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利用石英晶体对膜层厚度检测的研究摘要本文详细阐述了利用石英晶体谐振器检测蒸镀薄膜膜层厚度和速率的基本原理及优势。
结合石英晶体压电特性，推导出原料与不同材料结合时的谐振频率变化和蒸镀层材料之间质量与频率关系，从而推算出精确膜厚。
为各领域探测蒸镀材料厚度提供精确的测量支持。
关键词石英晶体谐振器；蒸镀膜层；质量负荷效应前言石英晶体具有压电效应，石英晶体的固有谐振频率与其厚度在一定变化范围内存在线性关系，可将这种特质应用到蒸镀膜层探测中对蒸镀膜厚度和速率进行探测，确定蒸镀膜层复合系统中谐振频率变化和蒸镀材料质量之间的关系。
因此探究石英晶体谐振器探测蒸镀膜层的特性具有重要意义。
1 石英晶体的特有性能石英晶体主要特性有两个：压电效应、质量负荷效应。
压电效应：石英晶体是离子型结构，其结晶点阵是有规则分布的。
当有外力作用到石英晶体使其产生机械形变时，石英自身会产生极化现象，成为压电效应。
例如当外加1*105帕压强时，石英表面会出现正负电荷，产生约0.5V的电压。
质量负荷效应：同时石英晶体也具有逆压电效应，对其外加电场时，会使产生机械形变，我们称这种现象为电致伸缩。
当外加为交变电场时，石英晶体会产生伸长或缩短的形变，其频率与外加电场频率有关。
同时，石英晶体的谐振频率与几何尺寸、切割类型，晶片厚度均有关系。
当其他参数一定时，可以通过更改石英晶片的厚度，相应的调整频率。
所以，通常我们在石英晶片上蒸镀镀一层金属薄膜，增加晶片厚度，此时，晶片的谐振频率会发生改变，逐渐变小。
这个改变被称为质量负荷效应。
2 石英晶体谐振器探测蒸镀膜层特性的原理分析石英晶体的谐振频率与蒸镀的膜层厚度有关。
随着膜厚增加，频率逐渐减小。
因此利用石英晶体制作而成的谐振器可以对蒸镀膜的厚度以及蒸镀速率进行精准的监测。
石英晶体谐振频率与厚度的关系，在一定范围内可以等效为线性关系，具体如下：对于在石英晶片上蒸镀一种材料的情况来说，可以把石英晶片与蒸镀材料当作一个复合声学谐振系统。
耗散型石英晶体微天平在生物医用高分子材料中的应用孙㊀彬ａꎬｂ㊀吕建华ｂ㊀金㊀晶ｂ∗㊀赵桂艳ａ∗(ａ辽宁石油化工大学化学化工与环境学部㊀辽宁抚顺１１３００１ꎻｂ中国科学院长春应用化学研究所ꎬ高分子物理与化学国家重点实验室㊀长春１３００２２)摘㊀要㊀石英晶体微天平(ＱＣＭ)是一种基于石英晶体压电效应的分析检测技术ꎬ可实时在线提供石英晶体表面吸附层质量㊁厚度㊁粘弹性等信息ꎬ由此获得表面分子相互作用关系ꎮ耗散型石英晶体微天平(ＱＣＭ￣Ｄ)因其独特的对粘弹性的解析ꎬ使其在高分子材料中的应用迅速发展ꎬ尤其是生物医用高分子材料领域ꎬ已用来评价生物医用高分子材料的表界面相互作用ꎬ力学和生物相容性等ꎮ本文简单介绍了耗散型石英晶体微天平的基本原理及理论模型ꎬ重点综述了近几年ＱＣＭ￣Ｄ在高分子链构象㊁蛋白质吸附㊁生物大分子相互作用㊁药物释放以及水凝胶中的应用ꎬ并且展望了ＱＣＭ￣Ｄ的未来发展趋势ꎮ关键词㊀耗散型石英晶体微天平ꎻ生物医用高分子材料ꎻ粘弹性中图分类号:Ｏ６３１㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀㊀㊀文章编号:１０００￣０５１８(２０２０)１０￣１１２７￣１０ＤＯＩ:１０.１１９４４/ｊ.ｉｓｓｎ.１０００￣０５１８.２０２０.１０.２０００７８２０２０￣０３￣１９收稿ꎬ２０２０￣０４￣２６修回ꎬ２０２０￣０５￣２２接受国家自然科学基金(５１６７３１９６ꎬ２１６７４１１５)㊁辽宁石油化工大学国家级科研项目培育基金(２０１６ＰＹ￣０１４)㊁辽宁石油化工大学引进人才科研启动基金(２０１６ＸＪＪ￣００１)和辽宁省教育厅科研基金(Ｌ２０１９０１３)资助通讯联系人:赵桂艳ꎬ副教授ꎻＴｅｌ:０２４￣５６８６１８６５ꎻＦａｘ:０２４￣５６８６１７０９ꎻＥ￣ｍａｉｌ:ｇｙｚｈａｏ＠ｌｎｐｕ.ｅｄｕ.ｃｎꎻ研究方向:聚合物共混改性ꎬ高分子材料高性能化共同通讯联系人:金晶ꎬ副研究员ꎻＴｅｌ:０４３１￣８５２６２６４２ꎻＦａｘ:０４３１￣８５４５２１２６ꎻＥ￣ｍａｉｌ:ｊｊｉｎ＠ｃｉａｃ.ａｃ.ｃｎꎻ研究方向:生物医用高分子材料石英晶体微天平(ＱＣＭ)发展于上世纪６０年代ꎬ是一类经久不衰的表征手段[１￣２]ꎮＱＣＭ具有超高的质量分辨率ꎬ可以检测表面微小质量的变化ꎬ其精度可以达到纳克级ꎬ广泛应用于能源㊁环境㊁食品㊁涂料㊁生物技术和医疗器械等领域ꎮ当前ꎬ科研人员研制出了具有特殊功能的石英晶体微天平ꎬ以满足不同使用环境的需求ꎮ常见的有基于阻抗分析的石英晶体微天平[３]㊁石英晶体震荡仪[３]㊁电化学石英晶体微天平[４]以及耗散型石英晶体微天平[５]ꎮ其中ꎬ耗散型石英晶体微天平(ＱＣＭ￣Ｄ)具有独特的界面粘弹性分析能力ꎬ在生物化学ꎬ表界面科学和医用生物材料等领域具有重要地位[６￣７]ꎮ生物医用高分子材料是生物医用材料的重要组成部分ꎬ具有环境适应能力强㊁可再生㊁环境友好等优势ꎬ在生物医用材料领域中具有不可替代的地位ꎮ常见的生物医用高分子材料有医用植入和介入材料㊁水凝胶材料㊁药物载体材料和组织工程材料[８￣９]ꎮ生物医用高分子材料的表界面相互作用ꎬ生物相容性和力学性能对材料的应用具有重要影响ꎮ因此ꎬ构建高分子材料表界面结构与性能的关系显得至关重要ꎮＱＣＭ￣Ｄ是一种实时利用频率和耗散进行在线分析表界面结构与性能关系的技术ꎬ用于测定表面吸附层的质量ꎬ并同步提供粘弹性等结构信息ꎮ将ＱＣＭ￣Ｄ应用于生物医用高分子材料领域中ꎬ研究生物医用高分子材料表面结构与性能的关系对生物医用高分子材料的发展具有重要意义ꎮ早期ꎬＱＣＭ￣Ｄ被用来研究聚合物层在表界面的形成过程及聚合物分子间的相互作用㊁分子结合以及高分子材料表面蛋白质的吸附与构象的变化ꎮ随着生物医用材料的迅速发展ꎬＱＣＭ￣Ｄ逐渐被用在水凝胶ꎬ药物释放等生物医用高分子体系中ꎮ然而ꎬＱＣＭ￣Ｄ的应用也具有一定的局限性ꎬ很少作为单一评价手段使用ꎮ因此ꎬＱＣＭ￣Ｄ通常与其他手段联用ꎬ常见的联用手段主要有光谱椭偏仪[１０]㊁原子力显微镜[１１]㊁双偏振极化干涉仪[１２]和拉曼光谱[１３]等ꎬ多种技术的联合使用可以同时在线得到足够多的信息ꎬ促进ＱＣＭ￣Ｄ在生物医用高分子材料领域中的应用ꎮ同时ꎬＱＣＭ￣Ｄ具有超高的分辨率ꎬ可以同时提供晶体表面吸附层质量及结构变化信息ꎬ在众多领域中具有潜在的应用价值ꎮ本文中简介了ＱＣＭ￣Ｄ的基本原理及理论模型ꎬ综述了第３７卷第１０期应用化学Ｖｏｌ.３７Ｉｓｓ.