石英晶體微天平QCM

石英晶體微天平——QCM小組成員：王卓然馬濤李妍尚維QCM的運用范圍用于測定外表物質(zhì)的分量和粘彈信息，主要運用于的領(lǐng)域：生物醫(yī)學(xué)資料科學(xué)高分子物質(zhì)外表化學(xué)研討1.根本原理2.構(gòu)造與特性3.運用4.前景與展望石英晶體quartzcrystal石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體的壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)的方向性石英晶體電極諧振器與振蕩器頻率變化與質(zhì)量變化QCM在液相丈量中的運用運用于檢測流動細(xì)胞QCM構(gòu)造及特性QCM主要由石英諧振器〔探頭〕、振蕩器、信號檢測和數(shù)據(jù)處置等部分組成。QCM構(gòu)造及特性QCM構(gòu)造及特性石英晶體振蕩器普通由外殼、晶片、支架、電極板、引線等組成。外殼資料有金屬、玻璃、膠木、塑料等，外形有圓柱形、管形、長方形、正方形等多種.能否有效的驅(qū)動石英諧振器在諧振頻率下振蕩，獲得穩(wěn)定的頻率信號，關(guān)鍵在振蕩器的性能。QCM構(gòu)造及特性晶片是從一塊晶體上按一定的方位角切下的薄片，可以是圓形或正方形，矩形等。按切割晶片的方位不同，可將晶片分為AT、BT、CT、DT、X、Y等多種切型。不同切型的晶片其特性也不盡一樣，尤其是頻率溫度特性相差較大。QCM構(gòu)造及特性石英諧振器是傳感器的接受器和轉(zhuǎn)換器，由AT切石英晶體片經(jīng)真空堆積或蒸鍍等方式在晶片上下外表修飾兩個平行的金屬電極構(gòu)成的一種諧振式傳感器。常用金屬有Au、Ag、Pt、Ni、Pd。QCM構(gòu)造及特性為提高選擇接受功能，常在電極外表修飾具有特異選擇識別功能的模資料。運用時根據(jù)詳細(xì)研討體系設(shè)計構(gòu)造和組合方式.QCM構(gòu)造及特性由于石英晶體微天平稱量靈敏度是一條鐘罩形的曲線，這給準(zhǔn)確地進(jìn)展稱量帶來了困難。所以，樣品必需均勻地涂布在電極外表，才干獲得反復(fù)性、再現(xiàn)性好的丈量結(jié)果。要得到均勻涂布的樣品，制樣方法以真空鍍膜為最好，其次是噴霧和電鍍。其它方法(例如：用棉花簽涂抹、用注射器等)都難以到達(dá)均勻的目的。QCM構(gòu)造及特性QCM檢測系統(tǒng)具有如下顯著特點:(1)實時性可以對生物大分子的反響動力過程進(jìn)展監(jiān)測,系統(tǒng)每秒都可以搜集數(shù)個數(shù)據(jù)點當(dāng)發(fā)生變化時可直接觀測,除了分子吸附，QCM提供構(gòu)造信息。(2)高效性普通完成一個根本的測試用時在15min以內(nèi)。(3)簡便性生物分子無需標(biāo)志,設(shè)備簡單;本錢低,電極可以再生和反復(fù)運用.任何外表都可以被涂上一個同質(zhì)層〔少于5μm〕例如：金屬、陶瓷、聚合體、化學(xué)改良外表等.石英晶體微天平之運用運用有機(jī)化學(xué)電化學(xué)領(lǐng)域QCM分析化學(xué)領(lǐng)域生物醫(yī)學(xué)themegalleryCompanyLogo運用于電化學(xué)

金電極上單分子層氧的吸附機(jī)理研討1氧化復(fù)原過程離子和溶劑在聚合物膜中的傳輸2高分子膜及金屬電堆積3溶解動力學(xué)研討4themegalleryCompanyLogo金電極上單分子層氧的吸附機(jī)理研討—循環(huán)伏安法

themegalleryCompanyLogo從CV圖可以看出,向正電位方向掃描時,金電極在0.9～1.1V處出現(xiàn)一個氧化峰,標(biāo)志著氧化態(tài)金的構(gòu)成,普通以為是構(gòu)成了二價的AuO返掃時,在0.5V出現(xiàn)一個復(fù)原峰,標(biāo)志著氧化態(tài)金被復(fù)原

