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石英晶体微天平的原理和应用

点击次数:2016    发布时间:2016-08-09

 一、 石英晶体微天平的基本原理:
  石英晶体微天平zui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,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
  QCMzui早应用于气相组分、有毒易爆气体的检测。已对SO2、H2 S、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。日本的S. Iijima 博士发现了碳纳米管(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.
四、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。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。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,计算了免疫反应的Arrhenius 活化能,理论推导与实验结果相吻合。近年来,瑞典Q-sense AB 公司开发了QCM-D 技术,此技术的核心是石英晶体传感器。在电极两端加入一个交流电压,在石英晶体传感器的共振频率处引发一个小的剪切振动,当交流电压关闭后,振动呈指数衰减,这个衰减被记录下来,得到共振频率(f)和耗散因子(D)两个参数。每秒钟获得多个频率和耗散因子数据,可方便用于反应动力学的计算。与放射免疫法、酶联免疫法相比,具有更好的选择性、更宽的线性范围,且不需要生物分子标记。

2、微生物:
  利用细菌抗原-目标细菌抗体相结合的原理,对细菌进行检测。1992 年,Plomer 等人用这种方法检测到了肠球菌,现已大规模发展,掌握了对白色念珠菌、大肠杆菌、沙门氏菌、霍乱弧菌等多种细菌的检测手段。Fung 等人改进了抗体在奠基表面的吸附过程,使其凝聚,工作范围达到了102 ~105 cells/L,检测限1. 7 ×102 cells/L。应用zui广的病毒检测法是将病毒抗原固定在电极表面的QCM技术检测待测溶液中的病毒抗体。有学者经葡萄球菌蛋白A 将病毒的单克隆抗体固定在QCM 电极上,直接检测病毒颗粒(5*104~1*109/石英晶体表面)。与酶标免疫反应检测法相比,除了无分子标记外,假阳性反应也可以降低很多。目前用于检测柯萨奇病毒、肝炎病毒、疱疹病毒、登革热病毒及HIV 等感染性疾病。石英晶体微天平对粘度和密度的响应,利用涂有固体培养基薄膜的QCM ,通过对加入菌液后明胶培养基薄膜溶解后凝固过程的测定而间接测定微生物。

3、核酸:
  1988 年Fawcett 等采用QCM 技术测定RNA /DNA 分子杂交反应,从而开创了DNA 压电传感器研究酶的先例。DNA压电传感器工作原理就是将ssDNA 探针固定在电极表面,然后浸入含有目标ssDNA 分子的溶液中。当电极上的核酸探针与溶液中目标ssDNA 分子杂交后,晶体表面质量增加而引起振荡频率的降低。QCM 法检测核酸技术的zui大优点是操作简便、快速,特别在人工培养难度大、鉴定过程复杂的病原微生物的实验诊断中发挥了重要作用。此外,石英晶体微天平还用于基因突变的检测。在QCM 电极表面涂抹MutS,一种与dsDNA 分子中错配碱基对结合的蛋白,如果目标dsDNA 分子存在错配,就会发生结合反应,产生复合物沉积,可以检测单碱基突变和1~4 个碱基对的插入突变。

4.凝血因子:常规的方法是以血浆凝固反应为基础,观测反映体系中黏度、光密度的变化判定反应的终点,由于实验者肉眼观察、手工操作的不一致性,存在着很多的不利。而利用QCM 检测凝血因子活性,使用10MHz 镀银石英晶体,通过实时变化判断起点和终点,此法快速、准确、低成本。

5. 细胞检测:
     目前主要两个应用,一是通基于受体-配体的亲和反应,建立QCM 系统检测多种血液中细胞含量。另一是肿瘤细胞的检测,把胞外基质蛋白固定在压电石英电极上,在整合素介导下,待测的人卵巢癌细胞与胞外基质蛋白发生粘附作用。形成胞外基质蛋白- 整合素—癌细胞的三明治样结构,电极质量的增加与电极振荡频率的下降改变符合Sauerbrey 方程。