邹春阳，王博伟，闫雪晴，何 贤，吴文娟

（南京林业大学 江苏省林业资源高效加工利用协同创新中心，江苏 南京 210037）

将先进的微电子技术与信号处理和传感接口相结合，以产生预期传感器设备为目标，已成为具有巨大潜力的快速发展领域。目标传感器是独立的集成设备，它使用与物理导入元件直接接触的物质识别元件提供定量分析信息。声波的使用是最合适的直接转导机制之一，声波的产生有多种途径，其中压电效应在声波的产生和接收中应用最为广泛。压电传感器是一种声学传感器，它能够对生物事件进行实时选择和无标签检测。石英晶体微天平(QCM)是基于石英晶体的压电效应而制成的表面敏感型分析技术，是非常灵敏的质量检测仪器，测量精度可达纳克级，并且具有广泛的应用领域，如监测和表征(生物)膜沉积，检测特定抗原，研究生物分子结合动力学，细胞黏附和DNA检测。本研究综述了QCM在细胞、环境监测、纤维素酶水解、电化学等领域的应用，以期为动态监测及微量检测等方面的研究提供技术借鉴。

1 石英晶体微天平 (QCM)技术原理

石英晶体微天平(QCM)是用于化学、物理、生物等领域的声学传感系统，它可以研究物质的黏弹性、分子的吸附或活细胞的运动特性等。QCM是一种厚度剪切式(TSM)的声波谐振器，在该谐振器中，一个AT切割(从高纯度石英晶体上按与石英晶体主光轴成35°15′切割)的薄石英盘夹在2个通常是由黄金制成的金属电极之间。由于石英材料的压电性质，交变电场会在2个表面平行但是运动方向相反的情况下产生剪切变形，从而在一个方向垂直于电场表面产生通过晶体材料传播的运动波[1]。

通过将晶体材料的质量与密度联系起来，就有可能预测与传感器表面小质量增加(ΔM)相关的谐振频率变化，如公式所示：。其中：表示谐振频率变化，E表示刚度(杨氏模量)，ρ表示密度，A表示材料表面积。这就是SAUERBREY方程[2]，它建立了共振频率与小质量增量之间的线性关系。一般情况下，SAUERBREY方程根据获得的总频率变化来估计吸附体的总质量，或者建立频率变化(信号)与质量的直接关系[3]。当物质吸附在晶体表面时，频率降低。这个模型假定没有能量耗散发生，在晶体表面的质量沉积和形成的薄膜遵循晶体的振动，这一方程适用于具有类似声学性质的、薄的、刚性的和均匀的薄膜[1]。

但是当谐振器如生物传感应用所要求的那样浸入液体，或者增加的黏弹性探头层与晶体传感器层的声学特性有显著差异时，能量通过所谓的黏滞耦合会流失到流体中。KANAZAWA等[4]在此基础上建立了黏性耦合效应的模型，假设固液界面没有发生滑移，即晶体表面附近的流体以与表面相同的速度运动，由于液体阻尼与液体黏度和密度成正比，传感器谐振频率将下降。

因此，QCM将对质量沉积和液体载荷做出响应。此外，由于频率变化受液体密度和黏度影响较大，QCM还会对缓冲液和注入样品黏度的差异以及温度引起的黏度变化做出响应。MARTIN等[5]推导出总频率变化的模型，该模型解释了质量和液体负荷同时对传感器信号的影响。虽然QCM作为传感器主要利用了质量和频率之间的直接关系，即SAUERBREY方程，但是没有考虑吸附层的黏弹性效应，因此这种测量方法通常是有偏差的。耗散型石英晶体微天平(QCM-D)在QCM的基础上增加了耗散因子D，即可表示吸附在传感器表面的膜层黏弹性。D越大，表明晶体上的薄膜越柔软，吸附层黏弹性越大[6]。

尽管QCM技术有一些缺陷，但它仍然可以成功地使用标准振荡器技术和频率计数，对传感器的谐振频率进行连续监测，经采样应用，通过与参考值的比较，可以进一步得到谐振频率的变化，进而可以对物质的黏弹性、分子的吸附、动态监测等方面进行应用型研究[1]。

