石英晶體微天平的基本原理和具體應(yīng)用

1、石英晶體微天平的基本原理和具體應(yīng)用石英晶體微天平（quartz crystal microbalance）是一種非常靈敏的質(zhì)量檢測器，能夠快速、簡便和實(shí)時檢測反應(yīng)過程中的質(zhì)量變化，檢測限可達(dá)到納克級水平，已被廣泛應(yīng)用于基因?qū)W、診斷學(xué)等各方面，成為分子生物學(xué)和微量化學(xué)領(lǐng)域最有效的手段之一。 QCM crystal. Grey=quartz, yellow=metallic electrodes.一、石英晶體的結(jié)構(gòu)石英晶體又稱為水晶，其化學(xué)成分為：SiO2, 熔點(diǎn)為1750 C，密度為3，是重要的壓電材料。z軸（光軸）：光線沿z軸方向通過石英晶體時，不產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象。x軸（電軸）：沿x軸方向或沿y

2、軸方向施加壓力（或拉力）時，在x軸方向產(chǎn)生壓電效應(yīng)。y軸（機(jī)械軸）：沿y軸方向或沿x 軸方向施加壓力（或拉力）時，在y軸方向不產(chǎn)生壓電效應(yīng)，只產(chǎn)生形變。天然右旋石英晶體晶軸的分布石英晶體有天然的和人工培育的。天然石英晶體產(chǎn)量有限，而且大部分都存在各種缺陷。石英晶體常見的缺陷：1、電雙晶：石英晶體中同時存在兩個方位不同的左旋部分（或右旋部分），其中一部分繞光軸旋轉(zhuǎn)180 后，才與另一部分連生在一起。2、光雙晶：同時存在左旋和右旋兩個部分連生在一起。3、藍(lán)針：藍(lán)色針狀缺陷與天然石英晶體比較，人造石英晶體有以下優(yōu)點(diǎn)：1、沒有雙晶2、可以控制人造石英晶體的外形尺寸3、可以人為地改變它的物理、化學(xué)性質(zhì)4

3、、利用效率高5、半成品加工比較簡便二、石英晶體的壓電性質(zhì)當(dāng)石英晶體受到應(yīng)力作用時，在它的某些表面上出現(xiàn)電荷，而且應(yīng)力與面電荷密度之間存在線性關(guān)系，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。而當(dāng)石英晶體受到電場作用時,在它的某些方向出現(xiàn)應(yīng)變，而且電場強(qiáng)度與應(yīng)變之間存在線性關(guān)系，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)是在電場的作用下，在電偶極距發(fā)生變化的同時產(chǎn)生形變.石英諧振器是由石英晶片、電極、支架及外殼等部分構(gòu)成。三、石英諧振器的振動模式、伸縮振動模式、彎曲振動模式、面切變振動模式、厚度切變振動模式厚度切變振動模式晶片的厚度可以磨得很薄，因而厚度切變振動模式適用于高頻和超高頻范圍。厚度切變振動模式的常用切型有和兩種

4、，其中用得最多。切型的頻率范圍為800kz-350Mz.AT- 和 BT-切割模式 四、石英晶體微天平（QCM）的工作原理石英晶體微天平由一薄的石英圓片和覆蓋其表面的電極組成 。外加電壓加到壓電材料上引起一個內(nèi)在的機(jī)械振動。因?yàn)镼CM是壓電的，振蕩電場橫著通過裝置產(chǎn)生一個聲學(xué)波。Quartz crystal 2. Electrode materialF= - 2 F02M/A（q q）1/2 F: Frequency Change of Quartz Crystal; M: Mass Change of the Substance on ElectrodeQCM屬于剪切模式的裝置，即聲波沿著垂

5、直晶體表面的方向傳播。石英晶體振蕩頻率的變化與晶體表面薄膜性沉積物的質(zhì)量變化成比例。為了滿足這一點(diǎn)，石英晶片必須相對晶體軸線按特殊的方向切割。 諧振由一個包括石英晶體在內(nèi)的振蕩回路完成。在這個振蕩電路中，電振動和機(jī)械振動的頻率都接近晶體的基頻。基頻的大小取決于石英薄片的厚度、化學(xué)結(jié)構(gòu)、形狀和物性。作為固有的常量，石英厚度、密度以及剪切系數(shù)等因素都可能影響它的基頻大小，另外，環(huán)境介質(zhì)的物理性質(zhì)（氣體或液體的密度或粘度）也是影響基頻的因素。 1959年，Sauerbrey指出，石英晶體振蕩頻率的變化與晶體的質(zhì)量堆積密切相關(guān)。因此，對于氣相中分析物的檢測，頻率變化與質(zhì)量變化有一簡單的相關(guān)： Df a

