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石英晶体微天平的新进展

何建安  付龙  黄沫  卢煜东  吕贝尔  朱志强  方佳节  马宏伟  
【摘要】:石英晶体微天平(quartz crystal microbalance,QCM)是一种对界面变化敏感的仪器,它已经在物理、化学、生物学、药物学、临床医学、环境科学等学科的界面问题研究中得到了一定的应用.然而,QCM在液相下的应用和推广一直受限于QCM数据定量解释的困难.为此,科研工作者发展了多种高级的QCM,比如带阻抗分析功能的QCM(impedance QCM,i-QCM)或带能量耗散监测功能的QCM(QCM with dissipation,QCM-D),同时还发展了许多相应的理论模型.但是,对于多数生物、化学工作者来说,这些理论过于复杂.这极大地限制了QCM的推广和潜力发挥.本文以我们小组在QCM方面的研究工作为线索,对已报道的分析方法、模型和方程按5类应用条件进行了整理,给出了明确的界定标准:它们是:1,固-气界面;2,牛顿流体;3,固-液界面的薄膜;4,固-液界面厚膜;5,固-液界面超厚膜.对于每一类情况,我们将用通俗易懂的语言描述如何对QCM数据进行简化却又保证研究精度需要的定量分析.对于液态环境下的QCM数据的分析,我们着重介绍了"固化水层"模型,该模型允许QCM在一定的条件下成为一把"分子尺",工作范围从几个纳米到数百纳米.该分子尺在多个创新界面问题研究中得到很好的应用.最后,我们从理论上分析了QCM作为生物传感器的先天缺陷--因基于面均质量检测的原理,QCM技术对溶液中蛋白的检测下限仅在1μg mL-1数量级.进一步,我们探索了QCM的发展方向和潜在应用领域,希望籍此能进一步推广QCM在各个学科界面问题中的研究应用.

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