｉｄｅ)ＢｒｕｓｈｅｓｉｎＷａｔｅｒ￣ＭｅｔｈａｎｏｌＭｉｘｔｕｒｅｓＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ。
石英晶体微天平原理
石英晶体微天平原理石英晶体微天平（Quartz Crystal Microbalance，简称QCM）是一种利用石英晶体的振荡频率变化来测量微量物质质量的分析仪器。
其工作原理是基于石英晶体微振器在质量变化时引起谐振频率的变化。
石英晶体是一种具有垂直电极和涂有一层金属电极的薄膜石英技术器件。
在标准条件下，石英晶体具有特定的谐振频率，当质量发生变化时，石英晶体的谐振频率也会发生相应的变化。
这个质量的变化可以是溶质吸附、膜生长、能量转换等引起的。
石英晶体微天平的主要部分包括石英晶体和振荡电路。
石英晶体被放置在真空或气体环境中，通过电极与振荡电路相连。
当外加交流电场施加到石英晶体上时，晶体将发生机械振荡，并产生电荷分布，从而使晶体表面产生一定的驱动力。
这种驱动力可以通过检测电路检测出来，并转换成电信号。
石英晶体微天平利用石英晶体的材料特性和电极结构，通过测量振荡频率的变化来定量分析溶液中微量物质的吸附、反应和生长过程。
当溶液中存在微量物质时，这些物质会在石英晶体的表面上吸附或反应，并改变晶体的质量。
质量的变化将引起石英晶体的共振频率的改变，这个频率的变化与溶液中微量物质的质量变化成正比。
QCM主要分为自由振动和受控振动两种模式。
在自由振动模式下，石英晶体将自由振动，而在受控振动模式下，通过将交流电场施加到电极上，通过调节频率和振幅来控制石英晶体的振荡。
这样可以通过控制石英晶体的振荡来监测微量物质的吸附和反应过程。
石英晶体微天平在生物医学、环境监测、材料科学等领域具有广泛的应用。
例如，它可以用于研究蛋白质的吸附、细胞的生长、药物的吸附和释放等过程。
由于其高灵敏度、快速响应和无需标记的特点，石英晶体微天平已经成为一种非常重要的表征和分析技术。
总之，石英晶体微天平利用石英晶体的振荡频率变化来测量微量物质质量的分析技术。
它的工作原理是基于石英晶体在质量发生变化时引起谐振频率的变化。
通过测定谐振频率的变化，可以定量分析溶液中微量物质的吸附、反应和生长过程。
QCM石英微天平
QCM石英微天平名目一、什么是石英微天平(QCM)?二、QCM的应用三、KSV QCM500的工作原理四、KSV-QCM500的特点及技术参数五、实例一、什么是石英微天平(QCM)?因此，人们把QCM描述成一个超灵敏的质量传感器，它的核心部件是夹在一对电极中的AT切割石英晶体。
在电极与振荡器连接并施加交流电压之后，石英晶体因为压电效应会以它的谐振频率振荡。
因为高质量的振荡，因此振荡通常会专门稳固。
依照Sauerbrey公式，假如在一个或两个电极上平均地制备一个硬层，谐振频率的衰减与被吸附层的质量成正比。
△f：所要测定的频率变化量f0：石英的固有频率△m：单位面积的质量变化量(g/cm2)A：压电活性面积rq：石英的密度=2.648g/cm3m q：石英的剪切模量=2.947×1011g/cm×s2.以下几种情形不适用于Sauerbrey公式：1) 被吸附的物质在电极表面上呈非刚性状态；2) 被吸附的物质在电极表面上滑动；3) 被吸附的物质在电极表面上沉积的不平均；因此，Sauerbrey公式仅严格适用于平均、同质、刚性薄膜的沉积。
由于那个缘故，专门多年来，QCM仅仅被视为气相物质的检测器。
直到二十世纪80年代，科学家们才认识到假如石英完全浸入液体中，也能受激发产生稳固的振荡。
Kanazawa及其合作者对QCM 在液相中测量方面做了许多开拓性的工作，他们指出QCM从空气进入到液体时，它的谐振频率的变化是与液体的密度与粘度乘积的平方根成正比例的，如下式。
△f：所要测定的频率变化量fu：石英的固有频率rL：与石英接触的液体的密度h L：与石英接触的液体的粘度rq：石英的密度=2.648g/cm3m q：石英的剪切模量=2.947×1011g/cm×s2.当人们发觉过量的粘性载荷并不阻碍在液体中使用QCM，而且它对固-液态中质量的变化仍旧专门灵敏，QCM就被用于直截了当与液体和/或粘弹性的薄膜进行接触来评估物质量和粘弹性特点的变化。