１０２０２０年１０月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＡＰＰＬＩＥＤＣＨＥＭＩＳＴＲＹ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Ｏｃｔ.２０２０８２１１应用化学㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３７卷㊀ＱＣＭ￣Ｄ在生物医用高分子材料领域中的若干应用ꎬ并且展望了ＱＣＭ￣Ｄ的未来发展趋势ꎮ１ ＱＣＭ￣Ｄ原理及理论模型ＱＣＭ￣Ｄ具有其它表界面表征手段无法超越的优势ꎬ实时在线检测㊁结构简单㊁操作方便㊁高效和高分辨率等优势加速了其在各个领域的发展ꎮＱＣＭ的发展得益于居里兄弟于１８８０年发现的石英晶体压电效应[１４]ꎮ当石英晶体受到固定方向的外力而产生形变时ꎬ石英晶体内部会产生电场ꎮ当外力撤去时ꎬ电场随之消失ꎮ反之ꎬ在晶体一定方向上施加电场ꎬ在该方向上就会产生机械形变ꎮ在此基础上居里兄弟认为在石英晶体表面施加一交变电压ꎬ会引起石英晶体产生机械振荡ꎬ当震荡频率与晶体的固有频率一致时ꎬ便会产生共振ꎮＱＣＭ就是基于石英晶体的压电效应将晶体表面微小的质量变化ꎬ转化为频率变化ꎮ１９５９年ꎬ德国科学家Ｓａｕｅｒｂｒｅｙ[１５]提出了著名的Ｓａｕｅｒｂｒｅｙ方程ꎬ该方程奠定了ＱＣＭ的基础理论依据ꎬ促进了ＱＣＭ在微小质量变化检测领域的应用ꎮＳａｕｅｒｂｒｅｙ方程给出了石英晶体表面质量变化与石英晶体频率变化之间的关系式ꎮΔｆ＝－２ｆ２ｏΔｍ(１)Ａμｑρｑ式中ꎬｆ０为石英晶体的基频(Ｈｚ)ꎬＡ为石英晶体的有效面积(ｃｍ２)ꎬρｑ为石英晶体的密度(ｋｇ/ｍ３)ꎬμｑ为石英晶体剪切模量(Ｐａ)ꎬΔｍ为石英晶体表面质量变化(ｎｇ)ꎬΔｆ为频率的变化(Ｈｚ)ꎮＳａｕｅｒｂｒｅｙ方程说明了晶体表面质量的变化与频率变化成线性关系ꎬ当晶体表面质量增加的同时频率随之线性降低ꎮＳａｕｅｒｂｒｅｙ方程具有明确的使用限制ꎬ吸附在石英晶体表面的吸附层必须为刚性的均匀薄层ꎮ这严重限制了ＱＣＭ的使用ꎬ使ＱＣＭ最初只能用于真空或气相环境ꎬ无法用于液相环境中ꎮ石英晶体在与液体接触时ꎬ液体的粘度和密度严重影响晶体的共振频率ꎮ１９８５年ꎬＫａｎａｚａｗａ和Ｇｏｒｄｏｎ教授[１６]提出了Ｋａｎａｚａｗａ方程ꎬ规范了液体的粘度㊁密度与石英晶体振动频率之间的关系ꎮＫａｎａｚａｗａ方程的提出使得ＱＣＭ应用于液相环境成为现实ꎮΔｆ＝－ｎ１/２ｆ３/２０(η１ρ１/πμｑρｑ)(２)式中ꎬμｑ代表石英晶体的剪切模量(Ｐａ)ꎬρｑ代表石英晶体的密度(ｋｇ/ｍ３)ꎬμｌ代表液相粘度(ｋｇ/ｍｓ)ꎬρｌ代表液相密度(ｋｇ/ｍ３)ꎬｆ０为石英晶体的基频(Ｈｚ)ꎬΔｆ为频率的变化(Ｈｚ)ꎬｎ为倍频(１ꎬ３ꎬ５ꎬ７ꎬ９ꎬ１１ꎬ１３)ꎮＫａｎａｚａｗａ方程是ＱＣＭ在液相环境中应用的基础ꎬ但是液相环境为牛顿流体依然限制了ＱＣＭ的应用ꎮ１９９６年ꎬＲｏｄａｈｌ[１７]提出了耗散因子Ｄ的概念ꎬ耗散因子主要是针对具有粘弹性的吸附层提出的ꎮ耗散是指当晶体表面的电压切断时ꎬ晶体频率降低到０时相对时间的快慢ꎮ耗散因子Ｄ的定义为:Ｄ＝Ｅｄｉｓｓｉｐａｔｅｄ２ｐＥｓｔｏｒｅｄ(３)式中ꎬＥｄｉｓｓｉｐａｔｅｄ为一个震荡周期内损耗的能量值(Ｊ)ꎬＥｓｔｏｒｅｄ为一个震荡周期内储存的能量值(Ｊ)ꎮ在应用的过程中ꎬ根据实际情况采用Ｓａｕｅｒｂｒｅｙ或者Ｖｏｉｇｔ模型通过迭代的计算方式拟合出吸附层质量以及粘弹性等相关信息ꎮ在ＱＣＭ￣Ｄ发展过程中ꎬ研究人员通过大量的实验数据ꎬ总结出根据ΔＤ/ΔＦ的比值判断采用Ｓａｕｅｒｂｒｅｙ或者Ｖｏｉｇｔ模型进行拟合ꎮ当ΔＤ/ΔＦ<１ˑ１０－６时表示吸附层为刚性ꎬ采用Ｓａｕｅｒｂｒｅｙ模型进行拟合ꎻ当ΔＤ/ΔＦ>１ˑ１０－６时表示吸附层为粘弹性ꎬ采用Ｖｏｉｇｔ模型进行拟合[１８]ꎮＱＣＭ的理论模型可以简化ＱＣＭ数据分析过程并且构建直观所测信息如频率和耗散与材料结构的关系ꎬ对推动ＱＣＭ发展至关重要ꎮ国内外学者对ＱＣＭ的理论模型做了大量研究ꎮ浙江大学杜滨阳教授与Ｊｏｈａｎｎｓｍａｎｎ教授在解析吸附层粘弹性质方面做出突出贡献ꎬ推导出一系列方程揭示了频率㊁半峰宽变化与吸附层粘弹性之间的关系[１０￣１９]ꎮ马宏伟[２０]教授提出的固化水层模型ꎬＳｈｕｌｌ等[２１￣２２]提出的流变模型都有力推动了ＱＣＭ的发展ꎮ然而ꎬＱＣＭ￣Ｄ并不是唯一可以获得吸附层粘弹性变化信息的工具ꎬ阻抗分析型石英晶体微天平ꎬ石英晶体震荡仪ꎬ双振荡电路石英晶体微天平ꎬ也可以获得吸附层粘弹性变化信息[２３￣２４]ꎮ其中ꎬ阻抗型石英晶体微天平通过测试获得阻抗图谱ꎬ图谱中包含频率与半峰宽的变化ꎬ由频率与半峰宽的变化可获得吸附层粘弹性信息[１０]ꎮ比较阻抗型和耗散型石英晶体微天平可以发现ꎬ阻抗型是通过扫频的方法获得频率与半峰宽的信息ꎻ而耗散型石英晶体微天平是通过周期性脉冲激发的方式直接获得频率与耗散的信息ꎮ二者可以分别通过公式计算或者拟合得到吸附层的粘弹性信息ꎮ但是ꎬ阻抗型石英晶体微天平只需要一个数据点就可以通过计算获得粘弹性信息ꎻ而耗散型石英晶体微天平至少需要３个数据点ꎬ通过Ｖｏｉｇｔ模型拟合才能获得粘弹性信息ꎮ２㊀ＱＣＭ￣Ｄ在生物医用高分子材料领域的应用ＱＣＭ￣Ｄ作为一种对界面变化敏感的检测技术ꎬ通过监控时间分辨率下的频率和耗散的变化ꎬ获得石英晶体表面吸附层质量和结构的变化信息ꎮ结构决定性能ꎬＱＣＭ￣Ｄ提供的吸附层质量和结构变化信息可以为制备理想的生物医用高分子材料提供理论基础ꎮ２.１㊀高分子链构象国内采用ＱＣＭ￣Ｄ研究高分子链构象方面ꎬ华南理工大学张广照教授及中国科学技术大学刘光明教授做出突出贡献ꎬ他们的工作主要围绕ＱＣＭ￣Ｄ对表面接枝聚合物层特性及其动态行为表征两方面开展ꎮ张广照教授等[２５￣２６]率先利用ＱＣＭ￣Ｄ研究了温度㊁溶剂㊁链长等对表面接枝聚合物链构象的影响ꎮ该团队围绕具有温敏性的聚(Ｎ￣异丙基丙烯酰胺)(ＰＮＩＰＡＭ)展开研究ꎬ利用ＱＣＭ￣Ｄ观察表面接枝聚(Ｎ￣异丙基丙烯酰胺)在不同环境条件下的频率与耗散的变化ꎬ进而获得聚(Ｎ￣异丙基丙烯酰胺)分子链水合构象变化与温度㊁溶剂㊁链长之间的关系ꎮ刘光明教授[２７]等利用ＱＣＭ￣Ｄ实时检测了聚(Ｎ￣异丙基丙烯酰胺)(ＰＮＩＰＡＭ)刷在２０~３８ħ温度范围内水溶液中的塌陷与溶胀行为ꎬ图１是一个冷热循环内ＰＮＩＰＡＭ刷频率与耗散变化图ꎮ在温度升高的过程中ꎬ由于水分子与ＰＮＩＰＡＭ之间结合能力变弱ꎬ发生去水合现象ꎬ同时ＰＮＩＰＡＭ刷塌陷ꎬＰＮＩＰＡＭ层结构变得紧密ꎬ导致频率变化上升ꎬ耗散变化降低ꎮ在冷却过程中ꎬ水溶液逐渐变为ＰＮＩＰＡＭ的良溶剂ꎬ水分子与ＰＮＩＰＡＭ相互结合ꎬＰＮＩＰＡＭ由塌陷逐渐溶胀形成刷状构象ꎬ导致频率变化下降ꎬＰＮＩＰＡＭ层溶胀后结构变得松散ꎬ导致耗散变化上升ꎮ同时ꎬ该项研究利用频率与耗散的线性变化证实了ＰＮＩＰＡＭ刷在冷热循环内的塌陷与溶胀是连续的相转变ꎮ基于ＰＮＩＰＡＭ构象转变行为的研究ꎬ刘光明教授[２８]利用ＱＣＭ￣Ｄ研究了聚(Ｎ￣异丙基丙烯酰胺￣ｃｏ￣丙烯酸钠)(ＰＮＩＰＡＭ￣ｃｏ￣ＰＮａＡ)嵌段共聚物刷在２０~３８ħ温度范围下水溶液中的塌陷与溶胀行为ꎮ研究显示ꎬＰＮＩＰＡＭ￣ｃｏ￣ＰＮａＡ嵌段共聚物刷与ＰＮＩＰＡＭ刷在２０~３８ħ温度范围内的构象转变行为相似ꎬ在冷热循环中嵌段共聚物的塌陷与溶胀行为是连续的相转变ꎮ图１㊀(Ａ)ＰＮＩＰＡＭ刷频率变化和(Ｂ)ＰＮＩＰＡＭ刷耗散变化与温度的关系[２７]Ｆｉｇ.