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
石英晶体微天平的研究进展及应用
割方 式 的 压 电石 英 晶体 ； 电极 常用 Ａｕ Ａｇ Ｐ 、 、 、 、 ｔＮｉ
合 金［ 等金 属 。为 了提 高探 头 的 选 择性 ， 需 在 探 ５ 常
头 电极 表 面 修 饰 具 有 特 异 选 择 识 别 功 能 的 膜 材 料 。
膜 材 料 可 以是 生 物 识 别元 件 ， 酶 、 如 抗体 （ 原 ）６、 抗 ＿ ］
英 晶 片 上 脂 双 层 的 形 成 及 应 用 ， 果 表 明 ＱＣ — 结 Ｍ Ｄ
利用 单克 隆抗 体修饰 的石英 晶片能够 实 时快速检 测
炭疽杆 菌和 营养细胞 。
４ 耗 散 型 石英 晶体 微 天 平
与 常 规 ＱＣ 只 能 检 测 晶 体 表 面 刚 性 物 质 的 质 Ｍ
器 Ｃ Ｕ， 字 信号 处理 器 Ｄ Ｐ等 。 Ｐ 数 Ｓ
ＱＣ 可 以 应 用 于 生 物 、 学 、 料 、 学 等 各 Ｍ 化 材 医 领 域 。 目标 分 子 可 以 是 生 物 识 别 元 件 ， 基 因 、 、 如 酶
液体 环境 下 的微质 量 测 量 ， 时监 测 由于 样 品 吸 附 实 在石 英金 电极 表 面而 引 起 的频 率 降 。Ａ．Ｆ ｒ 等 ＿ ｏｔ ７ ］ 用Ｐ Ｄ Ｅ ＯＴ 修 饰 膜 片 来 检 测 Ｎｏ ， ３ ℃ 下 ， 敏 。在 ５ 灵
天 平 （ Ｃ 、 散 型 石英 晶体 微 天 平 （ Ｃ Ｑ Ｍ） 耗 Ｑ Ｍ－ 、 列 式 石 英 晶 体 微 天 平 与 电 化 学 石英 晶 体 微 天平 （ ＱＣ Ｄ） 阵 Ｅ Ｍ）
关 键 词 石英 晶体 微天 平 耗 散 型 石 英 晶 体 微 天 平 阵列 式 石英 晶体 微 天 平 电化 学 石 英 晶 体 微 天 平
石英晶体微天平电化学
石英晶体微天平电化学引言：石英晶体微天平电化学是一种基于石英晶体微天平技术的电化学研究方法，通过测量电化学反应过程中的质量变化，可以获得与电化学反应相关的信息。
本文将介绍石英晶体微天平电化学的原理、应用和发展前景。
一、石英晶体微天平的原理石英晶体微天平是一种常用的质量测量仪器，其基本原理是利用石英晶体的压电效应，将质量变化转化为频率变化。
当质量增加时，石英晶体的频率降低；当质量减少时，石英晶体的频率增加。
通过测量频率的变化，可以得到质量的变化信息。
二、石英晶体微天平电化学的原理石英晶体微天平电化学是将石英晶体微天平与电化学技术相结合，用于研究电化学反应。
在电化学反应中，电极表面的质量会发生变化，通过将电极放置在石英晶体微天平上，可以通过测量频率的变化来获得电极表面质量的变化信息。
三、石英晶体微天平电化学的应用1. 电化学催化剂研究：石英晶体微天平电化学可以用于研究电化学催化剂的活性和稳定性。
通过测量催化剂表面的质量变化，可以评估催化剂的活性和稳定性，并研究催化剂在各种条件下的性能变化。
2. 电化学腐蚀研究：石英晶体微天平电化学可以用于研究材料的电化学腐蚀行为。
通过测量材料表面的质量变化，可以评估材料的耐蚀性，并研究腐蚀过程中的质量变化规律。
3. 电化学生物传感器：石英晶体微天平电化学可以用于生物传感器的研究和开发。
通过将生物分子固定在电极表面，测量生物分子与物质相互作用引起的质量变化，可以实现对生物分子的灵敏检测。
4. 电化学药物筛选：石英晶体微天平电化学可以用于药物筛选和评价。
通过将药物固定在电极表面，测量药物与靶分子相互作用引起的质量变化，可以评估药物的活性和选择性。
四、石英晶体微天平电化学的发展前景石英晶体微天平电化学作为一种新兴的研究技术，具有广阔的应用前景。
