石英晶体微天平QCM

石英晶体微天平——QCM小组成员：王卓然马涛李妍尚维QCM的运用范围用于测定外表物质的分量和粘弹信息，主要运用于的领域：生物医学资料科学高分子物质外表化学研讨1.根本原理2.构造与特性3.运用4.前景与展望石英晶体quartzcrystal石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应压电效应的方向性石英晶体电极谐振器与振荡器频率变化与质量变化QCM在液相丈量中的运用运用于检测流动细胞QCM构造及特性QCM主要由石英谐振器〔探头〕、振荡器、信号检测和数据处置等部分组成。QCM构造及特性QCM构造及特性石英晶体振荡器普通由外壳、晶片、支架、电极板、引线等组成。外壳资料有金属、玻璃、胶木、塑料等，外形有圆柱形、管形、长方形、正方形等多种.能否有效的驱动石英谐振器在谐振频率下振荡，获得稳定的频率信号，关键在振荡器的性能。QCM构造及特性晶片是从一块晶体上按一定的方位角切下的薄片，可以是圆形或正方形，矩形等。按切割晶片的方位不同，可将晶片分为AT、BT、CT、DT、X、Y等多种切型。不同切型的晶片其特性也不尽一样，尤其是频率温度特性相差较大。QCM构造及特性石英谐振器是传感器的接受器和转换器，由AT切石英晶体片经真空堆积或蒸镀等方式在晶片上下外表修饰两个平行的金属电极构成的一种谐振式传感器。常用金属有Au、Ag、Pt、Ni、Pd。QCM构造及特性为提高选择接受功能，常在电极外表修饰具有特异选择识别功能的模资料。运用时根据详细研讨体系设计构造和组合方式.QCM构造及特性由于石英晶体微天平称量灵敏度是一条钟罩形的曲线，这给准确地进展称量带来了困难。所以，样品必需均匀地涂布在电极外表，才干获得反复性、再现性好的丈量结果。要得到均匀涂布的样品，制样方法以真空镀膜为最好，其次是喷雾和电镀。其它方法(例如：用棉花签涂抹、用注射器等)都难以到达均匀的目的。QCM构造及特性QCM检测系统具有如下显著特点:(1)实时性可以对生物大分子的反响动力过程进展监测,系统每秒都可以搜集数个数据点当发生变化时可直接观测,除了分子吸附，QCM提供构造信息。(2)高效性普通完成一个根本的测试用时在15min以内。(3)简便性生物分子无需标志,设备简单;本钱低,电极可以再生和反复运用.任何外表都可以被涂上一个同质层〔少于5μm〕例如：金属、陶瓷、聚合体、化学改良外表等.石英晶体微天平之运用运用有机化学电化学领域QCM分析化学领域生物医学themegalleryCompanyLogo运用于电化学

金电极上单分子层氧的吸附机理研讨1氧化复原过程离子和溶剂在聚合物膜中的传输2高分子膜及金属电堆积3溶解动力学研讨4themegalleryCompanyLogo金电极上单分子层氧的吸附机理研讨—循环伏安法

themegalleryCompanyLogo从CV图可以看出,向正电位方向扫描时,金电极在0.9～1.1V处出现一个氧化峰,标志着氧化态金的构成,普通以为是构成了二价的AuO返扫时,在0.5V出现一个复原峰,标志着氧化态金被复原

从相应的频率-电位图来看,当电位从0扫向0.8V时,频率下降表示电极上质量添加

相应的CV图上这一电位段却非常平坦,根本上看不出电流呼应,没有氧化峰出现,经过分析这段的质量添加可归因于溶液中阴离子的吸附

金电极上单分子层氧的吸附机理研讨

图Au晶振电极在pH=6.1的磷酸缓冲液中扫描的CV图和EQCM频率呼应图themegalleryCompanyLogo金电极上单分子层氧的吸附机理研讨

当电位超越0.9V时,频率下降的幅度添加,不断继续到1.3V,对应着氧化态金的构成根据文献,金的氧化过程为:AuA·xH2O+Au­—AuA·AuOH(1-γ)-·(x–1)H2O+H++γe-AuOH—AuO+H++e-