１㊀Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅｏｆ(Ａ)ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｈｉｆｔａｎｄ(Ｂ)ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎｓｈｉｆｔｏｆＰＮＩＰＡＭｂｒｕｓｈｅｓ[２７]张广照教授[２９￣３０]利用ＱＣＭ￣Ｄ详细分析了界面高分子链构象的转变行为ꎬ证实了ＨＳ￣ＰＮＩＰＡＭ在表面接枝后主要经历 ｐａｎｃａｋｅ￣ｔｏ￣ｍｕｓｈｒｏｏｍ￣ｔｏ￣ｂｒｕｓｈ 的构象转变过程以及巯基修饰的聚(２￣二甲氨基乙基甲基丙烯酸酯)(ＨＳ￣ＰＤＥＭ)表面接枝后经历了 ｍｕｓｈｒｏｏｍ￣ｔｏ￣ｂｒｕｓｈ 的构象转变过程ꎮ张广照教授和刘光明教授将ＱＣＭ￣Ｄ用于表面接枝高分子链构象变化的研究ꎬ确定了频率和耗散变化与聚合物链构象转变之间的关系ꎬ为制备具有环境响应性的高分子材料提供了理论基础ꎬ推动了ＱＣＭ￣Ｄ在国内高分子领９２１１㊀第１０期孙彬等:耗散型石英晶体微天平在生物医用高分子材料中的应用０３１１应用化学㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３７卷㊀域的发展ꎮ２.２㊀蛋白质吸附ＱＣＭ￣Ｄ还是一种强有力的检测蛋白质吸附行为的技术手段ꎮ作为优质的生物医用高分子材料其首要特点就是要具有优异的抗污及血液相容性ꎬ而蛋白质吸附能力是评价材料抗污与血液相容性的重要标准[３１]ꎮＱＣＭ￣Ｄ频率的变化与蛋白质在表面吸附质量变化有关ꎬ而耗散的变化与蛋白质在表面吸附后构象变化有关ꎮ张广照教授团队[３２￣３３]利用ＱＣＭ￣Ｄ研究了蛋白质在不同性质表面的吸附行为ꎮ研究发现表面润湿性ꎬ溶液的ｐＨ值ꎬ表面接枝链的柔性对蛋白质吸附有重要影响ꎮＱＣＭ￣Ｄ对表面蛋白质吸附质量及构象变化的直观显示ꎬ促进了ＱＣＭ￣Ｄ在高分子抗污领域的发展ꎮ张广照教授团队[３４]自主研发了一种同时具有自生与自更新的两性聚合物ꎬ该团队利用ＱＣＭ￣Ｄ表征了自主合成的两性聚合物膜的特异性蛋白吸附能力ꎬ由图２可知ꎬ两性膜具有广谱抗污能力ꎬ可以抑制溶菌酶㊁牛血清蛋白的吸附ꎮ值得注意的是ꎬ该类两性聚合物对纤维蛋白原抑制可以达到１００％ꎮ研究表明该团队制备的两性聚合物涂层在海洋环境下具有优异的抗污染能力ꎮ图２㊀蛋白质在两性膜及疏水性膜表面吸附频率与耗散的变化[３４]Ｆｉｇ.２㊀Ｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｎｄｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎｓｈｉｆｔｓｏｆｐｒｏｔｅｉｎａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ[３４]聚乙二醇(ＰＥＧ)是一类常见的用于改善材料抗污及血液相容性的高分子材料ꎮ金晶等[３５￣３６]利用ＱＣＭ￣Ｄ实时在线检测了不同ＰＥＧ构象对蛋白质吸附的抑制能力ꎬ研究发现ꎬ环状构象的ＰＥＧ相比于线型构象的ＰＥＧ具有优异的抗蛋白吸附能力ꎮ并且解释了环状构象ＰＥＧ的蛋白质吸附机理ꎬ由图３可知ꎬ当ＰＥＧ的相对分子质量较低时ꎬＰＥＧ高的表面覆盖率决定了其抗蛋白质吸附能力ꎮ当ＰＥＧ相对分子质量较大时ꎬ抑制吸附的机理来源于ＰＥＧ高的表面覆盖率以及ＰＥＧ接枝层的粘弹性ꎮ该项研究通过ＱＣＭ￣Ｄ揭示了ＰＥＧ抑制蛋白质吸附的机理ꎬ为制备具有优异抗污性能的生物医用材料提供了借鉴ꎮＱＣＭ￣Ｄ频率与耗散的变化可以实时揭示蛋白质在材料表面的吸附行为ꎬ为制备具有优异的抗污ꎬ血液相容性材料提供理论依据ꎮ２.３㊀生物大分子吸附ＱＣＭ￣Ｄ可以检测纳克级别的质量变化ꎬ具有超高的质量分辨率ꎬ在分析超精细生物界面相互作用ꎬ揭示生命系统中重要行为ꎬ探究生命系统中生物大分子之间的相互作用领域具有一定优势ꎮ淀粉样肽是一类天然生物大分子ꎬ在细胞表面的聚集及浓缩会引起相关的生物学疾病ꎮ检测淀粉样肽与生物界面之间的相互作用具有重要意义ꎬ澳大利亚莫纳什大学Ｍａｒｔｉｎ团队[３７]利用ＱＣＭ￣Ｄ的频率与耗散变化实时在线检测了淀粉样肽在具有不同生物功能表面上的吸附行为(图４)ꎮ研究发现ꎬ淀粉样肽在界面的吸附主要受淀粉样肽带电性质以及界面性质的影响ꎮ羟基化表面ꎬ阳离子化表面ꎬ阴离子化表面ꎬ烷基图３㊀不同相对分子质量环状ＰＥＧ抗蛋白质吸附机理图[３５]Ｆｉｇ.３㊀ＴｈｅｐｒｏｔｅｉｎａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｏｆｌｏｏｐｅｄＰＥＧｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｏｌｅｃｕｌａｒｗｅｉｇｈｔｓ[３５]化表面ꎬ糖蛋白修饰的表面对于淀粉肽具有不同的吸附能力ꎬ其中羟基化表面具有广谱的抑制吸附能力而烷基修饰的表面可以强有力地吸附淀粉样肽ꎮ图４㊀淀粉样肽在烷基㊁氨基㊁羧基㊁羟基和润滑素修饰表面的吸附[３７]Ｆｉｇ.