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石英微天平分析仪(QCM)原理

QCM芯片

2018/01/23

生命科学仪器综合讨论

1934年在引入了AT切割晶体后，在所有的频率控制应用中，石英晶体成为主流趋势。AT切割晶体的优点是在室温下，它对温度几乎没有频率漂移。自很早石英谐振器开始用作频率控制元件以后，在电极上划铅笔标记来增加谐振器的频率或者用橡皮擦去一些电极材料来减少频率已是普遍做法。这种对质量导致频率移动的理解仅仅建立在定性基础上的。然而在1959年，Sauerbrey发表论文指出石英谐振器频率的移动与增加的质量成正比例。他此发现通常被看作是一个突破，迈出了利用一种新的定量方法来测量微量物质的第一步，例如石英微天平。

人们把QCM描述成一个超灵敏的质量传感器，它的核心部件是夹在一对电极中的AT切割石英晶体。在电极与振荡器连接并施加交流电压之后，石英晶体因为压电效应会以它的谐振频率振荡。因为高质量的振荡，所以振荡通常会很稳定。
根据Sauerbrey公式，如果在一个或两个电极上均匀地制备一个硬层，谐振频率的衰减与被吸附层的质量成正比。

△f：所要测定的频率变化量
f0：石英的固有频率
△m：单位面积的质量变化量(g/cm2)
A：压电活性面积
rq：石英的密度=2.648g/cm3
m q：石英的剪切模量=2.947×1011g/cm×s2.

以下几种情况不适用于Sauerbrey公式：
1) 被吸附的物质在电极表面上呈非刚性状态；
2) 被吸附的物质在电极表面上滑动；
3) 被吸附的物质在电极表面上沉积的不均匀；

因此，Sauerbrey公式仅严格适用于均匀、同质、刚性薄膜的沉积。由于这个原因，很多年来，QCM仅仅被视为气相物质的检测器。直到二十世纪80年代，科学家们才认识到如果石英完全浸入液体中，也能受激发产生稳定的振荡。Kanazawa及其合作者对QCM在液相中测量方面做了许多开拓性的工作，他们指出QCM从空气进入到液体时，它的谐振频率的变化是与液体的密度与粘度乘积的平方根成正比例的，如下式。

△f：所要测定的频率变化量
fu：石英的固有频率
rL：与石英接触的液体的密度
h L：与石英接触的液体的粘度
rq：石英的密度=2.648g/cm3
m q：石英的剪切模量=2.947×1011g/cm×s2.

当人们发现过量的粘性载荷并不妨碍在液体中使用QCM，而且它对固-液态中质量的变化仍然非常灵敏，QCM就被用于直接与液体和/或粘弹性的薄膜进行接触来评估物质量和粘弹性特征的变化。甚至在空气或真空中，各层的振幅衰减可看为忽略不计或极其微小，因此它可用于探查石英上的耗散过程，尤其适用于沉积在石英表面的软性凝聚态物质，如厚的聚合物层。

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