2 石英晶体微天平 (QCM)在细胞中的应用

QCM作为无创、无标签的声学传感技术，可以实时监测细胞与传感元件表面的黏附相互作用。在过去的20 a，QCM这种独特的能力使其在细胞生物学领域特别具有吸引力[7]。QCM在细胞生物学领域的应用主要集中在细胞表面的黏附和形态变化等的相互作用方面[8]。QCM作为压电传感器，是研究真核细胞快捷、方便的工具，它可以实时提供细胞黏附、形态变化、凋亡等过程的信息，并可用于检测新药的生理效应、毒性和生物相容性[9]。

GIBBS等[10]将糖原和支链淀粉等低聚糖自旋涂覆在基频为10 MHz的镀金石英晶体上，这些薄膜随后与六甲基二异氰酸酯交联。借助QCM对薄膜降解过程进行了监测，可检测出淀粉酶在唾液、血清和尿液中的活性，用于急性胰腺炎的诊断。

PEI等[11]发现了利用QCM生物传感器研究哺乳动物细胞表面分子相互作用的新方法。将表皮样癌细胞系(A-431)和乳腺腺癌细胞系(MDA-MB-468)固定在聚苯乙烯包覆的石英晶体上，通过实时监测凝集素刀豆蛋白A(Concanavalin A)与细胞的结合、解离以及单糖对结合的抑制作用，为糖生物学领域的研究提供了细胞表面糖基化的新工具。

AARON等[12]基于石英晶体微天平开发了一种新型力基生物传感技术。通过对样品施加离心力，对微米级颗粒、黏弹性DNA单分子层以及通过DNA与石英晶体微天平表面连接的颗粒进行了研究。结果表明：在QCM的基础上，离心力的应用不仅提高了灵敏度，而且揭示了附加的力学和黏弹性性能。血液是一种重要的临床分析基质，经常用于疾病监测，了解凝血机制是止血的关键考虑因素。现代临床实践需要快速、小型化和信息丰富的诊断平台来研究黏弹性(VE)的变化。EFREMOV等[13]研究发现：对QCM晶体表面与血液样品之间的声学相互作用进行精确的数学建模，可以快速、紧凑地采集大信息量来研究凝血机制。

在疾病群中，红细胞的异常变形预示着疾病的变化。QCM这种简单的、台式的检测方法在监测红细胞的异常变形中具有重要的应用潜力。EFREMOV等[14]介绍了将石英晶体微天平和数学模型相结合的新型监测红细胞变形能力的方法，能够准确区分正常红细胞和人为硬化的符合疾病状态的红细胞，推断出与细胞弹性变化有关的定性和定量信息。在遗传疾病和疾病的诊断中，基于纳米材料的基因检测系统在简单、敏感、特异性和可移植性方面比传统的诊断系统具有显著的优势，如石英晶体微天平法，该方法灵敏度高，无标记检测，已广泛应用于DNA检测。ZHU等[15]基于DNA连接酶反应和四氧化三铁(Fe3O4)/金核/壳纳米颗粒探针，利用QCM进行压电检测DNA点突变，实现了DNA探针的分离和检测信号的放大。该方法操作简便，检测极限低，在单核苷酸多态性(SNPs)相关疾病的医学诊断中具有广阔的应用前景。

识别直接与生物活性小分子结合的靶蛋白，对于阐明小分子的作用方式以及在分子水平上阐明生物现象具有重要意义。在现有的实验技术中，噬菌体T7显示技术可以从显示在噬菌体T7衣壳上的肽库中全面筛选小分子识别氨基酸序列。TAKAKUSAGI等[16]通过将噬菌体T7与QCM生物传感器相结合，用于亲和选择平台和小分子识别短肽的生物信息学分析。该方法显著提高了小分子识别氨基酸序列的筛选效率和通量，无需重复筛选。