４㊀Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｔｈｅａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｏｆｐｅｐｔｉｄｅｓ(ｉｎｇｒｅｅｎ)ｏｎｕｎｍｏｄｉｆｉｅｄꎬｍｅｔｈｙｌꎬａｍｉｎｏꎬｃａｒｂｏｘｙｌꎬｈｙｄｒｏｘｙｌａｎｄｌｕｂｒｉｃｉｎ(ＬＵＢ)ｃｏａｔｅｄｓｕｒｆａｃｅｓ[３７]天然高分子纤维素具有独特的空间结构ꎬ常被用来制备吸附材料ꎮＱＣＭ￣Ｄ具有实时监测ꎬ高质量分辨率的特点完全适用于评价吸附材料的吸附性能ꎮＰｅｒｓｉｎ等[３８]利用ＱＣＭ￣Ｄ检测了基于纤维素和壳聚糖的吸附材料对蓝藻霉素的吸附能力ꎮＰｅｒｓｉｎ[３８]通过纤维素(ＣＮＦ)表面的羟基分别接枝环糊精(ＣＤ)和聚环糊精(ＰＣＤ)ꎬ分别形成ＣＮＦ￣ＣＤ和ＣＮＦ￣ＰＣＤꎮ以聚乙稀亚胺(ＰＥＩ)作为锚定聚合将ＣＮＦ㊁ＣＮＦ＋ＣＤ㊁ＣＮＦ￣ＣＤ㊁ＣＮＦ￣ＰＣＤ固定在ＱＣＭ￣Ｄ芯片上ꎬ利用频率和耗散的变化ꎬ实时在线检测了不同芯片表面在不同溶剂条件下对蓝藻霉素的吸附能力ꎬ研究发现ꎬ在盐溶液的条件下ꎬ有利于各个表面对蓝藻霉素的吸附ꎮ最重要的是该课题组制备的ＣＮＦ￣ＣＤ吸附材料对蓝藻霉素的吸附能力可以达到１９６ｍｇ/ｇꎮ大自然丰富多彩ꎬ无数的生物质资源可以被我们利用ꎮ比如说常见的木材ꎬ胡良兵等[３９￣４０]以木头为基础材料ꎬ研制出了具有超强力学性能的 超级木头 与 超级水凝胶 ꎮ木质素ꎬ一种天然的高分子材料ꎬ作为木材的组成之一ꎬ更是具有来源广泛㊁可再生㊁易修饰等优势ꎬ在造纸㊁生物医用等领域广泛应用ꎮ南京林业大学宋君龙[４１]将ＱＣＭ￣Ｄ融合进木质素领域ꎬ扩宽了ＱＣＭ￣Ｄ的应用范围ꎮ宋君龙教授通过结合频率与耗散变化研究了两性聚丙烯酰胺在纤维素表面的吸附行为ꎬ并评价两性聚丙烯酰胺对纤维网络干强度的影响ꎮ当两性聚丙烯酰胺的相对分子质量在３ ０ˑ１０５~５ˑ１０５之间时具有最佳的增强能力ꎮ并且通过探究两性聚丙烯酰胺在纤维素表面吸附动力学及吸附后构象的变化ꎬ总结出最佳的吸附条件ꎮ基于ＱＣＭ￣Ｄ的实时检测ꎬ高质量分辨率的特点ꎬ宋君龙教授[４２]还利用ＱＣＭ￣Ｄ研究了生物酶对木质纤维素的酶解作用ꎮＱＣＭ￣Ｄ通过检测界面微痕量的质量及构象变化ꎬ揭示了生物大分子之间的相互作用机制ꎬ可以为科研学者构建性能优异的材料提供理论支撑ꎮ２.４㊀药物释放生物医用高分子材料作为药物释放领域基础材料之一ꎬ已经被用来制备纳米胶囊及纳米微球等药物控释材料[４３]ꎮＱＣＭ￣Ｄ可以监测晶体表面吸附层的吸附动力学ꎬ揭示分子间的相互作用ꎬ因此利用ＱＣＭ￣Ｄ探索药物控释体系的载药与释放机制对建立更加优质的药物载体体系具有重要意义[４４]ꎮ自组１３１１㊀第１０期孙彬等:耗散型石英晶体微天平在生物医用高分子材料中的应用２３１１应用化学㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３７卷㊀装聚电解质薄膜是一类常见的用于药物释放体系的生物医用高分子材料ꎮ２０１４年ꎬＴｉｅｋｅ等[４５]将ＱＣＭ￣Ｄ与紫外可见分光光度计联合应用在聚电解质药物释放体系研究中ꎬ详细研究了层层自组装膜(ＬＢＬ)的载药与药物释放过程ꎬ研究表明层层自组装膜的载药能力与药物释放能力可以通过自组装膜与溶液环境的ｐＨ值控制ꎮ该研究系首次将ＱＣＭ￣Ｄ应用在聚电解质薄膜药物控释体系中ꎬ扩宽了在ＱＣＭ￣Ｄ生物医用高分子材料领域的应用ꎮ刘昌胜团队[４６]基于生物大分子伴刀豆蛋白Ａ和多糖制备了具有环境响应性的涂覆膜ꎬ涂覆膜通过静电相互作用包裹载药的纳米粒子ꎬ在合适的条件下涂覆膜解组装的同时释放药物ꎮ该团队主要利用ＱＣＭ￣Ｄ的频率变化分析了涂覆膜的组装与解组装行为ꎮ涂覆膜通过伴刀豆蛋白Ａ和多糖层层自组装形成ꎬ如图５Ａ所示ꎬ频率的变化表示吸附层质量的变化ꎬ当通入伴刀豆蛋白Ａ时频率下降说明经过活化的晶体表面吸附了伴刀豆蛋白Ａꎬ继续通入多糖时ꎬ频率显著下降ꎬ说明伴刀豆蛋白Ａ与多糖发生相互作用结合在一起ꎬ并循环数次后频率变化达到－２０００Ｈｚꎮ在中性条件下ꎬ自组装膜可以保持稳定状态ꎬ而在酸性条件下ꎬ自组装膜发生解聚ꎬ由图５Ｂ可以看出ꎬ当ｐＨ值达到５ ５时ꎬ频率变化明显ꎬ说明酸性条件下解聚反应已经发生ꎬｐＨ值为５ ０时频率显著变化ꎬ说明解聚反应剧烈ꎬ同时ꎬ该研究采用荧光标记的方法证实了在酸性条件下自组装膜会发生解聚现象ꎮ图５㊀ＱＣＭ￣Ｄ结果(Ａ)多层膜组装过程中频率的变化ꎮ(Ｂ)多层膜在酸性条件下解组装频率变化[４６]Ｆｉｇ.５㊀ＱＣＭ￣Ｄｒｅｓｕｌｔｓ(Ａ)Ｓｅｌｆ￣ａｓｓｅｍｂｌｙｏｆｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓ.(Ｂ)Ｄｉｓ￣ａｓｓｅｍｂｌｙｏｆｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓｉｓｔｒｉｇｇｅｒｅｄｕｎｄｅｒａｃｉｄｉｃｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ[４６]ＱＣＭ￣Ｄ在药物释放领域的应用突出了ＱＣＭ￣Ｄ在吸附层质量㊁结构变化分析方面的独特优势ꎮ在聚电解质药物载体的基础上ꎬ众多研究学者已经将目光转移到ＱＣＭ￣Ｄ在纳米胶束ꎬ胶囊等药物释放体系中的应用ꎮ但是ＱＣＭ￣Ｄ无法检测到药物载体在进入有机体后的药物释放行为及免疫反应ꎬ限制了ＱＣＭ￣Ｄ在药物释放领域的应用ꎮ２.５㊀水凝胶水凝胶材料是一类新型的智能高分子材料ꎬ近年来备受科研学者的关注ꎬ在生物医用材料领域应用广泛[４７]ꎮ膨胀收缩性能㊁生物相容性㊁力学性能是评价水凝胶材料性能的重要标准ꎬＱＣＭ￣Ｄ可以通过吸附前后频率和耗散的变化获得吸附物质的质量及吸附物质的物理化学性质ꎬ完全适用于评价水凝胶的膨胀收缩㊁力学㊁界面相互作用㊁粘弹性等性质[４８]ꎮ２００８年ꎬ浙江大学杜滨阳教授[４９]将ＱＣＭ用于评价水凝胶的膨胀收缩性能和粘弹性能ꎬ开扩了ＱＣＭ在水凝胶领域的应用ꎮＡｎｎａ等[５０]利用ＱＣＭ￣Ｄ的频率与耗散变化ꎬ直观显示了胶原蛋白在不锈钢表面及经过甲基丙烯酸五氟苯酯(ＰＦＭ)修饰的不锈钢表面的吸附行为ꎬ研究发现ＰＦＭ修饰的表面可以吸附大量胶原蛋白进而形成水凝胶ꎮＶｏｇｔ等[５１]利用ＱＣＭ￣Ｄ同时结合Ｓｈｕｌｌ提出的 流变模型 检测了水凝胶在Ｎａ２ＳＯ４㊁ＮａＢｒ及ＮａＣｌＯ４环境下膨胀及流变行为ꎮ预测与ＱＣＭ￣Ｄ实验结果如图６所示ꎬ频率的变化趋势代表水凝胶膨胀趋势ꎬ半峰宽的变化趋势代表水凝胶模量的变化趋势ꎮ研究发现在Ｎａ２ＳＯ４硬离子盐溶液中ꎬ水凝胶会大幅度地解膨胀并且复合模量会显著增加ꎮ在ＮａＣｌＯ４离液盐的环境中ꎬ水凝胶会迅速膨胀ꎬ并且复合模量发生变化ꎮ对于Ｎａ２ＳＯ４和ＮａＣｌＯ４环境下水凝胶的膨胀与复合模量的变化都依赖盐浓度的变化ꎮ在ＮａＢｒ盐环境下ꎬ水凝胶发生解膨胀ꎬ并且模量与膨胀变化与盐浓度无关ꎮ该研究促进了ＱＣＭ￣Ｄ在软材料领域的应用ꎮＱＣＭ￣Ｄ的频率变化可以简单的获得水凝胶的膨胀收缩信息ꎬ相比于传统的称量法具有省时ꎬ节约成本等优势ꎬ最重要的是ＱＣＭ￣Ｄ耗散的变化可以直接揭示水凝胶粘弹性的变化ꎬ节约表征成本ꎬ并可以为制备理想的水凝胶材料提供依据ꎮ图６㊀水凝胶薄膜在不同盐溶液中频率(Ａ)与半峰宽变化(Ｂ)[５１]Ｆｉｇ.