德国3T analytik QCM-D原理简介

德国3T analytik QCM-D原理简介

        石英晶体微天平（Quartz Crystal Microbalance，QCM），顾名思义，就是通过石英晶体作为载体来进行吸附质量称量。之所以选择石英晶体是因为其具有一个重要的特性：压电性质。压电效应简单的讲就是给石英晶体一个交变电压信号后，晶体可以稳定的做横向的剪切振动。振动的频率非常稳定，可用作石英表等计时器。

       上图的实线为空芯片振动时的频率分布曲线，在该条件下有一个大振动频率f0，即为芯片的基频。当有物质吸附到芯片表面后，频率的振动曲线变为虚线所描述的状态，振动频率随着吸附过程的进行而变小到f1。右上图中黄色的曲线描述了频率随物质吸附而逐渐变小的过程。这也是我们QCM所能直接给出的个参数：△F。

同时注意到，物质吸附后的频率分布曲线除了有频率的偏移外，还会出现峰型变扁平的现象。这意味着一部分的振动能量以横波的形式向吸附物质传递。吸附物质吸收的振动能量越多，就意味着振动能量的耗散越大，则峰型越扁平。为了描述这一能量耗散的状态，我们引入了一个新的参数，耗散因子D，其物理意义为曲线的半峰宽，即峰强度一半的地方的峰宽度。能量耗散越大，峰越扁平，则耗散因子越大。右上图的蓝色曲线描述了耗散因子随物质吸附而逐渐增加的过程。

         所以，3T analytik提供的耗散型石英晶体微天平（QCM-D）可以同时获得物质吸附过程中频率的变化和耗散的变化。频率的变化可以转化为质量的变化，从而描述吸附物质的质量变化；而耗散变化则描述吸附层的粘弹性（或刚柔性）的信息。

        作为石英晶体微天平，我们更关注的是吸附物质的质量变化，而非频率的变化。因此如何将频率变化转化为质量变化也十分重要。20世纪50年代德国科学家Sauerbrey提出了上图中的公式，将频率变化与质量变化有机的联系起来。由于该方程中的比例系数均与石英芯片的性质相关，因此芯片确认后此参数的比例系数为常数，因此质量变化与频率变化成线性关系。

        耗散因子D描述了吸附层吸收石英晶体振动能量的能力。在此之前，首先解释一下粘弹性和刚柔性的概念。粘弹性是比较科学的说法，一般来讲，弹性模量（储能模量）是描述材料（固体为主）储存能量的能力，粘性模量（损耗模量）是描述材料（液体为主）能量散失的量度。粘弹性材料是介于固体和液体之间，宏观性质比较柔软的一类物质。刚柔性更多的是直观的描述，当吸附层比较致密，粘弹性比较小时，我们认为是刚性吸附层，反之则为柔性吸附层。

         对于刚性吸附层来说，由于吸附层可以随芯片的振动而同步振动，几乎没有能量传递给吸附层，也就是没有振动能量的耗散，因此如左上图所示，耗散因子的变化几乎为零。对于柔性吸附层而言，吸附层的粘弹性造成其无法随芯片进行同步振动，有一定的振动能量传递到吸附层，从而造成一定量的振动能量的损耗，因此如右上图所示，耗散因子变化较大。可以以寺庙的钟为例，镀金的钟可以视作是刚性吸附的表面，敲钟后钟体可以保持长时间的振动，能量几乎没有损耗向吸附层。而粘弹性的吸附层可以视作是在钟的表面覆盖一层泥巴，敲钟后钟会快速停止振动，能量大量的向粘弹性的表面损耗散失。

QCM-D应用方向

        QCM是一款非常普适的设备，但凡涉及到物质在某些材料表面的吸脱附，或者广义的吸脱附的情况，QCM均可适用。但同时也要注意到，QCM仅可研究在芯片表面存在相互作用（吸附/脱附）的物质，不与表面相互作用则无法测量。

        上图简单的描述了QCM主要关注的研究方向，可以分为三大类：

表面吸脱附可以分为狭义和广义两类。狭义吸脱附可参见上图左上行的示意，仅仅指物质向材料表面吸附，从而在材料表面形成吸附层，造成质量增加（频率下降），耗散因子增加或不增加；或者已有吸附层脱附，造成质量减小（频率下降），耗散因子也随之变化。广义的吸脱附可参见上图左上第二行的示意，可以预先在芯片的表面负载层物质，再研究第二种物质对于预先负载表面的吸附。

        吸附的方式可以是形成化学键，或靠静电引力、范德华力等方式与芯片有确定的结合。无法与表面有相互作用的材料则无法研究。

        表面反应主要是指已经吸附或负载在芯片表面的吸附层，在外界条件变化的前提下，发生结构或构型的变化，常见的是构型转变以及水合/交联作用。

        构型转变一般是在吸附层为蛋白质或DNA等生物大分子时，由于外界条件（温度、酸碱性）刺激或小分子刺激的情况下，蛋白质三维结构发生变化。此时，由于吸附层的物质并未发生吸脱附，质量（频率）应该变化不大。构型的变化将会大的改变吸附层的粘弹性，因此耗散因子将会由明显变化。这也是耗散型石英晶体微天平特有的功能亮点。

       水合/交联作用主要体现在高分子材料上，当改变高分子材料的静电环境后，高分子吸附层会塌缩或者膨胀，在此过程中涉及到结合水的丧失或增加，并且会改变吸附层的粘弹性。QCM技术的另外一个亮点就是可以测量结合水的重量，所以此时会涉及频率的增加（水合）或减小（交联），以及耗散因子的增加（水合）或减小（交联）。这也是DQCM的亮点之一。

QCM之所以能够进行本体粘度的研究，主要是关注液体流经芯片表面时，液体粘度的差异造成芯片振动阻力的变化，从而使得芯片振动频率减小。不过对于液体粘度，市场上有粘度计等更专业的设备，我们不做重点推介。