随着纳米材料、催化剂和生物传感器等领域的发展，对于电化学反应过程的研究需求越来越高。
石英晶体微天平电化学作为一种高灵敏度、高分辨率的研究方法，将在这些领域发挥重要作用。
石英晶体微天平的基本原理和具体应用
流体通过剪切模式的声波传感器装置示意图
Liquid flow cell
70 uL flow through reservoir 1 ml static reservoir O-ring seal Resists harsh chemicals Low stress design
Static cell
x轴（电轴）：沿x轴方 向或沿y轴方向施加压力 （或拉力）时，在x轴方 向产生压电效应。
y轴（机械轴）：沿y轴方 向或沿x 轴方向施加压力 （或拉力）时，在y轴方 向不产生压电效应，只 产生形变。
天然右旋石英晶体晶轴的分布
石英晶体有天然的和人工培育的。 天然石英晶体产量有限，而且大部分都存 在各种缺陷。 石英晶体常见的缺陷：
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。
AT- 和 BT-切割模式
四、石英晶体微天平（QCM）的 工作原理
石英晶体微天平由一薄的石英圆片和覆盖其表 面的电极组成 。 外加电压加到压电材料上引起一个内在的机械 振动。因为QCM是压电的，振荡电场横着通 过装置产生一个声学波。
1. Quartz crystal 2. 2. Electrode material
QCM crystal. Grey=quartz, yellow=metallic electrodes.
一、石英晶体的结构
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。
石英微晶天平
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；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。
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。
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是一种高精度的质量测量仪器，它的原理是利用石英晶体的压电效应来测量物体的质量。
石英晶体是一种具有压电效应的晶体，当施加外力时，会产生电荷，这种电荷的大小与施加的力成正比。
因此，通过测量石英晶体的电荷变化，就可以得到物体的质量。
石英晶体微天平的结构非常简单，它由一个石英晶体片和一个电极组成。
石英晶体片通常是一个长方形的薄片，厚度只有几毫米，宽度和长度分别为几毫米到几厘米不等。
电极则是两个金属片，分别固定在石英晶体片的两端。
当物体放在石英晶体片上时，物体的重力会使石英晶体片产生微小的弯曲，从而改变石英晶体片的压电效应，产生电荷。
这些电荷被电极收集起来，通过放大器放大后，就可以得到物体的质量。
石英晶体微天平的精度非常高，可以达到微克级别。
这是因为石英晶体具有非常好的稳定性和重复性，可以在长时间内保持稳定的压电效应。
此外，石英晶体的压电效应与温度、湿度等环境因素的影响非常小，因此可以在各种环境下进行精确的质量测量。
石英晶体微天平广泛应用于化学、生物、医学等领域的研究中。
例如，在化学实验中，可以用石英晶体微天平来测量化学反应中物质的质量变化，从而研究反应的动力学和热力学性质。
在生物学和医学中，石英晶体微天平可以用来测量细胞、蛋白质等生物分子的质量，从而研究它们的结构和功能。
除了石英晶体微天平，还有其他类型的微天平，如电容微天平、磁悬浮微天平等。
这些微天平的原理和应用都有所不同，但它们都具有高精度、高灵敏度的特点，可以用于各种精密测量和研究。