细胞迁移在肿瘤的侵袭转移中起着重要作用。DOLATSHAHI-PIROUZ等[17]用耗散型石英晶体微天平(QCM-D)在金表面上包覆纤维连接素和羟基磷灰石(HA)，研究与人骨髓间充质干细胞(hMSCs)的表面相互作用，以研究细胞的扩散、形态和细胞骨架组织。细菌黏附是生物膜形成的重要的第一步，其控制与船舶、水净化、包装和生物医学设备等行业相关。然而，尽管在这一领域进行了广泛的研究，在细菌黏附过程中仍存在许多问题。QCM-D是一项越来越受欢迎的技术，可作为细菌黏附实验和建模研究的一部分。利用QCM-D可以研究多种因素对细菌黏附的影响，包括基质组成、化学修饰、溶液离子强度、环境温度、剪切条件和时间等。最近研究了QCM-D在开发新的细菌黏附模型和生物膜形成中不同阶段的应用。ALEXANDER等[18]综述了从细菌黏附的第一步到成熟生物膜的各个阶段中，QCM-D如何被用于研究细菌黏附，以及如何被用于促进生物膜形成的解决方案。

调节性细胞容积减小(RVD)是细胞调节体积的一种机制，是细胞的基本生理功能，与细胞迁移密切相关。ZHOU等[19]首次研制了用于实时监测RVD的石英晶体微天平细胞传感器，用于评价乳腺癌细胞的迁移。在用低渗溶液刺激芯片上的固定细胞时，QCM传感器可以通过分析细胞膨胀和收缩过程中的频率变化来跟踪RVD的时间动态。此外，使用氯离子通道阻滞剂三苯氧胺抑制RVD，阐释2种细胞的浓度依赖性和抑制差异。通过QCM测量与细胞迁移实验相结合，说明RVD堵塞与抑制细胞迁移呈正相关，可揭示细胞RVD与细胞迁移的关系。这项研究为监测RVD和评估细胞迁移提供了无创、实时的新型传感器，有望成为诊断转移性癌症的新工具。

3 石英晶体微天平 (QCM)在环境监测中的应用

QCM目前也是免疫传感技术中比较流行的传感器，由于其简单、方便、成本低、实时响应快等特点，对生物分子的研究具有重要意义。利用高频QCM作为免疫传感器，可建立高灵敏度的传感器系统，用于检测微小数量的环境污染物或疾病标记物。FUNARI等[20]将定向抗体通过光子固定化技术固定在石英晶体微天平的金表面，实现了基于QCM的免疫传感器。使QCM对巴拉松(parathion)和棒曲霉素(patulin)的检测极限分别降低到50和140 nmol·L−1。巴拉松特异性是通过检测免疫传感器对类似巴拉松混合物的反应来进行的，而棒曲霉素的特异性是通过从苹果泥中提取真实样本来测试的。

近年来，二恶英、内分泌干扰物等引起的环境污染已成为严重的社会问题。基于环境保护、预防角度，需要了解这些环境污染物产生原因、扩散程度以及解决措施。KUROSAWA等[21]在综合考虑免疫传感器各组成部分的基础上，研制了便携式二恶英传感器，用于实际环境样品中TCDD(代表二恶英的参考化合物)浓度的检测。并且将QCM免疫传感器法与GC/MS(气相色谱-质谱联用仪)等环境监测方法的结果进行了比较，证明了QCM免疫传感器作为环境监测TCDD方法的有效性。并在QCM免疫传感器装置的几个候选元件中，对选定的QCM装置和振荡电路进行了全面的测试，最终开发出了高稳定和对频率信号敏感的QCM监测方法。

近年来，人类在太空活动的废弃物，已成为太空环境污染的主要来源之一，这些毫米级垃圾有可能穿透数毫米厚的舱壁从而威胁到高速飞行的航天器。现在的手段很难监控轨道上运行的大量毫米级和微米级的太空垃圾。DIRRI等[22]尝试在美国国家航空航天局空间运输系统(NASA STS)和卫星空间航天飞机飞行任务中，采用QCM技术，其目的是通过QCM监测卫星上的材料和导弹、火箭等载荷释放过程中产生的污染。因为产生的污染物可能会危及或恶化科学测量和性能，这对科学仪器(如光学、望远镜等精密仪器)在太空的正常运行至关重要。NASA、欧洲航天局(ESA)和日本航天局(JAXA)等航天机构已经着手解决这一问题，它们开展了许多不同的研究来监测空间环境中的物质逸出和降解。通过不同的监测技术比较，QCM传感器凭借精确监测污染环境的优点成为监测物质逸出和表征轨道上环境污染的手段。另外，QCM传感器可以通过对敏感仪器的污染和污染物质的降解情况进行评估，完成敏感仪器的洁净度评估。