QCM
石英晶体微天平是一种新型的高精度谐振式测量仪器，测量精度 可以达到纳克级，由于具备测量精度高，结构简单，成本低廉等 优点，越来越被科研工作者关注和重视。
1.基本原理 2.结 构
3.相关应用
基本原理
相关概念：
晶体的各向异性： 沿晶格的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不尽相同，由此 导致晶体在不同方向的物理化学特性也不同。 压电效应： 对某些电介质施加机械力从而引起它们内部的正负电荷中心发生相 对位移，产生极化，进而导致介质两端表面内出现符号相反的束缚 电荷的现象。 牛顿流体： 指在受力后极易变形，且切应力与变形速率成正比的低粘性流体。 切应力： 物体由于外因而变形时，在物体内部各部分之间所产生的用于抵抗 这种外因的作用，并力图使物体从变形后状态回复到变形前状态的 内力。
基本原理
在上世纪六十年代初，压电石英晶体作为质量传感器的应用一直局限在 气相中。无合适的液相定量方程是其中的原因之一，但更主要的原因是 其在液相中的振荡一直未获得成功。因为晶体在液相中振荡导致的能量 损耗远大于气相中的损耗。直至八十年代，Nomura和Konash等实现了 石英晶体在溶液中的振荡，从而开拓压电传感器应用的全新领域。随后 Kanazawa等提出了著名的Kanazawa-Gordon方程，即在牛顿流体中晶 体的谐振频率变化满足：
基本原理
QCM定量基础：
德国物理学家Sauerbrey通过大量的研究发现厚度剪切压电石英晶体 的谐振频率变化Δf与在晶体表面均匀吸附的刚性物的质量Δm之间 存在着比例关系， 他在1959年给出了Sauerbrey 方程：
式中f为晶体的固有谐振频率，又叫基频率, ( Hz), m 为晶体表面涂层 质量(g), △ f 为晶体谐振频率的变化量，A为涂层面积(cm2)。 该方程的适用前提是晶体表面的吸附层必须为刚性吸附层，既在晶体 发生谐振时该吸附层可随晶体本体发生无形变无相对位移的同步振动。 以此为理论依据，QCM最早只能应用与真空或气相环境中。
石英晶体微天平资料
1.精确构建数学模型和电子线路仿真模型， 不忽略任何影响产品精确度的微小因素， 使样机的设计制作变得容易，为实际产品 的开发提供可靠的理论依据。 2.做出可以测量微小质量的QCM样机,。 3.电路设计，实现晶体电路的自适应控制。
关键技术
1.本小组为此次科研活动准备了充足的资料，包括国内重点院校的研究成果， 本校专业老师的指导和耐心讲解，以及本项目的研究生学长的介绍和样机展示。 对石英晶体微天平的工作原理及结构设计有了一定的了解，对研究方向、步骤 都有了很好的把握。 2.指导老师在电路研究方面有多年的经验，是本学院电子电气专业带头人、具 有较强的专业性，曾指导过的许多科研国创小组都取得了优秀的科研成果，作 为第一作者发表了许多专业的学术论文并编写过电子线路等大学物理专业课教 材。 3.我们已经通过实验测得了粉尘质量和振荡频率的关系，为接下来的研究奠定 了良好的基础。
石物 理英 晶学 体院 微 国天 平创 项 原目 (QCM) 理 及参 赛样 作机 设品 计
小组成员介绍
武晓佳
段璎宸
董丽君 国创答辩
刘静
董振余
展示内容
选题依据
创新点、关键技术
作品简介 研究方案
预期目标
国作创品答简辩介
石英晶体微天平（Quartz crystal microbalance） 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。
可行性分析
选题依据
创新点、关键技术
项目简介 研究方案 预期目标
预期目标
1.本小组为此次科研活动准备了充足的资料，包括国内重点院校的研究成果， 本校专业老师的指导和耐心讲解，以及本项目的研究生学长的介绍和样机展示。 对石英晶体微天平的工作原理及结构设计有了一定的了解，对研究方向、步骤 都有了很好的把握。 2.指导老师在电路研究方面有多年的经验，是本学院电子电气专业带头人、具 有较强的专业性，曾指导过的许多科研国创小组都取得了优秀的科研成果，作 为第一作者发表了许多专业的学术论文并编写过电子线路等大学物理专业课教 材。 3.我们已经通过实验测得了粉尘质量和振荡频率的关系，为接下来的研究奠定 了良好的基础。