石英晶体微天平是一种非常重要的质量测量仪器，它的原理简单、精度高，应用广泛。
随着科技的不断发展，微天平的精度和应用范围还将不断扩大，为科学研究和工业生产带来更多的便利和发展机遇。
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。
电化学石英晶体微天平 用途
电化学石英晶体微天平的用途电化学石英晶体微天平（EQCM）是一种高精度的电化学分析仪器，它可以用于研究电化学反应的动力学和热力学性质、表面化学反应动力学和机理、生物分子的相互作用等。
本文将从以下几个方面介绍EQCM的用途。
一、电化学反应动力学和热力学性质研究EQCM可以通过测量电极表面的质量变化来研究电化学反应的动力学和热力学性质。
例如，可以用EQCM来研究金属电极表面的氧化还原反应、电解质在电极表面的吸附和脱附等。
EQCM可以提供高精度的质量变化数据，从而可以确定反应速率、反应机理、反应热力学性质等。
二、表面化学反应动力学和机理研究EQCM可以用于研究表面化学反应的动力学和机理。
例如，可以用EQCM来研究表面的吸附和脱附反应、表面重构和形貌变化等。
EQCM可以提供高精度的质量变化数据和频率变化数据，从而可以确定表面反应速率、反应机理、表面能等。
三、生物分子相互作用研究EQCM可以用于研究生物分子的相互作用。
例如，可以用EQCM来研究蛋白质和DNA的结合、细胞膜的吸附和脱附等。
EQCM可以提供高精度的质量变化数据和频率变化数据，从而可以确定生物分子的互作机制、互作强度等。
EQCM的优点EQCM具有以下几个优点：1.高精度：EQCM可以提供高精度的质量变化数据和频率变化数据，从而可以确定反应速率、反应机理、反应热力学性质等。
2.灵敏度高：EQCM可以检测微量物质的质量变化和频率变化，从而可以研究微量物质的反应动力学和热力学性质。
3.实时监测：EQCM可以实时监测表面化学反应和生物分子相互作用的过程，从而可以研究反应动力学和机理。
EQCM的应用举例EQCM已经被广泛应用于电化学、表面化学、生物化学等领域。
以下是EQCM的一些应用举例：1.研究金属电极表面的氧化还原反应。
2.研究电解质在电极表面的吸附和脱附。
3.研究表面的吸附和脱附反应。
4.研究表面重构和形貌变化。
5.研究蛋白质和DNA的结合。
6.研究细胞膜的吸附和脱附。
2010石英晶体微天平(物质结构).
当晶体被浸入到溶液中，振荡频率取决于 所使用的溶剂。当覆盖层比较厚时，频率 f 和质量变化 Dm 之间是非线性的，需要 修正。
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。
1.
Quartz crystal
2. Electrode material
ΔF= - 2 F02ΔM/A（q q）1/2
ΔF: Frequency Change of Quartz Crystal; ΔM: Mass Change of the Substance on Electrode
Biochemical and Biophysical Research Communications 313 (2004) 3–7
Fig. 1. Schematic illustration of the sensing process of the amplifyingsystem based on Au nanoparticle-covered QCM surface.
(a) Sensor without surface modification by nanogold. (b) Sensor with surface modification by nanogold.
