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user: 5. 无极石英晶体的应用 过去几十年，无极QCM传感器在化学、生命科学、医学等相关领域都有了广泛的应用。最近几十年发表的基于无极QCM传感器的有关文章数如图10。 5.1. 质量型化学传感 分析仪器作为定量分析法的工具，对于质量信息的提取尤为重要。而压电石英晶体传感器作为一种质量敏感型的分析仪器，其常以仪器价格低廉、携带便捷、操作简单、性能稳定、检测结果可靠、测量精度高、数据重现性好等独特的优势被广泛应用于物质质量的检测。早在上世纪50年代起，研究学者们就开始利用压电石英晶体传感器用于检测各种化学物质(如气体、溶液、离子等)的特性变化。 图10. 最近几十年发表的基于无极QCM传感器的有关文章数 Zhou等 [ 35 ] 提出了一种无线无极石英谐振器的氢气检测方法，石英晶体单侧沉积钯薄膜，吸收氢气使薄膜几何形状变化，从而改变谐振频率，测出的检出限为1 ppm以下。司等 [ 36 ] 开发了一种葡萄糖感应系统用于测定尿液中的总还原糖，测得频移和葡萄糖的浓度保持良好的相关性，并且仪器表现出较好的重现性和可重复使用性(重复使用400次以上)。Egughi等 [ 37 ] 将磷钼酸铵沉积在单侧电极分离的石英传感器的石英晶片上，用于测定环境水中的磷酸根离子。测得在0~10 μmol∙dm −3 的浓度范围内吸附量达到99%，以5 μmol∙dm −3 磷酸根离子为例，测得8次相对标准偏差为3.3%。Fung等 [ 38 ] 通过携带新型流动注射分析(FIA)系统的电极分离的压电石英晶体(ESPQC)进行了水中的硫酸盐的测定。在最佳条件下，硫酸盐测定的线性范围为0.5~50 ppm，相关系数为0.9991，检出限为0.3 ppm。 在液相中，通常情况下溶液的粘弹性效应、表面粗糙度、物质的压力与电极表面的相互作用等均影响传感器的响应，为了提高探头的选择性， 需在晶片表面修饰具有特异性识别功能的膜材料，如硅烷、硫醇等。Jesus等 [ 39 ] 用N-2-氨乙基-3-氨丙基三甲氧基硅烷对ESPQC进行表面改性，当样品进样量为100 mL时，铜(II)的检出限为6 mmol∙L −1 ，显著提高了对铜(II)离子的检测灵敏度。Bao等 [ 40 ] 用N-(2-吡啶基甲基)壳聚糖改性的单侧电极分离的石英振荡器(ESPQC)在含EDTA的氯化铵缓冲溶液中对银(I)进行选择性吸附。表明，频移与10~80 nM范围内的浓度成正比，相关系数为0.9969，在50 nM下的检出限6 nM，5次测量相对标准偏差为3.4%。 5.2. 质量型生物传感 随着国家医疗卫生制度的健全完善，环境检测、医学检验、生化测定等领域的检测手段也得到了大幅度改进，近年来对于生物传感方法的需求激增，并引起了许多研究人员的极大兴趣。 无极QCM以其快速测定的特点使得其作为食品和药品的测量设备具有较大的应用前景。Liu等 [ 41 ] 利用串联式压电石英晶体传感器对10 −5 M的L-谷氨酸(L-Glu)进行了检测，在国内最先报道了可利用压电石英晶体传感器测定氨基酸，证明了SPQC可用于微量成分的分析。 最近几年，无极QCM已逐渐发展成一种蛋白质检测技术的有用设备。蛋白质是构成人体细胞和组织的重要成分，蛋白质的检测是生物化学和分子生物学研究中最常用、最基本的分析方法之一，临床疾病的早期检测也是通过检测特定的蛋白质。Kato等 [ 42 ] 通过微加工技术制造了一种高频无极石英晶体微天平(QCM)芯片，通过在芯片上非特异性固定葡萄球菌蛋白A (SPA)成功地实时检测到了6 µg/ml的人免疫球蛋白G (hIgG)，实现了高灵敏定量分析。实验中石英芯片被封装在硅微通道中，无涂层电极且不固定，从而减少接触损耗，因此可以获得较高的质量因子(Q因子)和信噪比(SNR)，晶片通过线状天线无接触地激励和检测石英谐振器的剪切振动，可以减少粘度对频移的影响，信号稳定性好、测量重现性高。 