qcm原理
石英晶体微天平的原理和应用一、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。
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35度15'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；\三、石英晶体微天平的分析化学应用QCM最早应用于气相组分、有毒易爆气体的检测。
qcm的基本原理及应用对象
qcm的基本原理及应用对象1. qcm基本原理Quartz Crystal Microbalance（QCM），即石英晶体微天平，是一种用于测量微小质量和表面过程的技术。
它基于石英晶体的振荡频率与质量之间的关系，通过测量晶体的频率变化来获取被测物体的质量变化。
其基本原理如下：•使用仪器将石英晶体定位在一个封闭的装置中，装置中有液体或气体。
•石英晶体上电极施加一个交变电压，使其发生振荡。
•当物质吸附到石英晶体的表面时，会导致晶体的振荡频率发生变化。
•通过测量频率变化，可以得到吸附物质的质量变化。
2. qcm的应用对象QCM的测量范围非常广泛，适用于以下应用对象：2.1. 薄膜厚度测量QCM可以用于测量薄膜的厚度变化，通过监测晶体表面的质量变化来确定薄膜的生长速率。
这在材料科学研究、薄膜涂覆等领域具有重要应用。
•实例应用：利用QCM测量金属氧化物薄膜的生长速率，以优化材料制备工艺。
2.2. 生物分子相互作用研究QCM可以用于研究生物分子之间的相互作用，例如蛋白质与配体、受体与配体等的结合过程。
通过监测晶体表面质量变化的动态过程，可以了解分子间的结合情况和结合强度。
•实例应用：利用QCM研究药物与受体的结合过程，以评估药物的效力。
2.3. 界面吸附研究QCM可以用于研究物质在液体或气体界面上的吸附行为。
通过测量晶体频率的变化，可以探测到材料的吸附行为和吸附动力学。
•实例应用：利用QCM研究油水界面上聚合物的吸附行为，以优化油水分离过程。
2.4. 生物传感器开发基于QCM原理，可以开发出一种高灵敏度、快速响应的生物传感器。
利用生物分子与目标物质的特异性相互作用，可以实现对目标物质的高效检测。
•实例应用：利用QCM开发血糖传感器，实现快速、准确的血糖监测。
3. 总结QCM作为一种高灵敏度、快速响应的测量技术，其基本原理已被广泛应用于材料科学、生物医学和化学等领域。
通过测量石英晶体的频率变化，可以实现对微小质量的准确测量，并获得相应的质量变化信息。
石英晶体微天平(物质结构)
ΔF = - 2 F02ΔM/A（qq）1/2
ΔF：石英晶体的频率改变量,又称频移值 （Hz）；F0:石英晶体的基频；ΔM：沉积在 电极上的物质的质量改变（g）；A：工作电 极的面积; q:剪切参数（2.951010 kg·m-1·s-2）; q：石英的密度（2648 kg·m-3）。
可以看出，频移值ΔF与质量改变ΔM之间有一简 单的线性关系，负号表示质量升高，频率降低。
当石英晶体振荡与流体接触时，晶体表面 对流体的耦合极大地改变振荡频率，并在 晶体与流体接触面附近产生一剪切振动。 振动表面在流体中产生平流层，它导致 频率与(h)1/2成比例降低，这里和h分别 是流体的密度和粘度。
Df = -fu 2/3 [(LhL) / (p (qq)] ½,
Df = measured frequency shift, fu = resonant frequency of the unloaded crystal, L = density of liquid in contact with the crystal, hL = viscosity of liquid in contact with the crystal, q = density of quartz, 2.648 g/cm3, q = shear modulus of quartz, 2.947 1011 g/cm s2.