6、 K Dm 對于剛性沉積物，晶體振蕩頻率變化F與工作電極上沉積物的質(zhì)量改變M成線性關(guān)系。只要(1)F 小于2% F0; (2)溶劑的粘彈性不變；(3)沉積物厚度基本均勻；則Sauerbrey公式成立： F = - 2 F02M/A（qq）1/2 F：石英晶體的頻率改變量,又稱頻移值（Hz）；F0:石英晶體的基頻；M：沉積在電極上的物質(zhì)的質(zhì)量改變（g）；A：工作電極的面積; q:剪切參數(shù)（1010 kgm-1s-2）; q：石英的密度（2648 kgm-3）?？梢钥闯?，頻移值F與質(zhì)量改變M之間有一簡單的線性關(guān)系，負(fù)號表示質(zhì)量升高，頻率降低。 一段時期普遍認(rèn)為QCM無法應(yīng)用于液相。1980年，No

7、mura等將石英晶體單面接觸液體，另一面保持在氣相中，解決了由于壓電石英晶體在液相中振蕩能耗很大，難以起振的問題,實(shí)現(xiàn)了液相中QCM的穩(wěn)定振蕩。 QCM對過程質(zhì)量和體系性狀(密度、粘度、電導(dǎo)率、介電常數(shù)等)變化非常敏感，能夠檢測微觀過程的微小變化，獲取豐富的在線信息，為研究微觀變化過程，破譯微觀作用機(jī)理等提供了一種強(qiáng)有力的手段。正因如此，QCM獲得了迅速發(fā)展，已廣泛用于化學(xué)、材料、生物醫(yī)學(xué)等多個領(lǐng)域的研究。 流體通過剪切模式的聲波傳感器裝置示意圖 Liquid flow cell70 uL flow through reservoir 1 ml static reservoir O-ring

8、seal Resists harsh chemicals Low stress design Static cell5-10 uL liquid sample reservoir Holes for electrochemical electrodes O-ring seal Resists harsh chemicals Additional holes for purge or sample當(dāng)晶體被浸入到溶液中，振蕩頻率取決于所使用的溶劑。當(dāng)覆蓋層比較厚時，頻率 f 和質(zhì)量變化 Dm 之間是非線性的，需要修正。 當(dāng)石英晶體振蕩與流體接觸時，晶體表面對流體的耦合極大地改變振蕩頻率，并在晶體與

9、流體接觸面附近產(chǎn)生一剪切振動。振動表面在流體中產(chǎn)生平流層，它導(dǎo)致頻率與(rh)1/2成比例降低，這里r和h分別是流體的密度和粘度。 Df = -fu 2/3 (rLhL) / (p (rqmq) , Df = measured frequency shift,fu = resonant frequency of the unloaded crystal,rL = density of liquid in contact with the crystal,hL = viscosity of liquid in contact with the crystal,rq = density of qu

10、artz, 2.648 g/cm3,mq 1011 g/cm s2.The frequency change on the injection of 1,2-benzenedimethanethiol 振蕩傳感器有表面聲波傳感器（SAW）和壓電晶體傳感器（PZ）兩種類型。商品可用的石英晶片可以最大測量100g的質(zhì)量變化，最小被檢測量約為1 ng cm-2。AT-cut石英晶體由于具有較低的溫度效應(yīng)，在許可的范圍內(nèi)，相對于溫度的改變有最小的頻率變化，因此可作為石英晶體微天平使用。晶片的直徑在晶體穩(wěn)定性方面扮演了重要的作用。直徑為英寸的石英晶片比較常用。晶體的厚度決定了頻率的大小，頻率又影響了質(zhì)量

11、靈敏度。 較薄的高頻振蕩裝置具有較高的靈敏度，但同時也更易碎。晶體與電極一起構(gòu)成一個正反饋振蕩回路，頻率儀可作為計(jì)數(shù)器使用。五、石英晶體微天平的應(yīng)用 1、用于氣相樣品檢測 2、免疫傳感器 3、DNA和RNA生物傳感器4、藥物分析5、表面活性劑的研究6、薄膜的形成7、吸附動力學(xué)Sensors and Actuators B: Chemical Volume 99, Issues 2-3 , 1 May 2004, Pages 416-424Quartz crystal biosensor for real-time kinetic analysis of interactionbetween h