６㊀ＱＣＭ￣Ｄｓｅｎｓｏｒｒｅｓｐｏｎｓｅｆｏｒ(Ａ)ｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｎｄ(Ｂ)ｈａｌｆｗｉｄｔｈｆｏｒｔｈｅｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍｓｗｅｌｌｉｎｇｏｆｔｈｅｈｙｄｒｏｇｅｌｆｉｌｍｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓａｌｔｓｏｌｕｔｉｏｎｓ[５１]３ 结论与展望ＱＣＭ￣Ｄ通过实时在线测量石英晶体表面吸附层的频率与耗散变化ꎬ获得表面吸附层质量及结构相关信息ꎬ具有非常高的质量及时间分辨率ꎬ在生物医用高分子材料领域具有不可代替的地位ꎮ本文简要介绍了ＱＣＭ￣Ｄ的基本原理及几种理论模型及其使用范围ꎬ并综述了ＱＣＭ￣Ｄ在高分子链构象㊁蛋白质吸附㊁水凝胶等方面的应用ꎮ随着生物医用材料的发展ꎬＱＣＭ￣Ｄ作为一种实时在线的表征技术ꎬ具有广阔的发展空间ꎮ但是ꎬ由于其基础理论相对复杂ꎬ目前研究多数把ＱＣＭ￣Ｄ作为一种测试表征手段ꎬ而不是深入研究医用高分子材料结构与性能关系的重要工具ꎬ尤其是高分子链构象转变或者蛋白质二级结构转变与材料表界面性能的关系ꎮ因此ꎬ未来需要深入拓展ＱＣＭ￣Ｄ的应用ꎬ同时与计算机模拟相结合解析材料结构与性能的关系ꎬ为制备高性能多功能的生物医用高分子材料提供理论基础ꎮ另一方面ꎬＱＣＭ￣Ｄ在生物医用高分子材料领域的研究对象主要为高分子链㊁聚合物薄膜㊁水凝胶等ꎬ针对抑制小分子药物在输注器械表面的吸附研究相对较少ꎬ未来将ＱＣＭ￣Ｄ技术与其他表征手段相结合ꎬ解决生物医药领域中小分子药物的吸附问题ꎬ获得准确的抑制小分子吸附的机理ꎮ３３１１㊀第１０期孙彬等:耗散型石英晶体微天平在生物医用高分子材料中的应用４３１１应用化学㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３７卷㊀参㊀考㊀文㊀献[１]ＫｏｎａｓｈＰＬꎬＢａｓｔｉａａｎｓＧＪ.ＰｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃＣｒｙｓｔａｌｓａｓＤｅｔｅｃｔｏｒｓｉｎＬｉｑｕｉｄＣｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ[Ｊ].ＡｎａｌＣｈｅｍꎬ１９８０ꎬ５２(１２):１９２９￣１９３１.[２]ＤｕＹＱꎬＪｉｎＪꎬＪｉａｎｇＷ.ＡＳｔｕｄｙｏｆＰｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅＧｌｙｃｏｌＢａｃｋｆｉｌｌｉｎｇｆｏｒＥｎｈａｎｃｉｎｇＴａｒｇｅｔＲｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎＵｓｉｎｇＱＣＭ￣ＤａｎｄＤＰＩ[Ｊ].ＪＭａｔｅｒＣｈｅｍＢꎬ２０１８ꎬ６(３９):６２１７￣６２２４.[３]ＤＵＢｉｎｙａｎｇꎬＦＡＮＸｉａｏꎬＣＡＯＺｅｎｇꎬｅｔａｌ.ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓａｎｄＯｕｔｌｏｏｋｓｏｆＱｕａｒｔｚＣｒｙｓｔａｌＭｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅｉｎＳｔｕｄｉｅｓｏｆＰｏｌｙｍｅｒＴｈｉｎＦｌｉｍｓ[Ｊ].ＣｈｉｎｅｓｅＪＡｎａｌＣｈｅｍꎬ２０１０ꎬ５(３８):７５２￣７５９(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ).杜滨阳ꎬ范潇ꎬ曹峥ꎬ等.石英晶体微天平在聚合物薄膜研究中的应用与展望[Ｊ].分析化学ꎬ２０１０ꎬ５(３８):１５１￣１５８. [４]ＥｓｃｏｂａｒＴｅｒａｎＦꎬＡｒｎａｕＡꎬＧａｒｃｉａＪＶꎬｅｔａｌ.ＧｒａｖｉｍｅｔｒｉｃａｎｄＤｙｎａｍｉｃＤｅｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆＧｌｏｂａｌＥＱＣＭＲｅｓｐｏｎｓｅｏｆＣａｒｂｏｎＮａｎｏｔｕｂｅＢａｓｅｄＥｌｅｃｔｒｏｄｅｓｂｙＡＣ￣Ｅｌｅｃｔｒｏｇｒａｖｉｍｅｔｒｙ[Ｊ].ＥｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍＣｏｍｍｕｎꎬ２０１６ꎬ７０:７３￣７７.[５]ＨｕＹꎬＪｉｎＪꎬＬａｎｇＨꎬｅｔａｌ.ｐＨＤｅｐｅｎｄｅｎｃｅｏｆＡｄｓｏｒｂｅｄＦｉｂｒｉｎｏｇｅｎＣｏｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄＩｔｓＥｆｆｅｃｔｏｎＰｌａｔｅｌｅｔＡｄｈｅｓｉｏｎ[Ｊ].Ｌａｎｇｍｕｉｒꎬ２０１６ꎬ３２(１６):４０８６￣４０９４.[６]ＯｌｓｓｏｎＡＬＪꎬＷａｒｇｅｎａｕＡꎬＴｕｆｅｎｋｊｉＮ.ＯｐｔｉｍｉｚｉｎｇＢａｃｔｅｒｉｏｐｈａｇｅＳｕｒｆａｃｅＤｅｎｓｉｔｉｅｓｆｏｒＢａｃｔｅｒｉａｌＣａｐｔｕｒｅａｎｄＳｅｎｓｉｎｇｉｎＱｕａｒｔｚＣｒｙｓｔａｌＭｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅｗｉｔｈＤｉｓｓｉｐａｔｉｏｎＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇ[Ｊ].ＡＣＳＡｐｐｌＭａｔｅｒＩｎｔｅｒｆａｃｅｓꎬ２０１６ꎬ８(２２):１３６９８￣１３７０６. [７]ＬｖＪＨꎬＪｉｎＪꎬＣｈｅｎＪＹꎬｅｔａｌ.ＡｎｔｉｆｏｕｌｉｎｇａｎｄＡｎｔｉｂａｃｔｅｒｉａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓＣｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｂｙＱｕａｔｅｒｎａｒｙＡｍｍｏｎｉｕｍａｎｄＢｅｎｚｙｌＥｓｔｅｒＤｅｒｉｖｅｄｆｒｏｍＬｙｓｉｎｅＭｅｔｈａｃｒｙｌａｍｉｄｅ[Ｊ].ＡＣＳＡｐｐｌＭａｔｅｒＩｎｔｅｒｆａｃｅｓꎬ２０１９ꎬ１１(２８):２５５５６￣２５５６８.[８]ＱｉｎＢꎬＹｉｎＺꎬＴａｎｇＸꎬｅｔａｌ.ＳｕｐｒａｍｏｌｅｃｕｌａｒＰｏｌｙｍｅｒＣｈｅｍｉｓｔｒｙ:ＦｒｏｍＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＣｏｎｔｒｏｌｔｏＦｕｎｃｔｉｏｎａｌＡｓｓｅｍｂｌｙ[Ｊ].ＰｒｏｇＰｏｌｙｍＳｃｉꎬ２０１９ꎬ１０:１０１１６７.[９]ＺｈａｎｇＹꎬＬｉｕＸꎬＺｅｎｇＬꎬｅｔａｌ.ＴｉｓｓｕｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ:ＰｏｌｙｍｅｒＦｉｂｅｒＳｃａｆｆｏｌｄｓｆｏｒＢｏｎｅａｎｄＣａｒｔｉｌａｇｅＴｉｓｓｕｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ[Ｊ].