TNF:Tumor necrosis factor
g/ l).
Interaction of hTNF-antigen immobilized sensor with various proteins (protein concentration: 0.5g/L)
3、DNA生物传感器
所谓DNA传感器，就是利用石英晶体微天 平作为换能器制备的质量式基因传感器， 是以石英晶体振荡器（QCM）为换能器， 将单链的DNA探针固定在电极表面上，然 后浸入含有被测目标ssDNA分子的溶液中， 当电极上的ssDNA探针与溶液中的互补序 列的目标ssDNA分子杂交，QCM的振荡频 率就会发生变化。
QCM
用
将两种相互反应的蛋白质，一种固定于QCM电极表面，另 一种则存在于待测试剂中，通过连续检测QCM输出的变化 即可得到试剂中待测蛋白质的含量或两种蛋白质的相互反 应的活性。 此外当蛋白质在QCM表面存在的结构不同时，蛋白质吸附 层的致密程度不同，QCM的振动情况也会有所不同。因此 通过 QCM的振动情况不但可推测蛋白质在QCM表面的结 构，还可实时分析各种因素对蛋白质结构的影响。
压电效应： 对某些电介质施加机械力，从而引起它们内部的正负电荷中 心发生相对位移，产生极化，进而导致介质两端表面内出现符 号相反的束缚电荷的现象。 牛顿流体： 指在受力后极易变形，且切应力与变形速率成正比的低粘性 流体。 切应力： 物体由于外因而变形时，在物体内部各部分之间所产生的用 于抵抗这种外因的作用，并力图使物体从变形后状态回复到变 形前状态的内力。
应
电化学传感器：
用
当QCM用作电化学传感器时，其表面的电极具有QCM工作 电极和电化学工作电极双重身份。即QCM可以同时追踪电 化学反应中的质量变化和电荷变化。 QCM电化学传感器可以用于研究电极表面的各种氧化还原 反应，监测电极物质的淀积和溶解，还可用于分析导电聚 合物在QCM电极表面的反应情况等。
结
QCM结构简图
构
结
QCM晶片结构简图
构
晶片是从高纯度石英晶体上按一定的方位角（AT）切下的薄片， 然后在晶片的两面镀金，并对金电极进行严格的光学抛光处理。 晶片两面的金电极尺寸不等，A为工作电极与液体接触并吸附 薄膜，B为激励电极与空气接触并保持高度清洁，将AB两电极 接线点引致一侧。 B电极之所以要小于A电极是为了消除边缘效应。
石英晶体微天平
科大张广照小组
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HS-PNIPAM 短链 在6300min金表面饱和，接枝停止 。1快速；2减慢；3急剧降低，构 象转变，分别对应薄饼，蘑菇，刷 子构象 1，快速接枝到裸露的金表面 2，已接枝，阻止了进一步接枝 3，构象转变，可以容纳新的链。
HS-PNIPAM 长链 1快速接枝2稳定薄饼状
科大张广照小组
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石英晶体微天平传感器的优点与缺点
石英晶体微天平传感器的主要优点： （1）稳定性好，检测信噪比高； （2）灵敏度高； （3）响应速度快； （4）容易操作，有利于在线实时检测和远程监控； （5）石英晶片价格适当，利于大规模生产。
石英晶体微天平传感器的主要缺点： （1）由于石英晶体微天平传感器的检测机理是物质在石英晶片表
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5. Adsorption kinetic 吸附过程 Formation of Lipid Bilayer
Richter et al1.8
5. Adsorption kinetic 吸附过程 Formation of Lipid Bilayer
Richter et al1.9
5. Adsorption kinetic 吸附过程 Formation of Lipid Bilayer
科大张广照小组