环境空气质量的优劣是影响文物保存质量的重要因素，甲醛是主要污染气体之一，在一定条件下可以转变为甲酸，而甲酸的腐蚀性更严重，会影响到文物的保存和古迹的开发。建立操作简便、准确快速地气体检测分析方法是很有必要的。YAN等[23]将聚苯胺薄膜固定在石英晶体谐振器的银电极表面，得到了一种聚苯胺改性石英晶体微天平传感器，并研究了该传感器对不同浓度甲酸气体的检测。在线监测结果表明：QCM的谐振频率在接触甲酸气体时开始迅速下降，最后趋于恒定，随着甲酸气体浓度的增加，频率漂移减小得更快。QCM传感器的频率位移与甲酸气体浓度呈线性关系，可以用来估算实验浓度范围内甲酸气体的浓度水平。QCM传感器对甲酸浓度的不断升高做出的有效响应，在博物馆文物保护环境的实时检测中具有重要的现实意义和广阔的应用前景。

人造纳米粒子也称为工程纳米粒子(ENPs)，凭借其特殊属性，ENPs被广泛用于医药、电子、纺织、能源、食品、生命科学、化妆用品和环境修复等领域。向环境中排放大量的纳米粒子是不可避免的，ENPs一旦释放到环境中，就会经历一些化学、物理和生物上的转变，这些转变可能会影响它们的归属、转移和生物利用率。谈旭等[24]发现纳米颗粒对生态系统存在潜在的风险。通过QCM-D研究纳米颗粒在环境中的转移及其纳米毒理学正成为一个活跃的研究领域。AKANBI等[25]系统地研究了ENPs转化(如用天然有机质包覆或用天然胶体进行杂聚)对ENPs归属和转移的影响以及细胞外土壤酶(纤维素酶)对聚乙二醇涂层-二氧化钛纳米颗粒(PEG-nTiO2)沉积动力学的影响。采用QCM-D研究了在一定氯化钠浓度范围下PEG-nTiO2与裸露的二氧化硅表面、纤维素酶包覆二氧化硅表面以及游离纤维素酶的相互作用。研究发现纤维素酶的存在显著降低了PEG-nTiO2的沉积速率，这表明纳米颗粒与吸附在二氧化硅表面的纤维素酶层之间存在强烈的排斥作用。这项工作显示了ENPs在有细胞外土壤酶存在的地下环境中具有增强迁移的潜力，有必要进一步研究ENPs在有这些普遍生物分子存在时的命运和行为。

OZTURK等[26]在QCM上采用沉积法，合成了纯净的和掺杂钯(Pd)的氧化锌纳米棒，通过不同的掺杂浓度调控纳米棒的直径为100～200 nm，用于挥发性有机化合物(VOCs)传感器的室温测量，用于检测的VOCs包括醇类(乙醇、甲醇、异丙基)、酯类(乙酸乙酯)、芳香族(甲苯、二甲苯)、酮(丙酮)和氯仿。结果表明：除丙酮和氯仿外，随着钯掺杂浓度的增加，传感材料对VOCs的灵敏度均有所提高。而未掺杂的氧化锌纳米棒对丙酮和氯仿有较高的传感器响应，未掺杂和掺杂钯的纳米棒传感器对二甲苯的灵敏度最高。

KABIR等[27]将冷蒸汽技术与基于金纳米结构的QCM设备结合起来，开发出冷蒸汽集成石英晶体微天平(CV-QCM)技术，可选择性检测汞离子(Hg2+)。该方法首先将液体汞离子转化为元素汞(Hg)蒸气形式，再使用基于QCM高灵敏度的汞蒸气传感器来检测逐渐形成的汞。该方法不仅可以从溶液中分离出Hg，降低水中的氯化汞(HgCl2)浓度，重要的是，当测试汞离子(Hg2+)时，QCM传感器检测不受铅、镉、锰、铁和锌等金属离子的影响。

