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石英晶體微天平的原理和應(yīng)用
一、 石英晶體微天平的基本原理：
石英晶體微天平zui基本的原理是利用了石英晶體的壓電效應(yīng)：石英晶體內(nèi)部每個(gè)晶格在不受外力作用時(shí)呈正六邊形，若在晶片的兩側(cè)施加機(jī)械壓力，會(huì)使晶格的電荷中心發(fā)生偏移而極化，則在晶片相應(yīng)的方向上將產(chǎn)生電場;反之，若在石英晶體的兩個(gè)電極上加一電場，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)晶片的機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場。在一般情況下，晶片機(jī)械振動(dòng)的振幅和交變電場的振幅非常微小，但當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特定值時(shí)，振幅明顯加大，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振。它其實(shí)與LC回路的諧振現(xiàn)象十分相似：當(dāng)晶體不振動(dòng)時(shí)，可把它看成一個(gè)平板電容器稱為靜電電容C，一般約幾個(gè)PF到幾十PF;當(dāng)晶體振蕩時(shí)，機(jī)械振動(dòng)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(gòu)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(jī)將測的得諧振頻率轉(zhuǎn)化為電信號(hào)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(guān)，而且可以做得，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(wěn)定度。
二、石英晶體微天平的主要構(gòu)造：
QCM主要由石英晶體傳感器、信號(hào)檢測和數(shù)據(jù)處理等部分組成。石英晶體傳感器的基本構(gòu)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(gè)對(duì)應(yīng)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(jié)構(gòu)。在每個(gè)電極上各焊一根引線接到管腳上，再加上封裝外殼就構(gòu)成了石英晶體諧振器，其產(chǎn)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(jié)構(gòu)在不同型號(hào)和規(guī)格的儀器中也不盡相同，可根據(jù)測量需要選用或聯(lián)用。一般附屬結(jié)構(gòu)還包括振蕩線路、頻率計(jì)數(shù)器、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等;電化學(xué)石英晶體微天平在此基礎(chǔ)上還包括恒電位儀、電化學(xué)池、輔助電極、參比電極等;
三、石英晶體微天平的分析化學(xué)應(yīng)用
QCMzui早應(yīng)用于氣相組分、有毒易爆氣體的檢測。已對(duì)SO2、H2 S、HCI、NH3、NO2、Hg、CO、及其他碳?xì)浠衔铩⑶杌锏扔卸疽妆瑲怏w進(jìn)行探測研究。日本的S. Iijima博士發(fā)現(xiàn)了碳納米管(CNTs) ,其結(jié)構(gòu)是由單層(單壁碳納米管) 或兩層(MWCNTs)以上、極細(xì)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(duì)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(hào)轉(zhuǎn)化為頻率信號(hào)從而對(duì)16 mg/ m3 甲醛和9. 64mg/ m3 水蒸汽進(jìn)行檢測.