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5. Adsorption kinetic 吸附过程 Poly(N-isopropylacrylamide) brush 的构象转变
DTM-PNIPAM不与金表面有化学作用，链段强 烈吸附于金表面，清洗后仍有较大的频率变化， 说明链段-界面作用对接枝动力学的影响。清洗结
果说明短链形成的厚实的刷子状结构，由于 链段-链段排斥，难以插入新链，只是少量吸 附，洗去后频率变化很小。
石英晶体微天平原理
石英晶体微天平原理# 石英晶体微天平原理石英晶体微天平（Quartz Crystal Microbalance，QCM）是一种常用的质量测量仪器，广泛应用于物理、化学、生物和材料科学等领域。
QCM基于石英晶体的共振频率变化与其上质量变化之间的关系，可用于测量微量物质的吸附、膜的形成、表面的自组装以及液体的粘度等。
## 原理概述石英晶体微天平由一块厚度约为0.3-3 mm的石英晶体组成，其表面覆盖有金属电极。
晶体通常为圆形或矩形，尺寸在1-10 mm之间。
电极上施加交流电压，将晶体带入共振状态。
当外界有质量吸附在晶体表面时，这会导致晶体质量的微小增加，同时引起共振频率的变化。
通过测量频率变化的大小，我们可以推断出质量变化的大小。
## 共振频率与质量变化的关系晶体的共振频率与其质量和弹性系数有关。
晶体的共振频率与质量成反比，与弹性系数成正比。
当外界质量吸附在晶体表面时，晶体质量增加，导致共振频率下降。
因此，通过测量频率变化的大小，可以确定质量变化的量级。
## 实验操作在进行QCM实验时，首先将清洁的石英晶体放置在实验盒中。
然后，涂覆待测物质的样品溶液或气体在晶体表面，使其吸附。
当样品吸附在晶体表面时，通过电极施加交流电压，使晶体进入共振状态。
由于吸附物质的质量变化，导致晶体质量增加，共振频率下降。
频率变化可以通过专用的频率计或示波器进行测量和记录。
## 应用领域石英晶体微天平在各个领域得到了广泛的应用，如下所示：- 物理学：用于研究表面粗糙度、材料的弹性性质等。
- 化学：用于研究溶液中物质的吸附、反应等。
- 生物学：用于研究生物膜的形成、蛋白质的结构变化等。
- 材料科学：用于研究材料表面的涂层、薄膜的形成等。
## 优势与局限性石英晶体微天平具有以下优势：- 高精度：能够测量微量的质量变化。
- 高灵敏度：能够检测到纳克级的质量变化。
- 实时性：可以实时监测质量的变化。
- 非破坏性：无需破坏样品，可反复使用。
最新7章石英晶体微天平汇总
7章石英晶体微天平⑵石英晶体微天平用石英晶体制作的谐振器，对置于其表面的质量有敏感性。
利用石英谐振器对其表面质量的敏感性，可以检测到表面质量所发生的纳克量级的微量变化。
因此，石英晶体谐振器是一种具有极高灵敏度的质量传感器，人们形象地把其称为石英晶体微天平（QCM）。
由于化学变化是一种物质交换的过程，所以化学变化总会表现出质量的变化，因此利用石英晶体微天平可以研究物质的化学变化，成为一种化学量微传感器。
①石英晶体谐振器我们前面已经讨论过石英晶体的一些性质，如石英晶体的压电效应和逆压电效应。
利用石英晶体的压电效应可以制作压电式传感器；利用石英晶体的逆压电效应，可以制作谐振式传感器中的激励元件等。
下面我们继续讨论一下石英晶体的另外一些性质。
ⅰ石英晶体的切型石英晶片对晶体坐标轴某种方位的切割称为石英晶片的切型。
由于石英晶体的各向异性，不同切型的石英晶片，其物理特性也各不相同。
石英晶体的切型符号有两种表示方法：一种是IRE标准符号表示法，另一种是石英晶体特有的习惯表示法。
在IRE标准符号表示法中，切型符号用一组字母（XYZLWt）和角度表示，XYZ三个字母的先后排列表示晶片的厚度、长度沿坐标轴的原始方位，用t(厚度)、L（长度）、W（宽度）表示旋转的方位，角度的正号表示逆时针旋转，负号表示顺时针旋转。
(a)晶片的原始厚度、长度方位（b）沿长度方向逆时针旋转350得到晶片切型图2-25（YXL）350切型例如，（YXL）350表示：切割晶片的原始厚度沿Y方向，原始长度沿X方向，然后沿长度方向旋转逆时针旋转350，即得到晶片的切割方位。
