“固化水层”模型拓展石英晶体微天平的应用.pdf

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1、第41卷分析化学(FENXIHUAXUE)评述与进展第6期2013年6月ChineseJournalofAnalyticalChemistry956～962DOI：10．3724／SP．J．1096．2013．20759“固化水层"模型拓展石英晶体微天平的应用顾莉娟汪杰马宏伟(苏州工业园区生物产业发展有限公司，苏州215123)(中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，生物医学部，苏州215123)(中国科学院生物物理研究所，北京100101)(中国科学院大学，北京100049)摘要石英晶体微天

2、平(QCM)在液态环境下的应用一直由于数据分析复杂而受到限制。最近，我们提出了“固化水层”模型(SLL)以简化QCM数据分析过程。本文进一步提供了SLL模型的有关数据。根据SLL模型，1HzQCM频率信号对应于0．18nnlsLL层厚度的变化，而大多数商业的QCM均可以达到该精度。因此，根据SLL模型设计的检测方案将具有很高的灵敏度。QCM作为生物传感器的应用也得以拓展，可以相信SLL模型将大大增强QCM的分析能力。关键词石英晶体微天平；固化水层；生物传感器；评述1引言石英晶体微天平(Quart

3、zcrystalmicrobalance，QCM)是一种具有较长历史且已被深入研究和广泛应用的仪器，一些研究者认为QCM已没有进一步研究的价值。例如，除了用于监测表面上多层组装以外-31，QCM已逐渐淡出高分子研究领域。另一方面，与取得巨大商业成功的表面等离子体共振(SPR)相比较，QCM由于其有限的检测灵敏度和数据分析的复杂性而显得乏善可陈。QCM在液态环境中检测得到的芯片的频率变化值(即QCM信号)是由芯片表面质量改变与溶液粘弹性改变共同引起的，将两个因素进行分离研究很困难J。为了单独研究芯

4、片表面质量的变化，排除溶液粘弹性因素的影响，新的理论模型不断被提出，QCM硬件设备也进行了一定的改进，但是仍不能满足要求_8。近期，本研究组提出了“固化水层”模型(Solidifiedliquidlayer，SLL)。，并且应用该模型成功拓展了QCM的应用，Ⅷ。研究发现，QCM频率变化和表面接枝的高分子膜的厚度呈线性关系(F．)’j，而且发现该F—线性关系的关键是采用了表面引发聚合(Surfaceinitiatedpolymerization，SIP)的研究策略。SIP对于SLL模型的意义就如同

5、热蒸镀加工技术对于Sauerbrey方程的意义：Sauerbrey方程第一次指出对于真空中超薄金属膜层，之间呈线性关系；热蒸镀加工真正实现了厚度上纳米尺度可控的超薄金属膜的制备，验证了Sauerbrey方程关于超薄金属膜层F的线性关系。此外，QCM在真空镀膜领域作为在线厚度监测设备已取得成功，并在表面质量检测和化学检测方面得到了较广泛的应用_2l’。Huck组和本研究组最早尝试了使用QCM监测SIP过程。研究发现，通过SIP在液态环境下在表面上固定高分子层，其厚度在纳米尺度上也可控，因而发现了F

6、—之间的线性关系’J，据此逐步建立了表面多层膜结构分析的简单物理模型，建立了SLL模型_5J。2QCM模型的建立液态环境下测到的QCM共振频率主要由表面多层结构决定⋯，，在这里简化为两层，如图1所示。层I的厚度相对于声波的穿透深度是无限大的，该层的粘性为田，密度为P，下标L指在液态环境中；层Ⅱ有4个参数，弹性，粘性叼，密度JD和厚度，下标f指高分子膜层。当QCM在液态环境中使用时，下述4个状态的频率非常重要，如图2所示，状态1为处于空气中的2012-07-20收稿；2012—12-22接受本文系

7、国家自然科学基金(Nos．21074148，21174161)资助项目E—mail：jwang2009@sinano．ac．ca第6期顾莉娟等：“固化水层”模型拓展石英晶体微天平的应用959pHEMAcooH)羧基化后的产物以及poly(oligo(ethyleneglyco1)methacrylate-ran-2一hydroxyethylmethacry—late)(pOEGMA_r．HEMA0。)羧基化后的产物)，应用椭圆偏振和QCM分别测量随着NaC1溶液的浓度升高而改变的数据。在NaC1

8、溶液中，表面上电解质聚合物的高分子层厚度u可按方程(6)计算得出，u在图4b和e中以黑色三角形表示。随着溶液中NaC1浓度提高而增大，符合我们此前的实验数据。㈤．一．-．(b)200童150薯100500102O300600cI(mmol／L)图4QCM测量得到的LL数据和椭圆偏振数据相符合ⅢFig．4rslJLcalculatedbySLLmodelisconsistentwithellipsometryresult[17]a．固定于表面的弱电解质聚合物随着NaCL溶液的浓度提高而溶胀变强．b