四、石英晶體微天平在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用
生物醫(yī)學(xué)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(duì)質(zhì)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(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于分子生物學(xué)、病理學(xué)、醫(yī)學(xué)診斷學(xué)、細(xì)菌學(xué)等研究領(lǐng)域,今年來在研究和檢測蛋白質(zhì)、微生物、核酸、酶、細(xì)胞等方面都發(fā)揮了重要的作用，具有廣闊的發(fā)展前景。
1、蛋白質(zhì)檢測：
QCM法檢測蛋白質(zhì)是基于免疫反應(yīng)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(fā)生免疫結(jié)合,形成的復(fù)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(jié)合反應(yīng)引起質(zhì)量變化而制成的石英晶體微天平。目前QCM技術(shù)已應(yīng)用于免疫球蛋白、白蛋白、纖維蛋白(原)及降解產(chǎn)物、補(bǔ)體、酶蛋白、甲狀腺素、人絨毛膜促性腺激素及皮質(zhì)醇等檢測。基于壓電石英晶體液相振蕩的實(shí)現(xiàn)，對(duì)反應(yīng)體系實(shí)施采樣、進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，1996年的時(shí)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(dǎo)了抗原過量情況下的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程，計(jì)算了免疫反應(yīng)的Arrhenius活化能，理論推導(dǎo)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。近年來，瑞典Q-sense AB 公司開發(fā)了QCM-D技術(shù)，此技術(shù)的核心是石英晶體傳感器。在電極兩端加入一個(gè)交流電壓，在石英晶體傳感器的共振頻率處引發(fā)一個(gè)小的剪切振動(dòng)，當(dāng)交流電壓關(guān)閉后，振動(dòng)呈指數(shù)衰減，這個(gè)衰減被記錄下來，得到共振頻率(f)和耗散因子(D)兩個(gè)參數(shù)。每秒鐘獲得多個(gè)頻率和耗散因子數(shù)據(jù)，可方便用于反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的計(jì)算。與放射免疫法、酶聯(lián)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(biāo)記。
2、微生物：
利用細(xì)菌抗原-目標(biāo)細(xì)菌抗體相結(jié)合的原理，對(duì)細(xì)菌進(jìn)行檢測。1992 年，Plomer等人用這種方法檢測到了腸球菌，現(xiàn)已大規(guī)模發(fā)展，掌握了對(duì)白色念珠菌、大腸桿菌、沙門氏菌、霍亂弧菌等多種細(xì)菌的檢測手段。Fung等人改進(jìn)了抗體在奠基表面的吸附過程，使其凝聚，工作范圍達(dá)到了102 ～105 cells/L,檢測限1. 7 ×102cells/L。應(yīng)用zui廣的病毒檢測法是將病毒抗原固定在電極表面的QCM技術(shù)檢測待測溶液中的病毒抗體。有學(xué)者經(jīng)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(biāo)免疫反應(yīng)檢測法相比，除了無分子標(biāo)記外，假陽性反應(yīng)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(duì)粘度和密度的響應(yīng)，利用涂有固體培養(yǎng)基薄膜的QCM，通過對(duì)加入菌液后明膠培養(yǎng)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 等采用QCM 技術(shù)測定RNA /DNA分子雜交反應(yīng),從而開創(chuàng)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(biāo)ssDNA 分子的溶液中。當(dāng)電極上的核酸探針與溶液中目標(biāo)ssDNA分子雜交后,晶體表面質(zhì)量增加而引起振蕩頻率的降低。QCM法檢測核酸技術(shù)的zui大優(yōu)點(diǎn)是操作簡便、快速,特別在人工培養(yǎng)難度大、鑒定過程復(fù)雜的病原微生物的實(shí)驗(yàn)診斷中發(fā)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(cuò)配堿基對(duì)結(jié)合的蛋白，如果目標(biāo)dsDNA分子存在錯(cuò)配，就會(huì)發(fā)生結(jié)合反應(yīng)，產(chǎn)生復(fù)合物沉積，可以檢測單堿基突變和1~4 個(gè)堿基對(duì)的插入突變。