Static cell
• 5-10 uL liquid sample reservoir • Holes for electrochemical electrodes • O-ring seal • Resists harsh chemicals Additional holes for purge or s出，石英晶体振荡 频率的变化与晶体的质量堆积密切相关。 因此，对于气相中分析物的检测，频率变 化与质量变化有一简单的相关：
耗散型石英晶体微天平δd和δf的关系
石英晶体微天平δd和δf的关系是一个非常重要的研究课题，对于石英晶体的性能和应用具有深远的影响。
本文将从以下几个方面对这一主题展开详细的分析和讨论。
一、背景介绍1. 石英晶体微天平的原理及应用石英晶体微天平是一种用于测量微量质量变化的装置，通过检测石英晶体振动频率的变化来实现对质量变化的测量，因其灵敏度高、测量精度高等优点，在许多领域得到了广泛的应用，如生物医学、化学分析、环境监测等。
2. δd和δf的定义与意义在石英晶体微天平中，δd和δf分别代表着频率变化和阻尼变化，它们是评价石英晶体微天平性能的重要参数，对于了解样品的质量变化、性质变化等具有重要意义。
二、δd和δf的关系及影响因素1. δd和δf的数学关系在石英晶体微天平中，δd和δf之间存在着一定的数学关系，通常情况下，随着频率变化的增加，阻尼变化也会随之增加，但二者之间的关系并非简单的线性关系，而是受到多种因素影响的复杂关系。
2. 影响δd和δf的因素影响δd和δf的因素有很多，如温度、压力、湿度、样品的质量等，这些因素会直接影响石英晶体的振动频率和阻尼特性，从而间接影响δd和δf的数值。
三、研究现状与挑战1. 研究现状目前，关于石英晶体微天平δd和δf的关系的研究已经取得了一定的进展，不仅在理论方面有了较为深入的认识，而且在实验验证方面也取得了一些成功。
然而，这一领域仍然存在一些尚未解决的问题，需要更深入的研究和探索。
2. 挑战与展望石英晶体微天平δd和δf的关系研究面临着一些挑战，如如何准确测量和描述δd和δf的数值，如何解析影响因素对δd和δf的影响机制等。
未来的研究应该着重解决这些问题，以推动该领域的发展和进步。
四、应用前景与意义1. 应用前景石英晶体微天平δd和δf的关系研究对于提高石英晶体微天平的测量精度、扩大应用范围具有重要意义。
在生物医学、化学分析、环境监测等领域，这一研究成果的应用前景广阔。
2. 意义石英晶体微天平δd和δf的关系研究不仅有助于推动石英晶体微天平的技术进步，而且对于促进相关领域的发展和应用具有重要意义。
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。
石英晶体微天平原理
石英晶体微天平原理石英晶体微天平是一种精密质量测量仪器，主要用于测量非常小的物质质量。
这种仪器的原理基于石英晶体的固有振动频率与晶体上物质加质量后振动频率的变化成正比例关系。
下面，我们将详细介绍石英晶体微天平的原理。
在石英晶体微天平中，石英晶体被用作传感器。
石英晶体在电场作用下可以产生共振，这种共振由石英片的弹性和质量参数决定。
石英晶体通常用于高频振动上，其谐振频率在10kHz到150MHz之间。
当石英晶体被电压激发，它的边界会在一定频率范围内振动，这种振动称为表面声波(resonant acoustic wave)。