從相應(yīng)的頻率-電位圖來看,當(dāng)電位從0掃向0.8V時,頻率下降表示電極上質(zhì)量添加

相應(yīng)的CV圖上這一電位段卻非常平坦,根本上看不出電流呼應(yīng),沒有氧化峰出現(xiàn),經(jīng)過分析這段的質(zhì)量添加可歸因于溶液中陰離子的吸附

金電極上單分子層氧的吸附機(jī)理研討

圖Au晶振電極在pH=6.1的磷酸緩沖液中掃描的CV圖和EQCM頻率呼應(yīng)圖themegalleryCompanyLogo金電極上單分子層氧的吸附機(jī)理研討

當(dāng)電位超越0.9V時,頻率下降的幅度添加,不斷繼續(xù)到1.3V,對應(yīng)著氧化態(tài)金的構(gòu)成根據(jù)文獻(xiàn),金的氧化過程為:AuA·xH2O+Au-—AuA·AuOH(1-γ)-·(x–1)H2O+H++γe-AuOH—AuO+H++e-

式中A代表吸附于電極外表的酸根陰離子,這個過程幾乎不應(yīng)有大的質(zhì)量變化,但由于AuO在電場作用下會發(fā)生金-氧原子的位置交換反響,即Au-O—O-AuO-Au+H2Oaq—O-Au(H2O)ads氧原子向金屬內(nèi)部嵌入,而交換到外表的金原子又可再吸附到水分子,所以△m能夠是由此引起的，在返掃過程中,當(dāng)電位低于0.5V,出現(xiàn)大幅度質(zhì)量下降,對應(yīng)著氧化態(tài)金被復(fù)原。圖Au晶振電極在pH=6.1的磷酸緩沖液中掃描的CV圖和EQCM頻率呼應(yīng)圖themegalleryCompanyLogo運用于電化學(xué)

金電極上單分子層氧的吸附機(jī)理研討1氧化復(fù)原過程離子和溶劑在聚合物膜中的傳輸2高分子膜及金屬電堆積和膜的生長3溶解動力學(xué)研討4themegalleryCompanyLogo溶劑中離子在聚合物膜中的傳輸舉例：用微量注射器汲取PFDMS的THF溶液(2mg／2mL)4μL，滴加在石英振蕩片金膜外表上，紅外燈下加熱枯燥后成膜，冷卻至室溫后丈量，膜內(nèi)二茂鐵的物質(zhì)量為1．65X10-8mol采用電化學(xué)石英晶體微天平(EQCM)丈量了金電極外表上聚二茂鐵二甲基硅烷(PFDMS)膜在水、甲醇、乙醇和丙酮等溶液中循環(huán)伏安(CV)過程中的質(zhì)量變化.分析在PFDMS膜的氧化復(fù)原過程中伴有電解質(zhì)陰離子向膜內(nèi)分散themegalleryCompanyLogo運用于電化學(xué)

金電極上單分子層氧的吸附機(jī)理研討1氧化復(fù)原過程離子和溶劑在聚合物膜中的傳輸2高分子膜及金屬電堆積和膜的生長3溶解動力學(xué)研討4themegalleryCompanyLogo不同溶劑體系中氫氧化物電堆積的EQCM研討