ＡｄｖＦｕｎｃｔＭａｔｅｒꎬ２０１９ꎬ２９(３６):１９７０２４６.[１０]ＺｈａｎｇＹꎬＤｕＢＹꎬＣｈｅｎＸꎬｅｔａｌ.ＣｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅｏｆＤｉｓｓｉｐａｔｉｏｎａｎｄＩｍｐｅｄａｎｃｅＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＱｕａｒｔｚＣｒｙｓｔａｌＭｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅＳｔｕｄｉｅｓ[Ｊ].ＡｎａｌＣｈｅｍꎬ２００９ꎬ８１(２):６４２￣６４８.[１１]ＨａｊｉｒａｉｓｓｉＲꎬＨａｎｋｅＭꎬＹａｎｇＹꎬｅｔａｌ.ＡｄｓｏｒｐｔｉｏｎａｎｄＦｉｂｒｉｌｌｉｚａｔｉｏｎｏｆＩｓｌｅｔＡｍｙｌｏｉｄＰｏｌｙｐｅｐｔｉｄｅａｔＳｅｌｆ￣ａｓｓｅｍｂｌｅｄＭｏｎｏｌａｙｅｒｓＳｔｕｄｉｅｄｂｙＱＣＭ￣ＤꎬＡＦＭꎬａｎｄＰＭ￣ＩＲＲＡＳ[Ｊ].Ｌａｎｇｍｕｉｒꎬ２０１８ꎬ３４(１１):３５１７￣３５２４.[１２]ＨｕＹꎬＪｉｎＪꎬＨａｎＹＹꎬｅｔａｌ.ＳｔｕｄｙｏｆＦｉｂｒｉｎｏｇｅｎＡｄｓｏｒｐｔｉｏｎｏｎＰｏｌｙ(ＥｔｈｙｌｅｎｅＧｌｙｃｏｌ)￣ＭｏｄｉｆｉｅｄＳｕｒｆａｃｅｓＵｓｉｎｇａＱｕａｒｔｚＣｒｙｓｔａｌＭｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅｗｉｔｈＤｉｓｓｉｐａｔｉｏｎａｎｄａＤｕａｌＰｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎＩｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ[Ｊ].ＲＳＣＡｄｖꎬ２０１４ꎬ４(１５):７７１６￣７７２４. [１３]ＨｅｉｄａｒｙＮꎬＫｏｒｎｉｅｎｋｏＮꎬＫａｌａｔｈｉｌＳꎬｅｔａｌ.ＤｉｓｐａｒｉｔｙｏｆＣｙｔｏｃｈｒｏｍｅＵｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｉｎＡｎｏｄｉｃａｎｄＣａｔｈｏｄｉｃＥｘｔｒａｃｅｌｌｕｌａｒＥｌｅｃｔｒｏｎＴｒａｎｓｆｅｒＰａｔｈｗａｙｓｏｆＧｅｏｂａｃｔｅｒＳｕｌｆｕｒｒｅｄｕｃｅｎｓＢｉｏｆｉｌｍｓ[Ｊ].ＪＡｍＣｈｅｍＳｏｃꎬ２０２０ꎬ１４２(１１):５１９４￣５２０３. [１４]ＭａｒｘＫＡ.ＱｕａｒｔｚＣｒｙｓｔａｌＭｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅ:ＡＵｓｅｆｕｌＴｏｏｌｆｏｒＳｔｕｄｙｉｎｇＴｈｉｎＰｏｌｙｍｅｒＦｉｌｍｓａｎｄＣｏｍｐｌｅｘＢｉｏｍｏｌｅｃｕｌａｒＳｙｓｔｅｍｓａｔｔｈｅＳｏｌｕｔｉｏｎ￣ＳｕｒｆａｃｅＩｎｔｅｒｆａｃｅ[Ｊ].Ｂｉｏｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓꎬ２００３ꎬ４(５):１０９９￣１１２０.[１５]ＳａｕｅｒｂｒｅｙＧ.ＶｅｒｗｅｎｄｕｎｇＶｏｎＳｃｈｗｉｎｇｑｕａｒｚｅｎＺｕｒＷäｇｕｎｇＤüｎｎｅｒＳｃｈｉｃｈｔｅｎＵｎｄＺｕｒＭｉｋｒｏｗａｇｕｎｇ[Ｊ].ＺｅｉｔｓｃｈｒｉｆｔＦüｒＰｈｙｓｉｋꎬ１９５９ꎬ１５５(２):２０６￣２２２(ｉｎＧｅｒｍａｎ).[１６]ＫａｎａｚａｗａＫＫꎬＧｏｒｄｏｎＪＧ.ＦｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆａＱｕａｒｔｚＭｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅｉｎＣｏｎｔａｃｔｗｉｔｈＬｉｑｕｉｄ[Ｊ].ＡｎａｌＣｈｅｍꎬ１９８５ꎬ５７(８):１７７０￣１７７１.[１７]ＲｏｄａｈｌＭꎬＫａｓｅｍｏＢ.ＯｎｔｈｅＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆＴｈｉｎＬｉｑｕｉｄＯｖｅｒｌａｙｅｒｓｗｉｔｈｔｈｅＱｕａｒｔｚ￣ＣｒｙｓｔａｌＭｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅ[Ｊ].ＳｅｎｓＡｃｔｕａｔｏｒｓＡꎬ１９９６ꎬ５４(１￣３):４４８￣４５６.[１８]ＣｈｅｎＴꎬＹａｎｇＨꎬＧａｏＨＷꎬｅｔａｌ.ＡｄｓｏｒｐｔｉｏｎａｎｄＯｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｏｆ３ꎬ４￣Ｄｉｈｙｄｒｏｘｙ￣Ｌ￣ＰｈｅｎｙｌａｌａｎｉｎｅｏｎｔｏＴｕｎａｂｌｅＭｏｎｏｌａｙｅｒＦｉｌｍｓ[Ｊ].ＪＰｈｙｓＣｈｅｍＣꎬ２０１７ꎬ１２１(２１):１１５４４￣１１５５１.[１９]ＤｕＢＹꎬＪｏｈａｎｎｓｍａｎｎＤ.ＯｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＱｕａｒｔｚＣｒｙｓｔａｌＭｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅｉｎＬｉｑｕｉｄｓ:ＤｅｒｉｖａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＥｌａｓｔｉｃＣｏｍｐｌｉａｎｃｅｏｆａＦｉｌｍｆｒｏｍｔｈｅＲａｔｉｏｏｆＢａｎｄｗｉｄｔｈＳｈｉｆｔａｎｄＦｒｅｑｕｅｎｃｙＳｈｉｆｔ[Ｊ].Ｌａｎｇｍｕｉｒꎬ２００４ꎬ２０(７):２８０９￣２８１２.[２０]ＭａＨＷꎬＺｈｕＺꎬＬｉＤꎬｅｔａｌ.ＡＱｕａｒｔｚＣｒｙｓｔａｌＭｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅ￣ＢａｓｅｄＭｏｌｅｃｕｌａｒＲｕｌｅｒｆｏｒＢｉｏｐｏｌｙｍｅｒｓ[Ｊ].ＣｈｅｍＣｏｍｍｕｎꎬ２０１０ꎬ４６(６):９４９￣９５１.[２１]ＤｅＮｏｌｆＧＣꎬＳｔｕｒｄｙＬＦꎬＳｈｕｌｌＫＲ.Ｈｉｇｈ￣ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＲｈｅｏｌｏｇｉｃａｌＣｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆＨｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓＰｏｌｙｍｅｒＦｉｌｍｓｗｉｔｈｔｈｅＱｕａｒｔｚＣｒｙｓｔａｌＭｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅ[Ｊ].