尽管无极QCM生物传感器对生物蛋白质的检测具有一定的优势，由于蛋白质阈值浓度通常低于QCM生物传感器的检测极限，因此很难提取出这一微小频率变化。为了克服这一困难，通常需要一种灵敏度放大检测方法。在以前的研究中，金纳米颗粒常用于QCM分析中的质量扩增 [ 43 ] [ 44 ]，但是，金对蛋白质的高亲和力导致受体蛋白质发生非特异性吸附，且金纳米颗粒表面修饰耗时较长。Ogi等 [ 45 ] 提出了一种基于高频(180 MHz)无极石英晶体微天平检测C反应蛋白(CRP)的质量扩增夹心测定方法。将一种抗CRP抗体非特异性地固定在裸露的石英表面上作为捕获抗体，注入CRP发生抗原抗体结合反应，最后加入链霉亲和素生物素化的第二种抗CRP抗体作为检测抗体用于质量放大。检测到的CRP溶液为100 pg/ml，测量精度首次达到了皮克级。在此基础上，Noi等 [ 46 ] 提出一种利用生物纳米胶囊(BNCs)对生物标记物进行质量放大检测的方法。将与金黄色葡萄球菌蛋白A结合的人免疫球蛋白IgG通过IgG的fc片段结合到BNC的Z结构域，显著增大了BNC的相对分子质量，使用高频无线无极多通道QCM系统对C反应蛋白进行质量放大检测，测得的检测限低于10 pg/mL，显示出了更高的灵敏度。 5.3. 非质量传感 二十世纪80年代QCM被发现可以应用于液相传感之后，随之被证明石英晶片对所处体系的表面状况、密度、粘度、电导率、介电常数等众多非质量因素中的一个或多个因素的变化敏感，从而给出频率信号的响应，因此衍生了一种非质量响应。近年来无极QCM传感器也被应用于众多非质量因素的测定。 无极QCM传感器可用于识别气体与传感膜的反应。Su等 [ 47 ] 基于多共振模式下的无线无极石英晶体耗散微天平(WE-QCM-D)开发了一种人工嗅觉系统。在裸石英晶片上涂覆聚乙烯吡咯烷酮薄膜，用于检测挥发性有机化合物(VOC)，采用声学光谱仪来分析VOC气体与传感膜之间的反应，获得了四次谐波(6 MHz、18 MHz、30 MHz和42 MHz)下的石英晶体声谱，并用K临近(KNN)算法获得了97.5%的最佳识别率。 无极QCM传感器可以对物质的物理、化学性质给出相应的响应。Shen等 [ 48 ] 通过ESPS的阻抗参数的变化来实时监控明胶在石英表面的吸附和解吸，使用渐进计算方法估算吸附过程中的速率常数，并与Langmuir吸附模型进行了对比，提出了一种动力学模型用以解释蛋白质吸附的不可逆现象。Shagawa等 [ 49 ] 使用裸埋石英共振声微天平(RAMNE-Q)生物传感器仅从频率响应评估了蛋白质沉积反应过程中蛋白层的粘弹性特性变化，而无需耗散测量。反应过程中，对高达406 MHz的基频模式和泛频模式同步测量，评估了粘度，剪切模量和吸附的蛋白层厚度的变化。与传统石英晶体耗散微天平相比，解决了耗散测量精度低，且易受较多因素影响的问题。 目前，随着研究的深入，QCM还被发现可以与其他技术联用以发挥更大的优势。例如，Ko等 [ 50 ] 使用无极石英晶体微量天平和紫外可见光谱仪组成的集成系统研究了亚甲基蓝在ZnO纳米棒上的光分解过程，表明该集成系统对于光学和重量变化的材料具有较大的研究潜力。Zhang等 [ 51 ] 将无极石英晶体微量天平(EL-QCM)和光谱技术结合研究了碘蒸气在两种金属有机骨架膜MIL-101和ZIF-67上的吸附动力学，通过频率和吸光度变化实时监测碘蒸气浓度。Larsson等 [ 52 ] 开发了一种无电极石英晶体耗散微天平(EL-QCM-D)和表面等离子体共振(LSPR)相结合的组合装置。在气相中研究了22℃下钯纳米结构中氢气的吸收和脱附动力学；在液相中探究了二氧化硅表面沉积囊泡来监测链霉亲和素生物素化的脂质双层的形成。表明该组合装置在气相和液相环境中均具有较好的传感功能。