这些声波的频率和振幅随着石英晶体的尺寸、形状和材料特性而变化。
当粘附到晶体表面的材料的质量改变时，声波的频率产生偏移。
这个频率偏差与物质的质量成正比例。
石英晶体微天平中，晶体表面覆盖着一层被测材料(样品)，它与晶体表面成为共振耦合，被共振耦合的样品使晶体表面发生微小变形，这导致共振频率发生变化。
这种变化被测量，并与标准测试电路中的参考频率偏差匹配，从而确定被测量材料的质量。
实际上，在石英晶体微天平中，共振频率的测量是很复杂的，需要高精度的电子学设备来实现。
测量的系统频率在微波范围内，并以高速稳定的方式测量，从而实现对非常小的质量变化的高分辨率测量。
石英晶体微天平原理是一项先进的技术，可用于测量非常小的质量变化。
它广泛应用于化学、物理、生物学和医学等领域，以及微机电系统(MEMS)、纳米材料和生物分子的表征等方面。
在实际应用中，石英晶体微天平是一种可靠的仪器，其原理具有很高的精度和准确性，因此在实验室中被广泛使用。
石英晶体微天平在化学科学中的应用石英晶体微天平在化学领域的主要应用是测量质量变化，从而研究化学反应、表征催化剂和其他化学材料的特性。
在化学反应中，可以通过测量反应物质量的变化，来推断反应的速率、平衡常数和反应机理等信息。
石英晶体微天平还可以用于表征催化剂，测量催化剂的质量变化可以推断其活性、选择性和稳定性等性质。
石英晶体微天平原理
石英晶体微天平是一种精密的称重仪器。
它的工作原理主要基于石英晶体的特殊性质和微机电系统（MEMS）技术。
石英晶体微天平的核心部件是石英晶体，它是一种具有压电效应的材料。
压电效应是指在施加外力或电场时，晶体会产生电荷或电势差的现象。
石英晶体的压电效应非常稳定和灵敏，因此被广泛应用于天平中。
石英晶体微天平的工作原理基于质量和频率之间的关系。
石英晶体的频率与其质量成正比，即频率越高，晶体质量越大。
在称重时，待称物体被放置在石英晶体上，晶体会受到质量的增加而频率降低。
通过测量晶体频率的变化，可以间接计算出待称物体的质量。
为了提高石英晶体微天平的灵敏度和稳定性，常常使用MEMS技术制造微小的石英晶体天平。
MEMS技术是将微型电子元件和机械结构集成到芯片上的一种方法。
通过精密加工和微细组装，可以制造出高度精密的微天平。
石英晶体微天平的工作过程可以概括为以下几个步骤：1.初始状态：石英晶体天平处于自由悬挂的状态，即未受到任何外力的作用。
2.放置待称物体：待称物体被放置在石英晶体上，使之产生质量的增加。
3.晶体振动：通过施加激励电场，晶体被激发成振动状态。
振动频率与晶体的质量成正比。
4.频率测量：利用频率计或计数器等设备测量振动晶体的频率。
由于质量的增加，频率降低。
5.质量计算：根据频率的变化，利用预先测定的标定曲线，可以计算出待称物体的质量。
石英晶体微天平具有很高的精度和稳定性，可以用于测量微量物质的质量。
它具有灵敏度高、响应速度快、重复性好等优点。
因此，被广泛应用于化学分析、生物医学、材料研究等领域。
除了石英晶体微天平的工作原理，还有一些相关的内容需要考虑。
例如，如何进行标定和校准，以确保测量结果的准确性；如何对称重过程中的环境干扰进行抑制和补偿；如何设计和制造高性能的石英晶体和微天平结构等等。
这些内容在实际应用中都是非常重要的，可以通过不同的技术和方法来解决。
总结起来，石英晶体微天平是一种基于石英晶体压电效应和MEMS技术的精密称重仪器。
石英晶体微天平技术及在医学中的应用!!!!!!!!!!!!!!