12、uman TNF- and monoclonal antibodies2、免疫傳感器Setup of the QCMFIA system The structures of biorecognition layers of hTNF- trimer modified sensor TNF:Tumor necrosis factor Interaction of hTNF-antigen immobilized sensor with various proteins (protein concentration: 0.5g/L)g/l). g/3、DNA生物傳感器所謂DNA傳感器，就是利用石英

13、晶體微天平作為換能器制備的質(zhì)量式基因傳感器，是以石英晶體振蕩器（QCM）為換能器，將單鏈的DNA探針固定在電極表面上，然后浸入含有被測目標(biāo)ssDNA分子的溶液中，當(dāng)電極上的ssDNA探針與溶液中的互補(bǔ)序列的目標(biāo)ssDNA分子雜交，QCM的振蕩頻率就會發(fā)生變化。 Quartz crystal 2. Electrode materialF= - 2 F02M/A（q q）1/2 F: Frequency Change of Quartz Crystal; M: Mass Change of the Substance on ElectrodeBiochemical and Biophysical

14、Research Communications 313 (2004) 37Fig. 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. Schematic illustration of the sensing

15、 process. Biochemical and Biophysical Research Communications 304 (2003) 98100Frequency change vs. the concentration of the target DNA. 石英晶體微天平技術(shù)研究納米 TiO2 表面Cu ()吸附 與光化學(xué)還原過程楊政鵬等 無機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào) Vol.21 No.9 2005 石英晶體表面的金電極用 2 molL - 1 NaOH 溶液浸泡 20 min,然后用水清洗干凈。用旋轉(zhuǎn)涂膜法制備納米 TiO2 膜,石英電極一面作為工作電極浸入溶液中, 另一面暴露于空氣中?？照{(diào)

16、控制室內(nèi)溫度為 20 ,在避光暗箱中進(jìn)行 Cu ()的吸附實(shí)驗(yàn),UV 光照射下進(jìn)行 Cu ()的光還原沉積。用 HNO3(0.1 molL - 1)和 NaOH(0.1 molL - 1)調(diào)節(jié)溶液的 pH。7. QCM在吸附動力學(xué)和化學(xué)反應(yīng)研究中的應(yīng)用Cu ()的吸附Fig.1 Frequency changes of QCM after the addition of CuCl2 solution (pH 4) to the detector cell(a) 0.08 mmol/L CuCl2 with an Au electrode(b) 0.04 mmol/L CuCl2 with an

17、 Au/TiO2 film(c) 0.08 mmol/L CuCl2 with an Au/TiO2 filmTiO2 的羥基與 Cu()發(fā)生配位作用而使 Cu ()吸附于電極表面,即:Ti - OH+ Cu () Ti - OH Cu ()準(zhǔn)二級動力學(xué)圖Fig.2 Pseudo-second-order kinetics of Cu () adsorption onto nanocrystalline TiO2 films at different initial concentrationsCuCl2 solution was at pH 4.膜表面吸附反應(yīng)可描述為：P + M PM反應(yīng)看

18、成一個準(zhǔn)二級動力學(xué)方程，由吸附理論得到下式，式中 k2為準(zhǔn)二級動力學(xué)反應(yīng)的速率常數(shù), fm 和 f 分別表示在吸附平衡時和任意時間 t 時 QCM 的頻率變化值 。pH對吸附的影響Fig.3 Dependence of the adsorbed Cu () on pH of solutions. 0.08 mmlL - 1 CuCl2 was used. pH 較低時,質(zhì)子在TiO2 表面產(chǎn)生吸附,結(jié)果使 TiO2 表面活性點(diǎn)減少,導(dǎo) 致 Cu ()的吸附量較小; pH 增大時, TiO2 表面活性點(diǎn) 增多, Cu ()的吸附量也隨之增大。 光化學(xué)反應(yīng)沉積Fig.4 Frequency change of QCM with TiO2 film observed during UV illmination in 0.08 mmolL - 1 CuCl2 solution (pH 4).光化學(xué)反應(yīng) ：pH對吸附的影響對沉積的影響Fig