（XYtL）50/-500表示：切割晶片的原始厚度沿X 方向，原始长度沿Y方向，然后厚度逆时针旋转50，长度顺时针旋转500，即是石英晶片的切割方位。
在石英晶体的习惯表示法中，一般用两个大写英文字母表示切型。
把（YXI）350切型用符号AT表示，（XYtI）50/-500切型用NT表示等。
QCM石英微天平
QCM石英微天平石英微天平分析仪(QCM)介绍目录一、什么是石英微天平(QCM)?二、QCM的应用三、KSV QCM500的工作原理四、KSV-QCM500的特点及技术参数五、实例一、什么是石英微天平(QCM)?Pierre和Marie Curie在1880年指出在晶体的某个方向施加压力后，四水合酒石酸钾钠晶体会产生电压。
后来他们还指出存在相反的效应，也即施加电压会产生应变。
正是通过这些观察结果从而导致了压电效应的发现。
起初压电效应无人问津，直到1917年发现石英可用作传感器和水中超声波接收机后，才开始对压电效应进行了许多详尽研究。
到1919年开始出现了一些今天日常生活中所用的设备，例如扩音器、麦克风和拾音器，它们都是基于四水合酒石酸钾钠压效应的原理。
到1921年出现了第一台石英晶控振荡器，它基于X切割晶体。
它的缺点是对温度很敏感。
因此，现在X切割晶体被用于那些即便很大的温度系数它的影响也极其微弱的领域，如空间声纳仪中的变频器。
1934年在引入了AT切割晶体后，在所有的频率控制应用中，石英晶体成为主流趋势。
AT切割晶体的优点是在室温下，它对温度几乎没有频率漂移。
自很早石英谐振器开始用作频率控制元件以后，在电极上划铅笔标记来增加谐振器的频率或者用橡皮擦去一些电极材料来减少频率已是普遍做法。
这种对质量导致频率移动的理解仅仅建立在定性基础上的。
然而在1959年，Sauerbrey发表论文指出石英谐振器频率的移动与增加的质量成正比例。
他此发现通常被看作是一个突破，迈出了利用一种新的定量方法来测量微量物质的第一步，例如石英微天平。
因此，人们把QCM描述成一个超灵敏的质量传感器，它的核心部件是夹在一对电极中的AT切割石英晶体。
在电极与振荡器连接并施加交流电压之后，石英晶体因为压电效应会以它的谐振频率振荡。
因为高质量的振荡，所以振荡通常会很稳定。
根据Sauerbrey公式，如果在一个或两个电极上均匀地制备一个硬层，谐振频率的衰减与被吸附层的质量成正比。
石英晶体微天平在电化学方面的应用
石英晶体微天平(eQCM)在电化学方面的应用1 前言石英晶体微天平是以石英晶体为换能元件，利用石英晶体的压电效应，将待测物质的质量信号转换成频率信号输出，从而实现质量、浓度等检测的仪器，测量精度可以达纳克量级。
Bruckenstein等人又将QCM引入电化学研究，将QCM 技术与电化学技术联用组成电石英晶体微天平系统(eQCM)。
由于eQCM能在获得电化学信息的同时又能得到电极表面质量变化的信息。
因此eQCM迅速引起了科学家的兴趣。
2 石英晶体微天平简介2.1 定义石英晶体微天平（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。
2.2 基本原理与构造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 。
石英晶体微天平在聚合物薄膜研究中的应用与展望
: ( 4)
- 2nf 0 & i fd f ( i2∀nf0m f ) = ∀ Zq Zq
其中 & 厚度和质量 , n = 1 , 3 , 5 , 7 , 9 f, d f 和 m f 分别是薄膜的密度、
为石英晶片泛频共振的阶数。由
此可见 , 薄膜只引起了石英晶片频率的变化, 其半峰宽保持不变。 Sauerbery 方程是石英晶体微天平仪的 最基本方程和应用基础, 就是由于能够对薄膜的质量进行准确测量 , 因此才被称为石英晶体微天平仪。 当石英晶体微天平仪在溶液中使用时 , 使石英晶片的上表面与溶液相接触, 则溶液在石英晶片上表 面形成的应力导致了石英晶片的频率和半峰宽都发生变化, 即 Kanazaw a 方程 f+ i f0 = i ∀Z q - 1+ i i2∀nf0 & l ∋l = nZ q 2∀nf 0 & l ∋l