南通大学学报(医学版)Journa l of N antong U niversit y (M edical Sciences)2005 25(5)[文章编号]1000-2057(2005)05-0393-03石英晶体微天平技术及在医学中的应用孙承龙综述*,王惠民,1顾海鹰审校(南通大学附属医院检验医学中心,226001;1南通大学公共卫生学院)[摘 要] 石英晶体微天平技术(QC M )是一种以质量变化为依据的生物传感器,具有特异性好、灵敏度高、成本低廉和操作简便等优点。
Q C M 已应用于研究或检测抗原或抗体、血液细胞、病原微生物、核酸及蛋白质等医学检验领域,具有广阔的发展前景。
[关键词] 压电;石英晶体;传感器;压电免疫传感器[中图分类号] R 446[文献标识码] B1880年Cu rie 等发现以一定方向对石英晶体薄片施加外力,晶体的两端就会产生不同的电荷,称这种现象为压电效应(piezoe l ectric eff ec t)。
反之如果在晶体薄片的两端镀上电极并通以交流电,那么晶体薄片将会产生周期性的振荡,人们称之为逆压电效应。
利用逆压电效应制作的压电生物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。
在生命科学研究领域显示有较广泛的用途。
根据检测原理不同,人们把压电生物传感器分成二类:一类为非质量响应型,利用电导率或粘度等变化引起的压电晶片振荡频率改变进行检测,主要应用于大气、水质等方面的研究。
另一类为质量响应型,即电极表面质量在一定范围内的微小变化引起压电晶片振动频率的改变,此类传感器核心部件通常是压电石英晶体,称之为石英晶体微天平(Q uartz Cry sta l M icroba l ance ,QC M )。
Q C M 技术于1959年首先运用于检测真空镀膜厚度,后来逐步扩展到分析化学、医学等研究领域。
1 QC M 检测原理Q C M 系统主要由电子振荡电路、频率计数器和压电石英晶体3部分组成[1]。
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是一种利用石英晶体自振的频率变化来测量微小质量变化的仪器。
石英晶体是一种具有特殊振动特性的晶体，其晶格结构稳定、机械强度高、表面平整，并且具有强烈的谐振现象。
因此，石英晶体被广泛应用于计时、频率控制、传感器等领域。
利用石英晶体微天平可以实现对微量物质的检测和分析，具有高灵敏度、高分辨率、高精度等优点。
石英晶体微天平原理基于质量和频率之间的关系。
石英晶体在电场作用下会发生谐振振动，其频率和振幅取决于晶体的尺寸和弹性常数。
当晶体上附着物质使其质量发生微小变化时，晶体振动频率会发生变化。
根据爱因斯坦质能方程，质量和能量是等价的，因此质量变化会导致振动频率的变化。
将石英晶体作为微天平的敏感元件，利用电子衍射、电子束蒸发、溅射沉积等技术在其表面制备一层薄膜，当薄膜表面有生物分子与它相互作用时，其质量就会发生变化，导致晶体振动频率的变化，进而测量出样品的质量。
石英晶体微天平可以应用于生物学、化学、生物医学、环境保护等领域的研究。
其应用范围包括：生物传感、分子识别、药物筛选、蛋白质互作等。
在生物传感领域中，石英晶体微天平可以对细胞膜、酶、抗体等生物大分子进行检测；在分子识别领域中，可以对蛋白质、DNA、RNA等分子进行识别；在药物筛选领域中，可以对药物分子的作用和效果进行评估；在蛋白质互作领域中，可以对蛋白质的相互作用进行研究。
石英晶体微天平的优点还包括操作简单、仪器成本低、样品需求少等。
但是，石英晶体微天平也存在一些问题。
例如，其灵敏度受到环境和温度的影响，需要进行定期校准。
此外，石英晶体微天平也存在着一定的误差和不确定性，需要在实际应用中进行验证和校准。
总之，石英晶体微天平是一种优秀的微量质量检测仪器，其原理是基于石英晶体自振频率与质量之间的关系，利用表面制备的薄膜与生物分子的相互作用实现对样品的检测和分析。
虽然石英晶体微天平存在着一些问题，但其优点远远超过缺点，具有广泛的应用前景。
QCM石英晶体微天平的使用
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应用之分析化学领域
大气飘尘测定
B
有毒易爆气体 的检测
A
分析化学
C
液体中杂质测 定
大气腐蚀研究
E
D
分析溶液中金 属离子的浓度
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QCM应用于气相检测
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，至今仍是热门
•
晶片是从一块晶体上按一定的方位角切下的薄片，可以 是圆形或正方形，矩形等。按切割晶片的方位不同，可将 晶片分为AT、BT、CT、DT、X、Y等多种切型。不同切 型的晶片其特性也不尽相同，尤其是频率温度特性相差较 大。