4.凝血因子：
常規(guī)的方法是以血漿凝固反應(yīng)為基礎(chǔ)，觀測反映體系中黏度、光密度的變化判定反應(yīng)的終點(diǎn)，由于實(shí)驗(yàn)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(shí)時(shí)變化判斷起點(diǎn)和終點(diǎn)，此法快速、準(zhǔn)確、低成本。
5. 細(xì)胞檢測：
目前主要兩個(gè)應(yīng)用，一是通基于受體-配體的親和反應(yīng)，建立QCM系統(tǒng)檢測多種血液中細(xì)胞含量。另一是腫瘤細(xì)胞的檢測，把胞外基質(zhì)蛋白固定在壓電石英電極上,在整合素介導(dǎo)下,待測的人卵巢癌細(xì)胞與胞外基質(zhì)蛋白發(fā)生粘附作用。形成胞外基質(zhì)蛋白-整合素—癌細(xì)胞的三明治樣結(jié)構(gòu),電極質(zhì)量的增加與電極振蕩頻率的下降改變符合Sauerbrey 方程。
石英晶體微天平zui基本的原理是利用了石英晶體的壓電效應(yīng)：石英晶體內(nèi)部每個(gè)晶格在不受外力作用時(shí)呈正六邊形，若在晶片的兩側(cè)施加機(jī)械壓力，會(huì)使晶格的電荷中心發(fā)生偏移而極化，則在晶片相應(yīng)的方向上將產(chǎn)生電場;反之，若在石英晶體的兩個(gè)電極上加一電場，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)晶片的機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場。在一般情況下，晶片機(jī)械振動(dòng)的振幅和交變電場的振幅非常微小，但當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特定值時(shí)，振幅明顯加大，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振。它其實(shí)與LC回路的諧振現(xiàn)象十分相似：當(dāng)晶體不振動(dòng)時(shí)，可把它看成一個(gè)平板電容器稱為靜電電容C，一般約幾個(gè)PF到幾十PF;當(dāng)晶體振蕩時(shí)，機(jī)械振動(dòng)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(gòu)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(jī)將測的得諧振頻率轉(zhuǎn)化為電信號(hào)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(guān)，而且可以做得，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(wěn)定度。
二、石英晶體微天平的主要構(gòu)造：
QCM主要由石英晶體傳感器、信號(hào)檢測和數(shù)據(jù)處理等部分組成。石英晶體傳感器的基本構(gòu)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(gè)對(duì)應(yīng)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(jié)構(gòu)。在每個(gè)電極上各焊一根引線接到管腳上，再加上封裝外殼就構(gòu)成了石英晶體諧振器，其產(chǎn)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(jié)構(gòu)在不同型號(hào)和規(guī)格的儀器中也不盡相同，可根據(jù)測量需要選用或聯(lián)用。一般附屬結(jié)構(gòu)還包括振蕩線路、頻率計(jì)數(shù)器、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等;電化學(xué)石英晶體微天平在此基礎(chǔ)上還包括恒電位儀、電化學(xué)池、輔助電極、參比電極等;
三、石英晶體微天平的分析化學(xué)應(yīng)用
QCMzui早應(yīng)用于氣相組分、有毒易爆氣體的檢測。已對(duì)SO2、H2 S、HCI、NH3、NO2、Hg、CO、及其他碳?xì)浠衔铩⑶杌锏扔卸疽妆瑲怏w進(jìn)行探測研究。日本的S. Iijima博士發(fā)現(xiàn)了碳納米管(CNTs) ,其結(jié)構(gòu)是由單層(單壁碳納米管) 或兩層(MWCNTs)以上、極細(xì)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(duì)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(hào)轉(zhuǎn)化為頻率信號(hào)從而對(duì)16 mg/ m3 甲醛和9. 64mg/ m3 水蒸汽進(jìn)行檢測.