6 2
上述 3 类石英晶体微天平仪均有着广泛的应用 , 其中石英晶体振荡仪主要应用于便携式化学与生物传
=
i i % Z load = ∀Z q ∀Z q vs
( 3)
分 别 为加 载 后石 英 晶片 的 频 率和 半 峰宽 的 变 化,
Z q = 8. 8 10 kg / ( m s) 是石英晶体的空气阻抗 , Z load是加载物质的空气阻抗, % 是加载物质在石英晶片 表面形成的应力 , v s 是石英晶片的共振速率。 当加载物质是一层很薄的均匀薄膜 ( 其厚度小于 100 nm ) 时, 薄膜在石英晶片表面形成的应力与薄 膜的厚度或质量成正比, 即 Sauerbery 方程 f+ i f0 =
753
图 2 F ig . 2
( A ) 加载前后石英晶体的振荡频谱变 化示意图 ; ( B) 石英晶体共振信号自由 衰减 , 其振 Sche m e o f chang e of resonance curves for qua rtz crysta l be fo re and a fter load ing ( A ) and
QCM石英晶体微天平的基本原理解析
测量原理: 通过测量芯片的频率变化测量镀上材料的质量。
石英晶体的频率飘移与附加上的质量的关系：附加上的质量增加，振荡频率降低。
晶体振荡频率受下列条件影响：沉积在芯片上的质量芯片的温度变化材料的应力材料的附着性质量可通过频率精确测量质量= 密度X 面积X 厚度密度的准确性是影响厚度计算误差的原因之一密度条件：镀膜速度材料结构合金比例成膜温度应力影响温度影响：晶片的最佳工作温度：25-60度最重要的是保证镀膜过程中的温度稳定目前世界主流的QCM仪器厂家：Q-SENSE(Omega auto, E1, E4, 最贵，用户也最多), SRS （QCM200, 第二受欢迎，仪器价格低很多）,SII（QCM934, 日本人的，国内用的少，品质不会差），另外国产的是CHI（价格便宜，用户反馈一般）.做QCM仪器的最关键部件QCM芯片，因为各个仪器配套芯片不能通用，目前主要还是由各仪器厂家配套，国外专业的芯片厂家很少，国内的大概10年前起步，因为市场小，参与的企业不多，代工起家的深圳仁路晶体算是开始较早较专业的厂家。
主要应用：ApplicationsImmunosensorsSorption sensorsMoisture analyzersParticulate monitorsContamination monitorsElectrovalency measurementsHydrogen absorption on metal filmsBubble formationRedox and conductive polymer researchDouble-layer characterizationCorrosion studiesSurface oxidationDNA and RNA hybridization studiesAntigen-antibody reactionsProtein adsorptionDetection of virus capsids, bacteria, mammalian cells Biofouling and antifoulingBiomembranes and biomaterialsProtein-protein interactionsSelf-assembled monolayers (SAMs)Molecularly imprinted polymers (MIPs)Langmuir/Langmuir-Blodgett filmsLaser ablation, desorption and breakdown studies MEMS nanomaterialsIntelligent biomaterials.。