4 石英晶体微天平(QCM)在纤维素酶水解中的应用

纤维素的酶水解伴随着润胀、吸附、解吸等表面行为，对酶水解过程产生重要的影响。分析这些表面行为，对改进预处理和酶水解工艺、提高还原糖的转化效率具有重要指导作用。QCM-D是QCM结合能量耗散发展而来的，既继承了常规QCM的在线实时、无需标记、操作简单、灵敏度高等优点，还增加了耗散因子的检测功能[24]。与只能测量频率变化的传统QCM相比，QCM-D可以实时测定吸附层的质量和黏弹性行为[28]。

JOSEFSSON等[29]利用QCM-D研究了模型纤维素膜上真菌纤维素酶的活性。在旋涂制备的纤维素膜上通入不同的内切葡聚糖酶、纤维二糖水解酶及两者的混合酶，通过测定全过程频率和能量耗散的变化，及时反馈纤维素膜的黏弹性和厚度等变化，直观地反映了不同酶在纤维素上的润胀、吸附、解吸和酶水解的差异性。

SUCHY等[30]运用QCM-D监测了不同浓度的内切葡聚糖酶(EG-I)在一定厚度的无定型纤维素膜表面的快速降解作用，通过频率和能量耗散变化反映水解速率的快慢，同时还能反映水解相同时间后加入缓冲液对不同浓度酶降解能力的影响。

SAARINEN等[31]研究了黑果白菌Melanocarpus albomyces漆酶(MaL)和毛栓菌Trametes hirsute漆酶(ThL)2种漆酶对纤维素和木质素模型基质的吸附。用原子力显微镜(AFM)和X射线光电子能谱(XPS)对漆酶处理后的表面进行了分析。结果发现：MaL在纤维素上的吸附多于ThL，pH越低，漆酶在纤维素上的吸附量越高。通过QCM-D建立纤维素底物在特定pH(pH 4.5和pH 7.5)、不同酶浓度下频率和能量耗散间的关系，说明漆酶的吸附过程动力学、吸附量和酶浓度的相关性。

ZHANG等[32]利用QCM-D研究了抑制剂、pH和温度对纤维素吸附外切和内切葡聚糖酶(Cel7A和Cel7B)的影响。研究发现葡萄糖和纤维二糖的加入均能抑制Cel7A的水解活性，而只有纤维二糖能抑制Cel7B的水解活性。MAURER等[33]采用QCM-D分析了Cel7A和Cel7B在纤维素表面的竞争性吸附行为。发现在一定的浓度范围内，Cel7A和Cel7B酶浓度越高，用QCM-D观察到的频率下降越多，说明酶在纤维素表面吸附量越大。这些发现为有效调控纤维素酶的吸附奠定了基础，从而提高木质纤维素的转化和纤维素酶的回收率。

木质素的存在通常会对木质纤维素的酶解糖化产生不利影响。KUMAGAI等[34]采用亚氯酸钠处理，调整了木质素的含量。利用QCM-D对不同化学成分的木质纤维素纳米纤维(LCNFs)薄膜的酶吸附和降解行为进行了实时观察。QCM-D结果表明：反应初期的频率和耗散变化决定于纤维素的纯度。但LAI等[35]发现木质素对酶解的积极作用。从预处理木屑中依次分离出可提取木质素(EL)和磨木木质素(MWL)，其中MWL的分子量明显高于EL。利用QCM-D研究了木质素聚集对酶吸附的影响，结果表明：酶对木质素的吸附与木质素的结构特征密切相关。EL膜的最大酶吸附能力明显低于MWL膜，EL对不可逆酶的吸附明显低于MWL，EL的存在降低了不可逆酶对组装木质素膜的吸附率。这可能是通过阻断MWL上非生产性酶结合位点的机制实现的。由此得出，木质素结构的不同决定了酶与木质素之间相互作用的差异。

5 石英晶体微天平 (QCM)在电化学中的应用

电化学石英晶体微天平(EQCM)是利用压电效应原理，将压电传感器与其他电化学设备联用，把电极上微小的质量变化转换成频率变化显示出来的电化学装置。EQCM以物理化学性能极其稳定的石英材料为基底，铂为电极，对晶体表面质量变化具有极灵敏的频率响应，除了能够检测电极表面纳克级的质量变化外，还能同时测定电极表面电流、电量、阻抗和质量随电位的变化情况，是非常有效的电极表面动态分析方法，在电化学、生物医学、油田化学等领域均有很好的应用[36]。

