石英晶体微天平(QCM）是一种传统的质量敏感型传感器, 具有灵敏度高及响应时间短等优点。为拓展QCM技术在液相生物分子传感领域的应用, 该文通过电化学方法在QCM表面沉积生物分子功能化的导电高分子后, 成功制备了链霉亲和素敏感的QCM传感器。该传感器不仅具有对链霉亲和素的质量和电化学复合敏感效应, 而且具有优异的抗其他蛋白干扰能力, 有进一步应用于液相生化传感和疾病检测的潜力。

石英晶体微天平(QCM)是一种高灵敏度的传感器, 通过建立QCM参数变化与被测粘弹性薄膜之间的关系, 可以对其进行量化分析及表征。该文基于石英晶体本构方程, 推导了在气相条件下, 不考虑电容效应的粘弹性薄膜吸附的QCM等效BVD模型, 给出了一个关于粘弹性薄膜物理性质的QCM等效参数与频率变化的显式表达, 揭示了粘弹性薄膜的损耗模量和存储模量在气相中产生“额外质量效应”的物理现象。与Arnau给出的EBVD模型相比, 该文推导的BVD模型具有更高的准确度。结果表明, 该模型可被应用于气相粘弹性薄膜的特性分析。

本文通过QCM技术实时监测水稻悬浮细胞在不同浓度五价砷连续及单独胁迫下的粘弹性变化, 从细胞整体水平评估了重金属对水稻悬浮细胞力学性质的影响。结果表明: 1)在2~10 mmol/L范围内, 五价砷对水稻悬浮细胞的连续和单独胁迫的影响均随着浓度增加而增强; 2)在连续胁迫和单独胁迫下, 随着五价砷浓度的增加, 水稻悬浮细胞粘弹性指数均下降, 细胞软硬度减小即细胞变软; 3)在五价砷连续梯度浓度胁迫下, 水稻悬浮细胞粘弹性指数呈梯度下降; 4)在五价砷不同浓度单独胁迫下, 随着五价砷浓度的增加, 水稻悬浮细胞粘弹性指数变化逐渐平缓, 即水稻悬浮细胞随着五价砷浓度升高, 敏感程度降低。以期建立一种用来衡量重金属胁迫对植物影响的一种新方法。

采用石英晶体微天平(QCM)非侵入式实时监测乳鼠原代心肌细胞于金晶体电极上的动态黏附响应与不同浓度肌力药物下的粘弹性响应。在乳鼠原代心肌细胞黏附铺展于金晶体电极表面后, 加入不同浓度的正性肌力药物异丙肾上腺素与负性肌力药物维拉帕米, 监测QCM频率(F)以及动态电阻(R)的实时变化, 采用粘弹性指数CVI(CVI=ΔR/ΔF)表征细胞的粘弹性变化, 并通过光学显微镜观察药物作用下细胞的形态变化。结果表明: 随着异丙肾上腺素浓度的增加, 药物引起的QCM频率下降、电阻增加与CVI增大的幅度均增大; 光学显微镜下观测到细胞收缩, 符合CVI变大、细胞变硬的响应; 随着维拉帕米浓度的增加, 药物引起的QCM频率升高、电阻下降与CVI减小的幅度均增大; 光学显微镜下观测到细胞舒张, 符合CVI变小、细胞变软的响应。说明QCM与原代心肌细胞结合作为心血管药物筛选细胞模型与工具有很大的应用前景。

房颤、血栓等患者抗凝药物日常口服等场景迫切需要凝血参数快速检测, 本文设计和制作了一种Parylene-C增强型石英晶体微天平(QCM)传感器及其耗散因子检测系统用于凝血测量。首先使用Parylene-C有效增加石英晶体微天平传感器的峰峰值和有效使用次数, 基于传感器耗散因子对血液凝固过程血液粘弹性变化敏感, 设计电导谱分析法的压电传感器耗散因子快速测量系统, 对血浆部分凝血活酶时间(aPTT)进行测量。并用SYSMEX CS 5100光学凝血仪、Lambda 950分光光度计验证系统测量结果。实验表明, Parylene-C增强型QCM传感器信号峰峰值增加8±1%, 传感器aPTT实验有效重复使用次数为30次, 系统30 ℃温差最大耗散偏移2.09×10-6。aPTT耗散曲线与光学法(lambda 950)吸光度曲线变化趋势一致。与SYSMEX CS 5100临床结果线性拟合决定系数R2为0.99。同样本10次重复实验结果变异系数为1.48%。Parylene-C增强型QCM传感器与耗散分析法的联合应用具备多场景下凝血参数快速检测的能力, 系统温度稳定性好, 具有满足即时检测应用的潜力。

用石英晶体微天平(quartz crystal microbalance, QCM)和活细胞成像技术实时监测人脐静脉内皮细胞(HUVEC)在ITO石英晶体电极上的动态粘附响应过程。在ITO晶体电极上加入不同浓度的HUVEC, 测定细胞在QCM上谐振频率以及耗散的实时变化。通过ITO电极与光学显微镜的联用, 监测了HUVEC在药物处理前后的动态变化过程。用细胞粘弹性指数(QCM的动态电阻变化与频移变化之比, CVI=ΔR/Δf)表征细胞的粘弹性变化, 同时通过活细胞成像技术的联用, 实时监测细胞的形态变化。结果表明: 细胞浓度为10万个/mL时, 细胞在ITO电极上铺展完全且粘弹性最大。抑制剂y-27632和激动剂凝血酶thrombin药物处理细胞前后, 在显微镜的实时监测下细胞形态变化不明显, 但CVI粘弹性指数变化较大, 说明QCM信号比光学信号更为敏感, 且在药物筛选方面有有很大的应用前景。

针对光通信终端的光学表面污染, 研制了10 MHz镀铝石英晶体微天平(QCM), 用于实时检测真空试验中的污染量以保证光通信的可靠性。该装置通过引入参考晶体消除环境因素的影响, 并降低对其控温精度的要求, 其理论质量灵敏度可达10-9g/cm2。经过绝对标定实验后, 其实际质量灵敏度为10-8g/cm2, 满足应用需求, 且成本低, 实用性好, 可用于星上或地面污染检测。文中依据不同的污染源工作温度, 分别在32 ℃高温恒温段, 32 ℃~-27 ℃降温段, 低温保持段及-2 ℃~32 ℃升温段进行了污染沉积量的检测。结果表明: 在试验初期的高温恒温段, 污染源与敏感表面温差高于0 ℃, 15.75 h内单位面积污染沉积量为1.68×10-4g/cm2; 在低温保持段, 温差一直低于-22 ℃, 23.37 h内单位面积污染解吸附量为1.08×10-4g/cm2; 真空试验的总污染沉积量为2.7×10-5 g/cm2。得到的结果证实了该QCM用于污染量检测的有效性。文中还初步分析了真空试验下的污染沉积过程, 为光学表面污染的预估与防护提供了依据。

回顾了石英晶体传感器系统在检测领域的应用.并根据在研发过程中容易遇到的问题,在应用层面提出了解决这些问题的技术和方法.最后简述了相关领域的最新研究动向.