Ｌａｎｇｍｕｉｒꎬ２０１４ꎬ３０(３２):９７３１￣９７４０.[２２]ＳａｄｍａｎＫꎬＷｉｅｎｅｒＣＧꎬＷｅｉｓｓＲＡꎬｅｔａｌ.ＱｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅＲｈｅｏｍｅｔｒｙｏｆＴｈｉｎＳｏｆｔＭａｔｅｒｉａｌｓＵｓｉｎｇｔｈｅＱｕａｒｔｚＣｒｙｓｔａｌＭｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅｗｉｔｈＤｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ[Ｊ].ＡｎａｌＣｈｅｍꎬ２０１８ꎬ９０(６):４０７９￣４０８８.[２３]ＢｒｕｃｋｅｎｓｔｅｉｎＳꎬＭｉｃｈａｌｓｋｉＭꎬＦｅｎｓｏｒｅＡꎬｅｔａｌ.ＤｕａｌＱｕａｒｔｚＣｒｙｓｔａｌＭｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅＯｓｃｉｌｌａｔｏｒＣｉｒｃｕｉｔ.ＭｉｎｉｍｉｚｉｎｇＥｆｆｅｃｔｓＤｕｅｔｏＬｉｑｕｉｄＶｉｓｃｏｓｉｔｙꎬＤｅｎｓｉｔｙꎬａｎｄＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ[Ｊ].ＡｎａｌＣｈｅｍꎬ１９９４ꎬ６６(１１):１８４７￣１８５２.[２４]ＨＥＪｉａｎᶄａｎꎬＦＵＬｏｎｇꎬＨＵＡＮＧＭｏꎬｅｔａｌ.ＴｈｅＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＱｕａｒｔｚＣｒｙｓｔａｌＭｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅ[Ｊ].ＳｃｉＳｉｎＣｈｉｍꎬ２０１１ꎬ４１(１１):７￣２６(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ).何建安ꎬ付龙ꎬ黄沫ꎬ等.石英晶体微天平的新进展[Ｊ].中国科学:化学ꎬ２０１１ꎬ４１(１１):７￣２６.[２５]ＬｉｕＧＭꎬＺｈａｎｇＧＺ.ＲｅｅｎｔｒａｎｔＢｅｈａｖｉｏｒｏｆＰｏｌｙ(Ｎ￣Ｉｓｏｐｒｏｐｙｌａｃｒｙｌａｍｉｄｅ)ＢｒｕｓｈｅｓｉｎＷａｔｅｒ￣ＭｅｔｈａｎｏｌＭｉｘｔｕｒｅｓＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ。
电化学石英晶体微天平技术在导电聚合物研究中的应用综述李娜;赵文弟;陈志鸿;刘聪聪
【期刊名称】《山东化工》
【年(卷),期】2024(53)7
【摘要】导电聚合物作为一类具有高导电性和良好电化学性能的聚合物材料,被广泛应用于传感器、电池、柔性电子等领域。
电化学石英晶体微天平(EQCM)是一种灵敏度可达纳克级别的、能提供电化学反应过程中原位质量变化信息的检测技术,具有高灵敏度、高分辨率的优点,已成为研究导电聚合物的有力工具。
本文综述了近年来EQCM技术在导电聚合物领域的应用研究,包括聚合物膜的合成机理研究、离子交换和质量传递机制分析以及在能量转换与存储方面的应用。
这些研究有望为深入理解导电聚合物的电化学行为和性能调控提供技术支持和借鉴。
【总页数】4页(P54-56)
【作者】李娜;赵文弟;陈志鸿;刘聪聪
【作者单位】江西科技师范大学化学化工学院
【正文语种】中文
【中图分类】O647
【相关文献】
1.电化学石英晶体微天平(EQCM)原理及应用中的几个问题
2.电镀铂/金的金电极上As(Ⅲ)电化学行为的电化学石英晶体微天平研究
3.石英晶体微天平在聚合物薄膜研究中的应用与展望
4.尖晶石型LiMn2O4薄膜电极的制备及电化学性质研究
——电化学石英晶体微天平(EQCM)技术研究5.压电石英晶体传感器在电化学研究中的应用—电化学石英晶体微天平
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如何用耗散型石英晶体微天平测量薄膜降解薄膜降解—时而需要时而避免我们周围有许多工艺流程中，包括自发进行的和人为设计的，会有薄膜或涂层的降解或者剥落。
一个典型的例子是蚀刻或腐蚀，比如说在管道基础设施中，这是一个不希望的过程，但是在制造电子元件时却是非常需要的。
另一个需要薄膜剥落的领域是用洗涤剂去除油污。
在这两种情况下，了解材料的降解和剥落就十分重要了，这样便可以对其进行优化和控制。
既能防止不必要的降解，又能提高需降解薄膜的脱落速度。
为了能够控制这一过程，降解或者剥落必须被模拟和理解。
QCM-D，原理上是一个测量微小质量的天平，可以测量和量化这种膜的降解，无论是在数量上还是在动力学方面。
定性和定量测量薄膜的降解当薄膜降解时，表面会失去质量。
初始表面结合层的厚度也会随之减少。
这是两个参数正是QCM-D在纳米尺度所能够实时测量的。
示例1：评价清洁效率举个例子，让我们看看在清洗表面时薄膜的降解。
我们有一个带有油污的表面想用洗涤剂来清洁。
如图1所示，我们按照下面的步骤进行。
1、我们开始在表面沉积一层薄薄的油污。
这一层是我们准备除去的污染物。
背景溶液是水。
我们可以看到在这个步骤中没有质量被去除，即油污不溶于水。
2，接下来，我们引入洗涤剂，然后使它在油污上流动。
3、洗涤剂会流过表面并开始与油污发生相互作用。
在这里我们可以看到油污层的厚度在增加。
这是预料之中的，因为洗涤剂会渗入油污中并使其膨胀。
4、下一步，油污开始破碎并从表面被剥落。
我们看到厚度在减少。
5、清洗步骤后，我们加入润洗步骤，即用水冲洗。
再一次，我们看到随着润洗将油污从表面带离，厚度降低。
6、最后，60%的油污从表面上去除。
图1利用QCM-D技术对清洗过程进行监测。
评估不同条件下的薄膜降解监测质量和厚度作为时间的函数，可以很容易的表征和评估材料的降解行为和所剥落的质量。
也可以比较不同条件下的降解行为，例如通过改变浓度、温度和pH值。
示例2：比较两种不同洗涤剂的性能在第一个实例中，我们评估了脱附行为和洗涤剂的去污效率，在这里，我们对其进行衍伸。
利用石英晶体对膜层厚度检测的研究作者：吴婷婷来源：《科学与信息化》2018年第07期摘要本文详细阐述了利用石英晶体谐振器检测蒸镀薄膜膜层厚度和速率的基本原理及优势。
结合石英晶体压电特性，推导出原料与不同材料结合时的谐振频率变化和蒸镀层材料之间质量与频率关系，从而推算出精确膜厚。
为各领域探测蒸镀材料厚度提供精确的测量支持。