四、石英晶體微天平在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用
生物醫(yī)學(xué)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(duì)質(zhì)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(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于分子生物學(xué)、病理學(xué)、醫(yī)學(xué)診斷學(xué)、細(xì)菌學(xué)等研究領(lǐng)域,今年來在研究和檢測蛋白質(zhì)、微生物、核酸、酶、細(xì)胞等方面都發(fā)揮了重要的作用，具有廣闊的發(fā)展前景。
1、蛋白質(zhì)檢測：
QCM法檢測蛋白質(zhì)是基于免疫反應(yīng)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(fā)生免疫結(jié)合,形成的復(fù)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(jié)合反應(yīng)引起質(zhì)量變化而制成的石英晶體微天平。目前QCM技術(shù)已應(yīng)用于免疫球蛋白、白蛋白、纖維蛋白(原)及降解產(chǎn)物、補(bǔ)體、酶蛋白、甲狀腺素、人絨毛膜促性腺激素及皮質(zhì)醇等檢測。基于壓電石英晶體液相振蕩的實(shí)現(xiàn)，對(duì)反應(yīng)體系實(shí)施采樣、進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，1996年的時(shí)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(dǎo)了抗原過量情況下的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程，計(jì)算了免疫反應(yīng)的Arrhenius活化能，理論推導(dǎo)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。近年來，瑞典Q-sense AB 公司開發(fā)了QCM-D技術(shù)，此技術(shù)的核心是石英晶體傳感器。在電極兩端加入一個(gè)交流電壓，在石英晶體傳感器的共振頻率處引發(fā)一個(gè)小的剪切振動(dòng)，當(dāng)交流電壓關(guān)閉后，振動(dòng)呈指數(shù)衰減，這個(gè)衰減被記錄下來，得到共振頻率(f)和耗散因子(D)兩個(gè)參數(shù)。每秒鐘獲得多個(gè)頻率和耗散因子數(shù)據(jù)，可方便用于反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的計(jì)算。與放射免疫法、酶聯(lián)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(biāo)記。
2、微生物：
利用細(xì)菌抗原-目標(biāo)細(xì)菌抗體相結(jié)合的原理，對(duì)細(xì)菌進(jìn)行檢測。1992 年，Plomer等人用這種方法檢測到了腸球菌，現(xiàn)已大規(guī)模發(fā)展，掌握了對(duì)白色念珠菌、大腸桿菌、沙門氏菌、霍亂弧菌等多種細(xì)菌的檢測手段。Fung等人改進(jìn)了抗體在奠基表面的吸附過程，使其凝聚，工作范圍達(dá)到了102 ～105 cells/L,檢測限1. 7 ×102cells/L。應(yīng)用zui廣的病毒檢測法是將病毒抗原固定在電極表面的QCM技術(shù)檢測待測溶液中的病毒抗體。有學(xué)者經(jīng)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(biāo)免疫反應(yīng)檢測法相比，除了無分子標(biāo)記外，假陽性反應(yīng)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(duì)粘度和密度的響應(yīng)，利用涂有固體培養(yǎng)基薄膜的QCM，通過對(duì)加入菌液后明膠培養(yǎng)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 等采用QCM 技術(shù)測定RNA /DNA分子雜交反應(yīng),從而開創(chuàng)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(biāo)ssDNA 分子的溶液中。當(dāng)電極上的核酸探針與溶液中目標(biāo)ssDNA分子雜交后,晶體表面質(zhì)量增加而引起振蕩頻率的降低。QCM法檢測核酸技術(shù)的zui大優(yōu)點(diǎn)是操作簡便、快速,特別在人工培養(yǎng)難度大、鑒定過程復(fù)雜的病原微生物的實(shí)驗(yàn)診斷中發(fā)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(cuò)配堿基對(duì)結(jié)合的蛋白，如果目標(biāo)dsDNA分子存在錯(cuò)配，就會(huì)發(fā)生結(jié)合反應(yīng)，產(chǎn)生復(fù)合物沉積，可以檢測單堿基突變和1~4 個(gè)堿基對(duì)的插入突變。
4.凝血因子：
常規(guī)的方法是以血漿凝固反應(yīng)為基礎(chǔ)，觀測反映體系中黏度、光密度的變化判定反應(yīng)的終點(diǎn)，由于實(shí)驗(yàn)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(shí)時(shí)變化判斷起點(diǎn)和終點(diǎn)，此法快速、準(zhǔn)確、低成本。
5. 細(xì)胞檢測：
目前主要兩個(gè)應(yīng)用，一是通基于受體-配體的親和反應(yīng)，建立QCM系統(tǒng)檢測多種血液中細(xì)胞含量。另一是腫瘤細(xì)胞的檢測，把胞外基質(zhì)蛋白固定在壓電石英電極上,在整合素介導(dǎo)下,待測的人卵巢癌細(xì)胞與胞外基質(zhì)蛋白發(fā)生粘附作用。形成胞外基質(zhì)蛋白-整合素—癌細(xì)胞的三明治樣結(jié)構(gòu),電極質(zhì)量的增加與電極振蕩頻率的下降改變符合Sauerbrey 方程。