QCM 结构及特性
• 石英谐振器是传感器的接受器和转换器，由AT切石英晶 体片经真空沉积或蒸镀等方式在晶片上下表面修饰两个平 行的金属电极构成的一种谐振式传感器。常用金属有Au、 Ag、Pt、Ni、Pd。
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应用于电化学
1 2 3 4
金电极上单分子层氧的吸附机理研究
氧化还原过程离子和溶剂在聚合物膜中的传输
高分子膜及金属电沉积和膜的生长
溶解动力学研究
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不同溶剂体系中氢氧化物电沉积的EQCM研究
石英晶体
quartz crystal
石英晶体的压电效应
石英晶体的压电效应
石英晶体的压电效应
压电效应的方向性
石英晶体电极
谐振器与振荡器
频率变化与质量变化
石英晶体微量天平
石英晶体微天平研究进展与展望摘要：本文综述了石英晶体微天平的基本原理、称量灵敏度的特性、结构、重要性能及其在化学、生物医学等方面的应用情况，探讨了其存在的问题和发展趋势。
关键词：石英晶体微天平 传感器 QCM引言：石英谐振器作为微量称量工具，可以测出10—6—10—9的质量，相当于一架超微量电子天平。
将被测成分沉积或吸附在石英谐振器的振动部位，就可以测出其质量和含量。
这种仪器装置被称为石英晶体微天平QCM（Quartz Crystal Microbalance）。
石英晶体微天平对过程质量和体系性状（密度、粘度、电导率、介电常数等）变化非常敏感，具有ng级的质量检测能力⑴，能够检测微观过程中的微小变化，获取丰富的信息，为研究微观变化过程，破译微观作用机理等提供了一种强有力的手段。
正因为如此，QCM近年来获得了迅速发展，已广泛用于化学、材料、生物和医学等多个领域的研究。
一、QCM基本原理石英晶体微天平是基于石英晶体的压电效应对其电极表面质量变化进行测量的仪器。
1880年Pierre Curie和Jacques Curie兄弟发现石英晶体具有压电效应。
在石英晶片加一电场，晶片会产生机械变形。
相反，若在晶片上施加机械压力，则在晶片相应的方向上产生一定的电场，这种现象称为压电效应（2）。
在石英表面上加上电位差，就会引起石英表面机械振动。
QCM作为一种非常敏感的传感器，是以AT切石英晶体作为接受器和能量转换器，利用石英的压电性质实现能量转换和传感的。
石英晶体属D3点群、三方晶系洁净的各向异性体，具有X轴（电轴）Y轴（机械轴）Z轴（光轴）三个结晶轴（3-4）。
在X轴或Y轴方向施加压力或拉力，晶体由于形变极化而在相应的晶面上产生等量的正、负电荷（加压与拉伸产生的电荷极性相反），在Z轴方向施加外力，因硅、氧离子作对称平移，无电荷形成，这就是石英晶体的正压电效应。
反过来，当晶片上加上电场则在晶体某些方向出现应变，这种应变与电场强度间存在线性关系，如果电场是交变电场，则在晶格内引起机械震荡，震荡的频率即晶体的固有频率与震荡电路的频率一致时，便产生共振，此时振荡最稳定，测出电路的振荡频率便可得出晶体的固有频率。
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。
石英晶体微天平基本原理及具体应用
Setup of the QCM–FIA system
石英晶体微天平的基本原理和具体应用
The structures of biorecognition layers of hTNF- trimer modified sensor
TNF:Tumor necrosis factor
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。
石英晶体微天平的基本原理和具体应用
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）。
石英晶体微天平的基本原理和具体 应用
石英晶体微天平的基本原理和具体应用
石英晶体微天平（quartz crystal microbalance）是一种非常灵敏的质量检 测器，能够快速、简便和实时检测反应过 程中的质量变化，检测限可达到纳克级 水平，已被广泛应用于基因学、诊断学等 各方面，成为分子生物学和微量化学领域 最有效的手段之一。
石英晶体微天平的基本原理和具体应用
Static cell
•5-10 uL liquid sample reservoir
•Holes for electrochemical electrodes
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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]。