石英晶体微天平在生物医学中的应用

 生物医学方面，在QCM探头电极上修饰具有生物活性的特异选择功能膜即作了压电晶体生物传感器,因其对质量变化的高敏感性，传感器具有特异性好、灵敏度高、成本低廉和操作简便等优点。现已广泛应用于分子生物学、病理学、医学诊断学、细菌学等研究领域,今年来在研究和检测蛋白质、微生物、核酸、酶、细胞等方面都发挥了重要的作用，具有广阔的发展前景。
1、蛋白质检测：
QCM法检测蛋白质是基于免疫反应原理建立,在石英电极表面固定抗原/抗体,与待测溶液中的特异性抗体/抗原发生免疫结合,形成的复合物沉积在电极表面,引起石英晶体振荡频率下降利用抗原-抗体免疫结合反应引起质量变化而制成的石英晶体微天平。目前QCM技术已应用于免疫球蛋白、白蛋白、纤维蛋白(原)及降解产物、补体、酶蛋白、甲状腺素、人绒毛膜促性腺激素及皮质醇等检测。基于压电石英晶体液相振荡的实现，对反应体系实施采样、进行连续监测，1996年的时候，我国有科研人员研究了IgM免疫放映中IgM 抗原在固体抗体表面吸附过程，推导了抗原过量情况下的反应动力学方程，首次计算了免疫反应的Arrhenius活化能，理论推导与实验结果相吻合。近年来，瑞典Q-sense AB 公司开发了QCM-D技术，此技术的核心是石英晶体传感器。在电极两端加入一个交流电压，在石英晶体传感器的共振频率处引发一个小的剪切振动，当交流电压关闭后，振动呈指数衰减，这个衰减被记录下来，得到共振频率(f)和耗散因子(D)两个参数。每秒钟获得多个频率和耗散因子数据，可方便用于反应动力学的计算。与放射免疫法、酶联免疫法相比，具有更好的选择性、更宽的线性范围，且不需要生物分子标记。
2、微生物：
利用细菌抗原-目标细菌抗体相结合的原理，对细菌进行检测。1992 年，Plomer等人首次用这种方法检测到了肠球菌，现已大规模发展，掌握了对白色念珠菌、大肠杆菌、沙门氏菌、霍乱弧菌等多种细菌的检测手段。Fung等人改进了抗体在奠基表面的吸附过程，使其凝聚，工作范围达到了102 ～105 cells/L,检测限1. 7 ×102cells/L。应用广的病毒检测法是将病毒抗原固定在电极表面的QCM技术检测待测溶液中的病毒抗体。有学者经葡萄球菌蛋白A将病毒的单克隆抗体固定在QCM电极上，直接检测病毒颗粒(5*104~1*109/石英晶体表面)。与酶标免疫反应检测法相比，除了无分子标记外，假阳性反应也可以降低很多。目前用于检测柯萨奇病毒、肝炎病毒、疱疹病毒、登革热病毒及HIV等感染性疾病。石英晶体微天平对粘度和密度的响应，利用涂有固体培养基薄膜的QCM，通过对加入菌液后明胶培养基薄膜溶解后凝固过程的测定而间接测定微生物。
3、核酸：
1988 年Fawcett 等首次采用QCM 技术测定RNA /DNA分子杂交反应,从而开创了DNA 压电传感器研究酶的先例。DNA压电传感器工作原理就是将ssDNA探针固定在电极表面,然后浸入含有目标ssDNA 分子的溶液中。当电极上的核酸探针与溶液中目标ssDNA分子杂交后,晶体表面质量增加而引起振荡频率的降低。QCM法检测核酸技术的大优点是操作简便、快速,特别在人工培养难度大、鉴定过程复杂的病原微生物的实验诊断中发挥了重要作用。此外，石英晶体微天平还用于基因突变的检测。在QCM电极表面涂抹MutS，一种与dsDNA 分子中错配碱基对结合的蛋白，如果目标dsDNA分子存在错配，就会发生结合反应，产生复合物沉积，可以检测单碱基突变和1~4 个碱基对的插入突变。
4.凝血因子：
常规的方法是以血浆凝固反应为基础，观测反映体系中黏度、光密度的变化判定反应的终点，由于实验者肉眼观察、手工操作的不一致性，存在着很多的不利。而利用QCM检测凝血因子活性，使用10MHz 镀银石英晶体，通过实时变化判断起点和终点，此法快速、准确、低成本。
5. 细胞检测：
目前主要两个应用，一是通基于受体-配体的亲和反应，建立QCM系统检测多种血液中细胞含量。另一是肿瘤细胞的检测，把胞外基质蛋白固定在压电石英电极上,在整合素介导下,待测的人卵巢癌细胞与胞外基质蛋白发生粘附作用。形成胞外基质蛋白-整合素—癌细胞的三明治样结构,电极质量的增加与电极振荡频率的下降改变符合Sauerbrey 方程。