石英晶体微天平在蛋白吸附领域的研究进展
石英晶体微天平在蛋白吸附领域的研究进展李贵才;朱生发;杨苹;黄楠【期刊名称】《传感器世界》【年(卷),期】2007(13)12【摘要】石英晶体微天平(Quartz Crystal Microbalance,QCM)是一类重要的质量敏感型传感器,其检测限可以达到10%～9g,具有特异性好、灵敏度高、样品无需标记和操作简便的优点.QCM最初应用于气相反应环境,从20世纪80年代开始逐步用于液相反应环境之中,现在已经广泛应用于环境监测和生物医学等各个领域.QCM用于蛋白吸附领域的研究,可以实时动态地监测蛋白吸附的整个过程,包括吸附蛋白的质量、吸附层的厚度、粘弹性变化信息及吸附蛋白的构象变化等等.本文就QCM的原理、应用和蛋白吸附的研究现状进行了简要介绍,综述了近几年QCM用于蛋白吸附领域的研究现状,并对其发展进行了展望.【总页数】5页(P6-10)【作者】李贵才;朱生发;杨苹;黄楠【作者单位】西南交通大学生物材料与表面工程研究所,610031;四川成都西南交通大学材料科学与工程学院;四川成都西南交通大学材料科学与工程学院;四川成都西南交通大学材料科学与工程学院【正文语种】中文【中图分类】Q-3;Q-71;TP212.1【相关文献】1.石英晶体微天平应用于蛋白质吸附检测的研究 [J], 陈卓玥;蔡玉龙;张成;蔡虎2.石英晶体微天平实时监测低密度脂蛋白在胆固醇修饰葡聚糖上的吸附及其动力学研究 [J], 韩松岩;刘东波;黄亮;王深琪;刘清平;安(齐)顺一;长哲郎;陈强3.石英晶体微天平实时监测亲和素对低密度脂蛋白的吸附 [J], 刘东波;贺秉军;史海滨;吴宝艳;陈强4.用石英晶体微天平研究胶原蛋白在聚乳酸表面的吸附 [J], 胡安珍; 戎宗明; 薛平; 高慧娟; 程树军; 史济斌5.生物质废弃物制备活性炭及其在新能源领域和吸附领域研究进展 [J], 郑朝胚; 曾艳萍因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
qcm原理
qcm原理QCM原理。
QCM（Quartz Crystal Microbalance）是一种基于石英晶体的微量质量测量技术，它利用石英晶体的谐振频率与其质量之间的关系来实现对微量质量的测量。
QCM原理的核心在于石英晶体的振荡频率与其受到的质量变化之间的关系，这种关系是通过石英晶体的弹性性质和谐振现象来实现的。
首先，我们来看一下石英晶体的弹性性质。
石英晶体是一种具有高度对称性和稳定性的晶体材料，它具有非常好的机械弹性性能。
当外界施加压力或质量变化时，石英晶体会产生相应的形变，并且能够以非常快的速度恢复到原来的形状。
这种弹性性质使得石英晶体能够作为一种非常理想的谐振器材料，用于实现微量质量的测量。
其次，我们来看一下石英晶体的谐振现象。
石英晶体在特定的频率下会发生谐振现象，即在外界施加一个与其谐振频率相同的激励信号时，石英晶体会产生共振现象，这时它的振幅会达到最大值。
而当石英晶体受到质量变化时，其谐振频率会发生相应的变化，从而导致共振现象的特性发生改变。
通过测量石英晶体的谐振频率变化，就可以间接地测量出其受到的微量质量变化。
基于上述原理，QCM技术可以实现对微量质量的高灵敏度测量。
当待测物质吸附在石英晶体表面时，会导致石英晶体的质量发生微量变化，从而引起谐振频率的变化。
通过测量谐振频率的变化，就可以间接地测量出待测物质的质量变化。
由于石英晶体具有非常好的弹性性能和谐振特性，因此QCM技术具有非常高的灵敏度和稳定性，能够实现对微量质量变化的准确测量。
除了用于微量质量测量外，QCM技术还广泛应用于生物传感、化学分析、表面吸附等领域。
在生物传感领域，QCM技术可以实现对生物分子的特异性识别和测量，从而用于生物分子的检测和分析。
在化学分析领域，QCM技术可以实现对化学物质的吸附和反应动力学的研究，从而用于化学物质的分析和检测。
在表面吸附领域，QCM技术可以实现对表面吸附过程的实时监测和分析，从而用于表面吸附行为的研究和表征。