石英晶体微天平的进展综述

1在生物医学中的应用

HookF等人研究了各种DNA杂交，用户已知哪些DNA是完全互补的，哪些是单错配的，然后在QCM—D上能检测出2种类型DNA在耗散方面的差别。得出结论完全互补的结构耗散更大一点，证明结构更伸展；单错配的耗散较小，且有一定的可逆性［18］。YangRuiguo等人使用了刺激表皮生长因子﹙EGF﹚的人体表皮样癌A431细胞作为一个模型系统。首次使用AFM显示活A431细胞的结构，同时分析动态弹性变化。由QCM—D实时监控A431细胞的粘弹性变化、散热情况和频率变化。通过原子力显微镜﹙AFM﹚和QCM—D实验分析得到的力学性能测量进行比较。可以得到定量结果，并从理论上获得材料的动态弹性［19］。刘宪华、赵勇等人先使用硫辛酸修饰石英晶体表面，形成自组装单分子膜，实验通过记录传感器的频率变化反映被测HSA样品的浓度大小。通过对硫辛酸自组装单层膜的电化学检测验证了硫辛酸形成的自组装膜能够满足尿微量白蛋白的测定［20］。

2理论分析方法的研究进展

简单的说，QCM是一种质量到频率的转换器，QCM信号的采集是难点。目前驱动QCM振动，并采集其输出信号的方法主要采用频谱分析法，通过QCM等效阻抗等的频谱特性曲线来研究QCM的相关性质。在数据采集过程中研究者会得到一系列其他的信息，比如：粘度、密度、厚度、面积等，为了对这些数据能更好的理解并获取更多关于QCM振荡原理性的信息，常常将研究过程模型化，目前最常用的2种模型为等效电路模型、力学模型，最近由马宏伟教授实验小组提出的“固化水层”模型使得简便实现QCM数据定量分析成为可能，成功拓展了QCM的应用。QCM通常采用AT切型石英晶片，属于厚度剪切模型﹙TSM﹚谐振器，MasonWP在1965年提出了一种可以描述厚度剪切模型﹙TSM﹚谐振器的模型，将其应用于QCM分析研究，称为Mason模型［21］，如图1。

3存在的问题与应用展望

在过去的几十年里，QCM技术在理论、方法和应用上均取得了较大的进展。人们将QCM与电学、声学原理结合发展了等效电路模型［27，28］、流体力学模型［29］、有限元法等方法［30］等。这些方法从不同程度上加深了研究者对QCM数据的理解，使得QCM在化学、生命科学、医学等相关领域都有了广泛的应用，但由于过于复杂，在商业应用方面还有所欠缺。同时，也发展了多种高级QCM，例如：带阻抗分析功能的QCM﹙impedanceQCM，i-QCM﹚、带能量耗散监测功能的QCM﹙QCMwithdissipation，QCM-D﹚等。但是仍存在许多不足。1﹚引起谐振频率的变化原因除了电极表面质量变化以外，还包括温度、气压等因素。所以，如何使用QCM来测定这些因素和如何让QCM输出将受环境影响降到最低乃至不受环境因素影响成为当前需要解决的一个问题。2﹚目前与QCM接触的三类不同介质：刚性膜、牛顿流体、粘弹性层，其中，具有重要意义的粘弹性层仍不能定量的区分描述QCM，在商业领域应用仍不广泛，还需要进一步的研究。3﹚仪器、芯片、电极的基质结构需要进一步的优化，来提高QCM检测的灵敏度、精度、速度等。4﹚可以将QCM与其它技术结合，如AFM与EDX技术［31］，XPS与SIMS［32］技术和椭圆偏振光［33］技术。与其它学科的交叉发展，如光谱电化学［34］、热动力学、催化动力学和光电学等方面。综上实现创新是其拓展应用领域的主要方向之一。

4结束语

石英晶体作为一种高精度测量传感器有着其它传感器无法比拟的优点，随着研究人员的不断努力，发展出了一套分析方程。但是由于参数过多，过于复杂，不利于商业上的推广使用，有待进一步简化深入研究。希望通过本篇综述，对读者了解QCM的研究现状、发展趋势、应用以及存在的问题有所帮助。

作者：陈超杰 蒋海峰 单位：南京理工大学