電堆積景象可歸因于溶液中的溶解氧和共存水在負(fù)電位下電復(fù)原產(chǎn)生OH-,OH-與溶液中金屬陽離子結(jié)合生成在非水溶劑中溶解度很小的氫氧化物而沉淀在電極外表,從而引起壓電參數(shù)的呼應(yīng)舉例：采用電化學(xué)石英晶體微天平(EQCM)定量研討了含水合高氯酸鹽的丙酮、DMF、DMSO、C2H5OH或CH3OH有機(jī)溶液中LiOH(或NaOH)的電堆積過程.themegalleryCompanyLogo運用之分析化學(xué)領(lǐng)域分析化學(xué)BECDA有毒易爆氣體的檢測大氣飄塵測定液體中雜質(zhì)測定大氣腐蝕研討分析溶液中金屬離子的濃度themegalleryCompanyLogoQCM運用于氣相檢測QCM最早運用于氣相組分、有毒易爆氣體的檢測。已對SO2、H2S、HCI、NH3、NO2、Hg、CO、及其他碳?xì)浠衔?、氰化物等有毒易爆氣體進(jìn)展探測研討，至今仍是搶手themegalleryCompanyLogo甲醛的檢測日本的S.Iijima博士初次發(fā)現(xiàn)了碳納米管(CNTs),其構(gòu)造是由單層(單壁碳納米管)或兩層(MWCNTs)以上、極細(xì)小的圓筒狀石墨片而構(gòu)成的中空碳籠管.

利用MWCNTs作為氣敏資料,將其均勻地涂覆在QCM外表構(gòu)成一敏感薄膜.利用MWCNTs敏感薄膜對16mg/m3甲醛和9.64mg/m3水蒸汽的吸附作用,把甲醛和19.64mg/m3水蒸汽的濃度信號轉(zhuǎn)化為頻率信號從而對16mg/m3甲醛和9.64mg/m3水蒸汽進(jìn)展檢測.themegalleryCompanyLogo如圖是兩個樣品對16mg/m3甲醛的呼應(yīng)曲線.從圖中可以看出樣品1對16mg/m3甲醛有呼應(yīng),樣品2對16mg/m3甲醛幾乎沒什么呼應(yīng).

我們分析是樣品2中用到的原始MWCNTs在空氣中放置了一段時間,由于原始MWCNTs本身含有少量的雜質(zhì)及缺陷,能夠吸附了空氣中的水、雜質(zhì)等,從而對16mg/m3甲醛氣體幾乎沒有呼應(yīng).themegalleryCompanyLogo圖是樣品1對16mg/m3甲醛和9.64mg/m3水蒸汽的呼應(yīng)曲線.呼應(yīng)幅度都不大,但很穩(wěn)定.樣品1是未經(jīng)修飾的MWCNTs涂覆的QCM,未經(jīng)修飾MWCNTs的外表不含OH官能團(tuán),短少吸附的活性點需求進(jìn)一步對MWCNTs進(jìn)展摻雜、改性來添加其對被測物質(zhì)的呼應(yīng);涂膜技術(shù)也需改良.themegalleryCompanyLogo大氣飄塵用靜電吸附的方法把空氣中的塵埃采集到石英諧振器外表進(jìn)展稱重。采樣速率1L/min，在41s內(nèi)測出大氣飄塵的濃度范圍100μg/m3，誤差士5%該方法還被用來監(jiān)測地下核爆炸所產(chǎn)生的煙云中的灰塵濃度和粒度。還可以測量像機(jī)器啟動、氣溶膠罐翻開或吸煙者進(jìn)人清潔房間所引起的瞬間效應(yīng)。純水和液體化學(xué)試劑中雜質(zhì)總量的測定用微量注射器加2mL水到電極中心，蒸干后測頻率變化，7HZ相當(dāng)于10-4%的雜質(zhì)含量，此法也可以用于氨水、雙氧水、硫酸、鹽酸、硝酸、乙酸等試荊中不揮發(fā)物含量的測定。假設(shè)每次加樣0.5mL，加到50ml后進(jìn)展丈量，可以測出1x10-4%含量范圍內(nèi)的雜質(zhì)總量themegalleryCompanyLogo分析溶液中金屬離子的濃度把石英諧振器與極譜儀聯(lián)用，用石英諧振器作為陰極.將溶液中的金屬離子電鍍到石英諧振器的電極上，然后進(jìn)展測通。大氣腐蝕研討用蒸鍍或電鍍的方法，將被研討的金屬處置到石英諧振器的電極上，可以對大氣腐蝕進(jìn)展復(fù)位、實時監(jiān)測。尤其是將石英晶體微天平和紅外光譜聯(lián)用，是研討金屬大氣腐蝕的強(qiáng)有力的手段。themegalleryCompanyLogo小結(jié)經(jīng)過頻率變化反映質(zhì)量變化〔1〕△F小于2%F0〔2〕溶劑的粘彈性不變〔3〕沉機(jī)的厚度根本均勻那么有Sauerbrey公式成立廣泛的外表選擇任何外表都可以被涂上一個同質(zhì)層〔少于5μm〕例如：金屬、陶瓷、聚合體、化學(xué)改良外表等