式中A代表吸附于电极外表的酸根阴离子,这个过程几乎不应有大的质量变化,但由于AuO在电场作用下会发生金-氧原子的位置交换反响,即Au-O—O-AuO-Au+H2Oaq—O-Au(H2O)ads氧原子向金属内部嵌入,而交换到外表的金原子又可再吸附到水分子,所以△m能够是由此引起的，在返扫过程中,当电位低于0.5V,出现大幅度质量下降,对应着氧化态金被复原。图Au晶振电极在pH=6.1的磷酸缓冲液中扫描的CV图和EQCM频率呼应图themegalleryCompanyLogo运用于电化学

金电极上单分子层氧的吸附机理研讨1氧化复原过程离子和溶剂在聚合物膜中的传输2高分子膜及金属电堆积和膜的生长3溶解动力学研讨4themegalleryCompanyLogo溶剂中离子在聚合物膜中的传输举例：用微量注射器汲取PFDMS的THF溶液(2mg／2mL)4μL，滴加在石英振荡片金膜外表上，红外灯下加热枯燥后成膜，冷却至室温后丈量，膜内二茂铁的物质量为1．65X10-8mol采用电化学石英晶体微天平(EQCM)丈量了金电极外表上聚二茂铁二甲基硅烷(PFDMS)膜在水、甲醇、乙醇和丙酮等溶液中循环伏安(CV)过程中的质量变化.分析在PFDMS膜的氧化复原过程中伴有电解质阴离子向膜内分散themegalleryCompanyLogo运用于电化学

金电极上单分子层氧的吸附机理研讨1氧化复原过程离子和溶剂在聚合物膜中的传输2高分子膜及金属电堆积和膜的生长3溶解动力学研讨4themegalleryCompanyLogo不同溶剂体系中氢氧化物电堆积的EQCM研讨

电堆积景象可归因于溶液中的溶解氧和共存水在负电位下电复原产生OH-,OH-与溶液中金属阳离子结合生成在非水溶剂中溶解度很小的氢氧化物而沉淀在电极外表,从而引起压电参数的呼应举例：采用电化学石英晶体微天平(EQCM)定量研讨了含水合高氯酸盐的丙酮、DMF、DMSO、C2H5OH或CH3OH有机溶液中LiOH(或NaOH)的电堆积过程.themegalleryCompanyLogo运用之分析化学领域分析化学BECDA有毒易爆气体的检测大气飘尘测定液体中杂质测定大气腐蚀研讨分析溶液中金属离子的浓度themegalleryCompanyLogoQCM运用于气相检测QCM最早运用于气相组分、有毒易爆气体的检测。已对SO2、H2S、HCI、NH3、NO2、Hg、CO、及其他碳氢化合物、氰化物等有毒易爆气体进展探测研讨，至今仍是抢手themegalleryCompanyLogo甲醛的检测日本的S.Iijima博士初次发现了碳纳米管(CNTs),其构造是由单层(单壁碳纳米管)或两层(MWCNTs)以上、极细小的圆筒状石墨片而构成的中空碳笼管.

利用MWCNTs作为气敏资料,将其均匀地涂覆在QCM外表构成一敏感薄膜.利用MWCNTs敏感薄膜对16mg/m3甲醛和9.64mg/m3水蒸汽的吸附作用,把甲醛和19.64mg/m3水蒸汽的浓度信号转化为频率信号从而对16mg/m3甲醛和9.64mg/m3水蒸汽进展检测.themegalleryCompanyLogo如图是两个样品对16mg/m3甲醛的呼应曲线.从图中可以看出样品1对16mg/m3甲醛有呼应,样品2对16mg/m3甲醛几乎没什么呼应.