魏晓妍等[36]利用EQCM研究几种长链烷基硫醇自组装单分子膜在金电极上的吸附和解吸行为。结果表明：在乙腈(ACN)和二甲基甲酰胺(DMF)自组装单分子层(SAM)形成过程中可观察到明显的差异，此外，亚硝基烷基硫醇在DMF中的沉积时间比在ACN中短得多。

魏晓妍等[36]还结合EQCM和扫描隧道显微镜(STM)技术研究氯化钯离子()在硫酸(H2SO4)溶液中金(Au)电极上的吸附和电化学还原行为。结果表明：钯(Pd)的电化学沉积以外延逐层生长模式进行，且配合物是以相同层的结构吸附在沉积的Pd层上，可以猜测配合物的吸附在大面积的钯催化层层生长中发挥重要作用，因为它抑制了垂直结构方向的生长从而影响了Pd层的横向生长。

利用QCM检测低分子量生物分子，需要提高其灵敏度。ASAI等[37]研究了基于QCM的阳极氧化铝(AAO)生物传感器。通过在草酸溶液中对铝薄膜进行阳极氧化，在石英晶体衬底上制备了AAO纳米传感器。通过改变阳极条件得到了纳米孔直径在40～80 nm的AAO纳米结构，其中纳米孔间距保持约100 nm。通过改变铝薄膜的沉积时间，AAO的厚度为200～1 000 nm。结果表明：基于QCM的AAO纳米结构传感器在检测抗原-抗体相互作用时，由于AAO纳米结构的存在，使得传感器的灵敏度随着表面积的增加而增加，成功地提高了传感器的传感性能。

DENIZ等[38]用QCM-D研究了逐层(LbL)自组装薄膜的共轭/非共轭聚电解质对、最终膜组分和黏弹性行为之间的相互作用。首先在柔性涤纶树脂-氧化铟锡(PET-ITO)衬底上基于阳极涂覆了变色聚苯胺(PAni)的LbL薄膜作为电极。其次，对这些薄膜在高氯酸锂/聚碳酸酯(LiClO4/PC)电解液中的电化学特性进行了研究。通过QCM-D和紫外分析，成功实现在工业的PET-ITO表面上制备具有阳极变色功能的聚苯胺基电致变色薄膜。该研究将有助于开发柔性可穿戴电致变色器件，特别是在薄膜变色速度快条件下的伪装等应用。

BEYKAL等[39]采用耗散型电化学石英晶体微天平(E-QCM-D)研究了两性蛋白质在一系列应用电位和表面电荷作用下的速率、范围和结构影响。通过控制pH和施加电位系统地改变吸附剂和吸附剂表面电荷，研究了两性牛血清白蛋白(BSA)对金电极的吸附，证实了当蛋白质与表面反向充电时，在金电极上应用电位的增加幅度与吸附质量的增加呈正相关。另外，发现BSA的吸附速率不受简单静电学的控制，而是取决于溶液的pH。

RALSTON等[40]采用EQCM研究了纯镁(Mg)传感器在稀氯化钠(NaCl)电解质中的溶解行为。在0.01 mol·L−1NaCl下，pH分别为3(缓冲)和6(未缓冲)，分别进行开路电位和电位动态极化实验。在pH为3的溶液中，Mg传感器在电化学测试中显示出净质量损失，而在pH为6的溶液中，Mg显示出净质量增加，这与氢氧化镁[Mg(OH)2]薄膜在其表面的生长相对应。由这种直接寄生生长的Mg(OH)2导致的电化学效率损失约17%～34%。这一损失与在初级镁电池放电过程中所报道的低容量和电压波动有关。

6 展望

QCM作为刚发展起来的微质量传感器，具有结构简单、可在线、实时动态监测、测量精度达到纳克级等特点，被广泛使用于生物、化学、物理等许多领域，用以进行微质量的测量、成分分析、薄膜厚度及黏弹性变化检测等。尤其是它能够在线实时监测微观过程的变化，获取大量丰富实时在线信息的特点，是其他方法无法比拟的。随着科技日新月异的发展，QCM仪器的简便快捷、高灵敏度、实时监测等优势，如果与其他技术结合，将成为微观过程与作用机理研究以及微质量物质的检测等方面十分有效的手段，并在更多领域获得更广泛的应用。