QCM提供構(gòu)造信息themegalleryCompanyLogo蛋白質(zhì)檢測微生物檢測核酸檢測基因突變酶學(xué)檢測凝血因子檢測細(xì)胞檢測ApplicationinBiomedicine蛋白質(zhì)檢測biosensor——免疫反響動力學(xué)動態(tài)監(jiān)測、動力研討antigen-antibody免疫反響1972,Shons——檢測BSA抗體開展：免疫球蛋白、白蛋白、纖維蛋白〔原〕及降解產(chǎn)物、補(bǔ)體、酶蛋白、甲狀腺素、人絨毛膜促性腺激素及皮質(zhì)醇等。Ag-Ab免疫結(jié)合蛋白質(zhì)檢測蛋白質(zhì)檢測BSABSA與金屬Q(mào)CM-D技術(shù)的中心是石英晶體傳感器。在電極兩端參與一個交流電壓，在石英晶體傳感器的共振頻率處引發(fā)一個小的剪切振動，當(dāng)交流電壓封鎖后，振動呈指數(shù)衰減，這個衰減被記錄下來，得到共振頻率(f)和耗散因子(D)兩個參數(shù)。每秒鐘獲得多個頻率和耗散因子數(shù)據(jù)，可用于反響動力學(xué)的計算。免疫動力學(xué)研討QCM-D蛋白質(zhì)檢測CLINICALMuratsugu，etal.尿微量白蛋白0.1~10正常人8.84~9.15具有臨床價值與放射免疫法，酶聯(lián)免疫法比較選擇性好線性范圍寬無生物分子標(biāo)志

蛋白質(zhì)檢測Thefirstone:1992Plomer腸球菌開展：白色念珠菌、大腸桿菌、沙門氏菌、霍亂弧菌原理：細(xì)菌抗原——目的細(xì)菌抗體微生物檢測Fung靈敏的QCM檢測副傷寒沙門氏菌〔1〕電極化學(xué)吸附單分子層〔2〕中介層，添加吸附面積〔3〕抗體凝聚在電極外表100~100000cells/L細(xì)菌間接測定石英晶體微天平對粘度和密度的呼應(yīng)利用涂有固體培育基薄膜的QCM，經(jīng)過對參與菌液后明膠培育基薄膜溶解后凝固過程的測定而間接測定微生物微生物檢測質(zhì)量呼應(yīng)的壓電免疫法抗體通常難以獲得頻移與微生物濃度間的關(guān)系比較復(fù)雜非質(zhì)量呼應(yīng)的方法頻率呼應(yīng)曲線在頻度測定時間(FDT)附近變化緩慢FDT難以準(zhǔn)確測定,分析的準(zhǔn)確度依賴于分析者的閱歷病毒最廣泛：病毒抗原固定在電極外表——抗體經(jīng)葡萄球菌蛋白A將病毒的單克隆抗體固定在QCM電極上，直接檢測病毒顆粒〔5*10^4~1*10^9/石英晶體外表〕比較——酶標(biāo)免疫反響檢測法：〔1〕無標(biāo)志〔2〕假陽性反響降低運用：柯薩奇病毒、肝炎病毒、皰疹病毒、登革熱病毒及HIV等感染性疾病微生物檢測DNA/RNA1988,Fawcett:RNA/DNA分子雜交反響〔DNA壓電傳感器〕ssDNA探針——電極外表目的ssDNA分子溶液操作簡便、快速esp.在人工培育難度大、鑒定過程復(fù)雜的病原微生物核酸檢測核酸檢測基因突變MutS——與dsDNA分子中錯配堿基對結(jié)合的蛋白MutS——電極外表目的dsDNA分子存在錯配，親和結(jié)合反響復(fù)合物堆積單堿基突變和1~4個堿基對的插入突變核酸檢測常規(guī)：血漿凝固