石英晶体微天平在手性识别中的应用

　　石英晶体微天平(Quartz crystal microbalance，QCM)是 20 世纪 60 年代发展起来的一种质量敏感型检测器，利用石英晶体谐振器的振荡频率变化与晶体表面的质量变化成正比的原理，可以检测到传感器表面纳克(ng)级的质量变 化，由于其具有灵敏度高、选择性好、成本低、装置简单、易于实现快速实时在线检测与集成化发展等优点，受到了各国科学家的重视，是目前传感器研究的热点之 一，已广泛应用于气味检测、药物分析、生物医学、材料表征等领域[1 -7]。目前，这些领域的研究不再局限于简单的定性和定量分析，而是已深入到反应机理、动力学监测等方面。

　　随着生命科学和生物工程的发展，手性拆分和手性识别引起了人们的普遍关注，研究对映体拆分与识别对于有机化学、医药工业和生命科学均具有十分重 要的意义。这是因为一种手性化合物的两种手性对映体虽然具有完全相同的理化性质，但其生化和药理作用却往往不同，甚至有相反的作用[8]。最典型的是沙利 度胺(Thalidomide)的两种对映体，R 构型对映体具有镇静作用，可消除妊娠反应; 而 S构型对映体具有严重的致畸作用，因此手性分离与检测非常重要。普遍采用的分离与检测手段有高效液相色谱(HPLC)、气相色谱(GC)、毛细管电泳 (CE)和旋光仪等[8 -12]。但这些仪器相对比较昂贵，操作繁琐且难以实现实时分析。因此发展简单、经济、快速、实时和在线的手性检测技术具有重要的现实意义，QCM 手性传感器就是其中一个重要的发展分支。本文综述了近年来 QCM 在手性识别领域的研究进展，并对 QCM 手性传感器今后的发展进行了展望。

　　1 石英晶体微天平的基本原理

　　QCM 传感器主要由石英晶体谐振器、振荡器、频率计数器、信号检测和数据处理、电源等部分组成[13]，典型的 QCM 实验装置示意图如图 1 所示。其中，QCM 的核心是石英晶体谐振器，其基本结构如图 2 所示。石英晶体谐振器是传感器的接收器和转换器，其基体为 AT - 切型的压电石英晶体，直径一般为10 mm 左右，在晶片两面中心镀有直径5 mm 左右的惰性金属( 常用的金属为金、银、镍、铬、铂等)作为电极。为提高选择性，常需在电极表面修饰具有特异选择识别功能的敏感薄膜。

　　基于质量效应的 QCM 传感理论是指在厚度剪切振动模式下，石英晶体表面的物质变化(增加或减少)导致晶体厚度的变化，因而引起晶体振动频率发生变化。1959 年德国物理学家 Sauerbrey 首先提出 了 频 率 变 化 (Δfg) 与 质 量 改 变ΔM 的 关系式[4，14]:

　　式中 f0为石英晶振的基频，Δfg为石英晶振在气相中的频率改变量，ΔM 为沉积到电极表面的物质的质量改变量，A 为工作电极的表面积，ρq为石英密度，μq为剪切模量。该式为 QCM 传感器的定量响应关系式，被称为 Sauerbrey 方程，该式在真空和气相条件下导出。当刚性沉积物的厚度基本均匀，且 Δf0< 2% f0时，Sauerbrey 方程成立。