我们分析是样品2中用到的原始MWCNTs在空气中放置了一段时间,由于原始MWCNTs本身含有少量的杂质及缺陷,能够吸附了空气中的水、杂质等,从而对16mg/m3甲醛气体几乎没有呼应.themegalleryCompanyLogo图是样品1对16mg/m3甲醛和9.64mg/m3水蒸汽的呼应曲线.呼应幅度都不大,但很稳定.样品1是未经修饰的MWCNTs涂覆的QCM,未经修饰MWCNTs的外表不含OH官能团,短少吸附的活性点需求进一步对MWCNTs进展掺杂、改性来添加其对被测物质的呼应;涂膜技术也需改良.themegalleryCompanyLogo大气飘尘用静电吸附的方法把空气中的尘埃采集到石英谐振器外表进展称重。采样速率1L/min，在41s内测出大气飘尘的浓度范围100μg/m3，误差士5%该方法还被用来监测地下核爆炸所产生的烟云中的灰尘浓度和粒度。还可以测量像机器启动、气溶胶罐翻开或吸烟者进人清洁房间所引起的瞬间效应。纯水和液体化学试剂中杂质总量的测定用微量注射器加2mL水到电极中心，蒸干后测频率变化，7HZ相当于10-4%的杂质含量，此法也可以用于氨水、双氧水、硫酸、盐酸、硝酸、乙酸等试荆中不挥发物含量的测定。假设每次加样0.5mL，加到50ml后进展丈量，可以测出1x10-4%含量范围内的杂质总量themegalleryCompanyLogo分析溶液中金属离子的浓度把石英谐振器与极谱仪联用，用石英谐振器作为阴极.将溶液中的金属离子电镀到石英谐振器的电极上，然后进展测通。大气腐蚀研讨用蒸镀或电镀的方法，将被研讨的金属处置到石英谐振器的电极上，可以对大气腐蚀进展复位、实时监测。尤其是将石英晶体微天平和红外光谱联用，是研讨金属大气腐蚀的强有力的手段。themegalleryCompanyLogo小结经过频率变化反映质量变化〔1〕△F小于2%F0〔2〕溶剂的粘弹性不变〔3〕沉机的厚度根本均匀那么有Sauerbrey公式成立广泛的外表选择任何外表都可以被涂上一个同质层〔少于5μm〕例如：金属、陶瓷、聚合体、化学改良外表等

QCM提供构造信息themegalleryCompanyLogo蛋白质检测微生物检测核酸检测基因突变酶学检测凝血因子检测细胞检测ApplicationinBiomedicine蛋白质检测biosensor——免疫反响动力学动态监测、动力研讨antigen-antibody免疫反响1972,Shons——检测BSA抗体开展：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。Ag-Ab免疫结合蛋白质检测蛋白质检测BSABSA与金属QCM-D技术的中心是石英晶体传感器。在电极两端参与一个交流电压，在石英晶体传感器的共振频率处引发一个小的剪切振动，当交流电压封锁后，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，可用于反响动力学的计算。免疫动力学研讨QCM-D蛋白质检测CLINICALMuratsugu，etal.尿微量白蛋白0.1~10正常人8.84~9.15具有临床价值与放射免疫法，酶联免疫法比较选择性好线性范围宽无生物分子标志

蛋白质检测Thefirstone:1992Plomer肠球菌开展：白色念珠菌、大肠杆菌、沙门氏菌、霍乱弧菌原理：细菌抗原——目的细菌抗体微生物检测Fung灵敏的QCM检测副伤寒沙门氏菌〔1〕电极化学吸附单分子层〔2〕中介层，添加吸附面积〔3〕抗体凝聚在电极外表100~100000cells/L细菌间接测定石英晶体微天平对粘度和密度的呼应利用涂有固体培育基薄膜的QCM，经过对参与菌液后明胶培育基薄膜溶解后凝固过程的测定而间接测定微生物微生物检测质量呼应的压电免疫法抗体通常难以获得频移与微生物浓度间的关系比较复杂非质量呼应的方法频率呼应曲线在频度测定时间(FDT)附近变化缓慢FDT难以准确测定,分析的准确度依赖于分析者的阅历病毒最广泛：病毒抗原固定在电极外表——抗体经葡萄球菌蛋白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*10^4~1*10^9/石英晶体外表〕比较——酶标免疫反响检测法：〔1〕无标志〔2〕假阳性反响降低运用：柯萨奇病毒、肝炎病毒、疱疹病毒、登革热病毒及HIV等感染性疾病微生物检测DNA/RNA1988,Fawcett:RNA/DNA分子杂交反响〔DNA压电传感器〕ssDNA探针——电极外表目的ssDNA分子溶液操作简便、快速esp.在人工培育难度大、鉴定过程复杂的病原微生物核酸检测核酸检测基因突变MutS——与dsDNA分子中错配碱基对结合的蛋白MutS——电极外表目的dsDNA分子存在错配，亲和结合反响复合物堆积单碱基突变和1~4个碱基对的插入突变核酸检测常规：血浆凝固