关键词石英晶体谐振器；蒸镀膜层；质量负荷效应前言石英晶体具有压电效应，石英晶体的固有谐振频率与其厚度在一定变化范围内存在线性关系，可将这种特质应用到蒸镀膜层探测中对蒸镀膜厚度和速率进行探测，确定蒸镀膜层复合系统中谐振频率变化和蒸镀材料质量之间的关系。
因此探究石英晶体谐振器探测蒸镀膜层的特性具有重要意义。
1 石英晶体的特有性能石英晶体主要特性有两个：压电效应、质量负荷效应。
压电效应：石英晶体是离子型结构，其结晶点阵是有规则分布的。
当有外力作用到石英晶体使其产生机械形变时，石英自身会产生极化现象，成为压电效应。
例如当外加1*105帕压强时，石英表面会出现正负电荷，产生约0.5V的电压。
质量负荷效应：同时石英晶体也具有逆压电效应，对其外加电场时，会使产生机械形变，我们称这种现象为电致伸缩。
当外加为交变电场时，石英晶体会产生伸长或缩短的形变，其频率与外加电场频率有关。
同时，石英晶体的谐振频率与几何尺寸、切割类型，晶片厚度均有关系。
当其他参数一定时，可以通过更改石英晶片的厚度，相应的调整频率。
所以，通常我们在石英晶片上蒸镀镀一层金属薄膜，增加晶片厚度，此时，晶片的谐振频率会发生改变，逐渐变小。
这个改变被称为质量负荷效应。
2 石英晶体谐振器探测蒸镀膜层特性的原理分析石英晶体的谐振频率与蒸镀的膜层厚度有关。
随着膜厚增加，频率逐渐减小。
因此利用石英晶体制作而成的谐振器可以对蒸镀膜的厚度以及蒸镀速率进行精准的监测。
石英晶体谐振频率与厚度的关系，在一定范围内可以等效为线性关系，具体如下：对于在石英晶片上蒸镀一种材料的情况来说，可以把石英晶片与蒸镀材料当作一个复合声学谐振系统。
石英晶体微天平用于微囊藻毒素在聚合物涂覆的金片表面吸附郑斌;毕建洪;董华泽;朱金苗;梁好均
【期刊名称】《化学物理学报》
【年(卷),期】2014(0)6
【摘要】合成了具有不同功能化的聚苯乙烯树脂，利用石英晶体微天平对树脂和微囊藻毒素相互吸附作用进行实时监测和研究．研究发现，吸附的pH和表面性质对于吸附量有重要的影响，而温度影响不大，中性pH氨基树脂对微囊藻毒素的吸附效果最好.
【总页数】7页(P739-744)
【关键词】石英晶体微天平;微囊藻毒素;吸附;聚苯乙烯
【作者】郑斌;毕建洪;董华泽;朱金苗;梁好均
【作者单位】合肥师范学院化学与化学工程学院,合肥230061;中国科学技术大学高分子科学系,合肥230026
【正文语种】中文
【中图分类】O
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电化学石英晶体微天平的用途电化学石英晶体微天平（EQCM）是一种高精度的电化学分析仪器，它可以用于研究电化学反应的动力学和热力学性质、表面化学反应动力学和机理、生物分子的相互作用等。
本文将从以下几个方面介绍EQCM的用途。
一、电化学反应动力学和热力学性质研究EQCM可以通过测量电极表面的质量变化来研究电化学反应的动力学和热力学性质。
例如，可以用EQCM来研究金属电极表面的氧化还原反应、电解质在电极表面的吸附和脱附等。
EQCM可以提供高精度的质量变化数据，从而可以确定反应速率、反应机理、反应热力学性质等。
二、表面化学反应动力学和机理研究EQCM可以用于研究表面化学反应的动力学和机理。
例如，可以用EQCM来研究表面的吸附和脱附反应、表面重构和形貌变化等。
EQCM可以提供高精度的质量变化数据和频率变化数据，从而可以确定表面反应速率、反应机理、表面能等。
三、生物分子相互作用研究EQCM可以用于研究生物分子的相互作用。
例如，可以用EQCM来研究蛋白质和DNA的结合、细胞膜的吸附和脱附等。
EQCM可以提供高精度的质量变化数据和频率变化数据，从而可以确定生物分子的互作机制、互作强度等。
EQCM的优点EQCM具有以下几个优点：1.高精度：EQCM可以提供高精度的质量变化数据和频率变化数据，从而可以确定反应速率、反应机理、反应热力学性质等。
2.灵敏度高：EQCM可以检测微量物质的质量变化和频率变化，从而可以研究微量物质的反应动力学和热力学性质。
3.实时监测：EQCM可以实时监测表面化学反应和生物分子相互作用的过程，从而可以研究反应动力学和机理。
EQCM的应用举例EQCM已经被广泛应用于电化学、表面化学、生物化学等领域。
以下是EQCM的一些应用举例：1.研究金属电极表面的氧化还原反应。
2.研究电解质在电极表面的吸附和脱附。
3.研究表面的吸附和脱附反应。
4.研究表面重构和形貌变化。
5.研究蛋白质和DNA的结合。
6.研究细胞膜的吸附和脱附。
石英晶体微天平δd和δf的关系是一个非常重要的研究课题，对于石英晶体的性能和应用具有深远的影响。
本文将从以下几个方面对这一主题展开详细的分析和讨论。
一、背景介绍1. 石英晶体微天平的原理及应用石英晶体微天平是一种用于测量微量质量变化的装置，通过检测石英晶体振动频率的变化来实现对质量变化的测量，因其灵敏度高、测量精度高等优点，在许多领域得到了广泛的应用，如生物医学、化学分析、环境监测等。
2. δd和δf的定义与意义在石英晶体微天平中，δd和δf分别代表着频率变化和阻尼变化，它们是评价石英晶体微天平性能的重要参数，对于了解样品的质量变化、性质变化等具有重要意义。
二、δd和δf的关系及影响因素1. δd和δf的数学关系在石英晶体微天平中，δd和δf之间存在着一定的数学关系，通常情况下，随着频率变化的增加，阻尼变化也会随之增加，但二者之间的关系并非简单的线性关系，而是受到多种因素影响的复杂关系。
2. 影响δd和δf的因素影响δd和δf的因素有很多，如温度、压力、湿度、样品的质量等，这些因素会直接影响石英晶体的振动频率和阻尼特性，从而间接影响δd和δf的数值。
三、研究现状与挑战1. 研究现状目前，关于石英晶体微天平δd和δf的关系的研究已经取得了一定的进展，不仅在理论方面有了较为深入的认识，而且在实验验证方面也取得了一些成功。
然而，这一领域仍然存在一些尚未解决的问题，需要更深入的研究和探索。
2. 挑战与展望石英晶体微天平δd和δf的关系研究面临着一些挑战，如如何准确测量和描述δd和δf的数值，如何解析影响因素对δd和δf的影响机制等。
未来的研究应该着重解决这些问题，以推动该领域的发展和进步。
四、应用前景与意义1. 应用前景石英晶体微天平δd和δf的关系研究对于提高石英晶体微天平的测量精度、扩大应用范围具有重要意义。
在生物医学、化学分析、环境监测等领域，这一研究成果的应用前景广阔。
2. 意义石英晶体微天平δd和δf的关系研究不仅有助于推动石英晶体微天平的技术进步，而且对于促进相关领域的发展和应用具有重要意义。
