根据Sauerbrey公式,如果在一个或两个电极上均匀地制备一个硬层,谐振频率的衰减与被吸附层的质量成正比。因此,Sauerbrey公式仅适用于均匀、同质、刚性薄膜的表面沉积。由于这个原因,很多年来,QCM仅仅被视为气相物质的检测器。直到二十世纪八十年代,科学家们才认识到如果石英完全浸入液体中,也能受激发产生稳定的振荡[3]。Kanazawa及其合作者对QCM在液相中测量方面做了许多开拓性的工作,他们指出QCM从空气进入到液体时,它的谐振频率的变化是与液体的密度与粘度乘积的平方根成正比例的。当人们发现过量的粘性载荷并不妨碍在液体中使用QCM,而且它对固态或液态中质量的变化仍然非常灵敏,QCM就被用于直接与液体或粘弹性的薄膜进行接触来评估物质量或粘弹性特征的变化,在空气或真空中,各层的振幅衰减可看为忽略不计或极其微小,因此它可用于探查石英上的耗散过程,尤其适用于沉积在石英表面的软性凝聚态物质,如厚的聚合物层。此后,它又被广泛的应用于物理,化学,生物,医学,环境检测和表面科学等领域中,用以进行气体,液体的成分分析以及微质量的测量,薄膜的厚度检测等[6]。65572
QCM的应用十分广泛:
在热,电子束,溅射,磁控,离子和激光沉积中,用做厚度监测;电极表面的界面过程的电化学;生物技术;互补链的DNA和RNA的相互作用;免疫反应,静止受体的蛋白质[31]键的辩识;测定病毒微囊、细菌、哺乳动物细胞;细胞、磷脂和蛋白质的粘接;表面的生物相容性;生物薄膜的生成和阻长;功能表面;创造选择性表面;磷脂膜;聚合物涂层;反应性涂层 ;气体传感器;免疫传感器;薄膜的制备;自组装单分子层;聚电解质的吸附[24];旋状涂层;吸附的单分子层;表面活性剂研究,表面活性剂与表面的相互作用,表面活性剂的效果;药物研究;聚合物包衣的溶解[20];药物分子的相互作用;医药物质的细胞响应;药物传递;电镀和腐蚀;在线监测润滑剂和石油的性能[26]。论文网
下面分别对QCM的应用进行简单的介绍。
(1)灰尘传感器
用QCM测量灰尘的质量,灰尘可以看做为一个质量极小的刚性负载,直接运用Sauerbrey方程,通过测量谐振频率的变化即可以直接得到电极表面附着的质量 ( 极小)[22]。
(2)流体传感器
流体传感器可以通过测量QCM谐振频率的连续变化,可以得出液体粘度和密度的变化;通过QCM谐振频率的变化,还可得出液体的粘度和密度。这是由于QCM谐振频率的变化与液体粘度与密度的乘积的开平方成正比[29]。
(3)免疫传感器
免疫传感器可以分为为标记(直接测定)型和标记(间接测定)型两种类型。标记型免疫传感器在检测之前对被分析物进行标记,通过检测标记物的量变监控免疫分析反应[27]。该种传感器的非特异性较小,但是其检测过程比较复杂。而无标记免疫传感器通过直接测定抗原抗体复合物形成时的物理,化学变化,极大的简化制备和操作过程。而石英晶体微天平有测量小质量的特点,因而在这方面有极大的发展前景[3]。
(4)化学传感器
能将各种化学物质特性的变化定性或定量地转化为电信号的传感器称为化学传感器。包括测量气体浓度,离子浓度,空气湿度等,石英晶体微天平在此有比较广泛的应用。
(5)研究蛋白质吸附
任何有质量的东西在QCM传感器上都会产生反应。这也正是它能被应用在众多领域的最重要原因。 近年来,QCM在生物技术领域的应用有了非常显著的增加。 它常常被用来获取有关蛋白质吸附、解吸、细胞粘附、蛋白质间的相互作用、聚合物降解、生物除臭、生物膜制备、药物分析和相应的DNA生物传感器等方面的信息[33]。