（精）08石英晶體微天平[1]

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1、醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)05級(jí)本科生王卓然90513102李妍90513105尚維90513106石英晶體微天平的基本原理及其在生物醫(yī)學(xué)研究中的應(yīng)用摘要：本文綜述了石英晶體微天平（QuartzCrystalMicrobalance－QCM）的基本原理、組成結(jié)構(gòu)、適用范圍和特點(diǎn)，以及它在化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用及發(fā)展前景，并對(duì)于其突出優(yōu)點(diǎn)和局限性進(jìn)行比較分析。關(guān)鍵詞：石英晶體微天平；壓電效應(yīng)；電化學(xué)；生物醫(yī)學(xué)；應(yīng)用引言：石英晶體微天平（QuartzCrystalMicrobalance－QCM）的發(fā)展始于上世紀(jì)60年代初期，它是一種非常靈敏的質(zhì)量檢測儀器

2、，其測量精度可達(dá)納克級(jí)，比靈敏度在微克級(jí)的電子微天平高100倍，理論上可以測到的質(zhì)量變化相當(dāng)于單分子層或原子層的幾分之一。石英晶體微天平利用了石英晶體諧振器的壓電特性，將石英晶振電極表面質(zhì)量變化轉(zhuǎn)化為石英晶體振蕩電路輸出電信號(hào)的頻率變化，進(jìn)而通過計(jì)算機(jī)等其他輔助設(shè)備獲得高精度的數(shù)據(jù)。QMC所具有的高靈敏度和實(shí)時(shí)測量質(zhì)量改變的特點(diǎn)使其在化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域的應(yīng)用備受關(guān)注。一、石英晶體微天平的基本原理：石英晶體微天平最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

3、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

4、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)，而且可以做得精確，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。1醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)05級(jí)本科生王卓然90513102李妍90513105尚維905131061959年Sauerbrey在假定外加持量均勻剛性地附著于QCM的金電極表面的條件下，得出了QCM的諧振頻率變化與外加質(zhì)量成正比的結(jié)論。對(duì)于剛性沉積物，晶體振蕩頻率變化△

5、F正比于工作電極上沉積物的質(zhì)量改變△M。只要(1)△F小于2％F0；(2)溶劑的粘彈性不變；(3)沉積物的厚度基本均勻則有Sauerbrey公式成立：（1）F0：石英品振的基頻(MHz)；△F：石英品振的額率改變量又稱頻移值(Hz)；△M：2沉積在電極上的物質(zhì)質(zhì)量改變(g)；A：工作電極的面積(cm)；ρ為石英晶體密度；μ為剪切系數(shù)。1985年Kanazawa和Gordon推出了QCM在牛頓流體中振蕩時(shí)其諧振頻率變化與液體的粘度和密度的關(guān)系式[1]，即：（2）從式（1）、（2）可以看出，QCM諧振頻率的變化量Δf是關(guān)鍵的待測量。二、石英

6、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)

7、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；另外經(jīng)常加裝一些輔助輸出設(shè)備，例如顯示器、打印機(jī)等。三、石英晶體微天平的適用范圍和特點(diǎn)1.質(zhì)量測定：測試表面形成的分子層的質(zhì)量，測量精度理論上可以達(dá)到納克級(jí)。例如，可檢測到1%或更低濃度蛋白質(zhì)單分子層的質(zhì)量變化。2醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)05級(jí)本科生王卓然90513102李妍90513105尚維905131062.結(jié)構(gòu)變化：同步測試，通過質(zhì)量改變信號(hào)反映結(jié)構(gòu)變化，因此可以區(qū)分兩個(gè)相似的鍵合反應(yīng)或觀察到吸附層上發(fā)生的相轉(zhuǎn)變。3.實(shí)時(shí)分析：可以進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄和動(dòng)力學(xué)評(píng)

8、估4.無須標(biāo)記：無須對(duì)分子做標(biāo)記，儀器測定的是分子本身5.表面選擇廣泛：適用于任何能形成薄膜的表面如金屬、高分子、化學(xué)表面等四、石英晶體微天平的電化學(xué)應(yīng)用1.金電極上單分子層氧的吸附機(jī)理研究Bruckens