基本原理

　　石英晶體微天平最基本的原理是利用了石英晶體的壓電效應(yīng)：石英晶體內(nèi)部每個(gè)晶格在不受外力作用時(shí)呈正六邊形，若在晶片的兩側(cè)施加機(jī)械壓力，會(huì)使晶格的電荷中心發(fā)生偏移而極化，則在晶片相應(yīng)的方向上將產(chǎn)生電場(chǎng);反之，若在石英晶體的兩個(gè)電極上加一電場(chǎng)，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)晶片的機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。在一般情況下，晶片機(jī)械振動(dòng)的振幅和交變電場(chǎng)的振幅非常微小，但當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特定值時(shí)，振幅明顯加大，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振。它其實(shí)與LC 回路的諧振現(xiàn)象十分相似：當(dāng)晶體不振動(dòng)時(shí)，可把它看成一個(gè)平板電容器稱為靜電電容C，一般約幾個(gè)PF 到幾十PF;當(dāng)晶體振蕩時(shí)，機(jī)械振動(dòng)的慣性可用電感L 來(lái)等效，一般L 的值為幾十mH 到幾百mH。由此就構(gòu)成了石英晶體微天平的振蕩器，電路的振蕩頻率等于石英晶體振蕩片的諧振頻率，再通過(guò)主機(jī)將測(cè)的得諧振頻率轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出。由于晶片本身的諧振頻率基本上只與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸有關(guān)，而且可以做得精確，因此利用石英諧振器組成的振蕩電路可獲得很高的頻率穩(wěn)定度。

　　1959 年 Sauerbrey 在假定外加持量均勻剛性地附著于QCM 的金電極表面的條件下，得出了QCM 的諧振頻率變化與外加質(zhì)量成正比的結(jié)論。對(duì)于剛性沉積物，晶體振蕩頻率變化△F 正比于工作電極上沉積物的質(zhì)量改變△M。通過(guò)這一關(guān)系式可得到QCM電極表面的質(zhì)量變化。

　　主要構(gòu)造

　　QCM 主要由石英晶體傳感器、信號(hào)檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理等部分組成。石英晶體傳感器的基本構(gòu)成大致是：從一塊石英晶體上沿著與石英晶體主光軸成35°15切割(AT—CUT)得到石英晶體振蕩片，在它的兩個(gè)對(duì)應(yīng)面上涂敷銀層作為電極，石英晶體夾在兩片電極中間形成三明治結(jié)構(gòu)。在每個(gè)電極上各焊一根引線接到管腳上，再加上封裝外殼就構(gòu)成了石英晶體諧振器，其產(chǎn)品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。

　　石英晶體微天平的其他組成結(jié)構(gòu)在不同型號(hào)和規(guī)格的儀器中也不盡相同，可根據(jù)測(cè)量需要選用或聯(lián)用。一般附屬結(jié)構(gòu)還包括振蕩線路、頻率計(jì)數(shù)器、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等;電化學(xué)石英晶體微天平在此基礎(chǔ)上還包括恒電位儀、電化學(xué)池、輔助電極、參比電極等;另外經(jīng)常加裝一些輔助輸出設(shè)備，例如顯示器、打印機(jī)等。

　　應(yīng)用及展望

　　QCM(Quartz Crystal Microbalance)作為微質(zhì)量傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、振動(dòng)Q值大、靈敏度高、測(cè)量精度可以達(dá)到納克量級(jí)的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于化學(xué)、物理、生物、醫(yī)學(xué)和表面科學(xué)等領(lǐng)域中，用以進(jìn)行氣體、液體的成分分析以及微質(zhì)量的測(cè)量、薄膜厚度的檢測(cè)等。根據(jù)需要，還可以在金屬電極上有選擇地鍍膜，進(jìn)一步拓寬其應(yīng)用。例如，若在電極表面加一層具有選擇性的吸附膜，可用來(lái)探測(cè)氣體的化學(xué)成分或監(jiān)測(cè)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行情況。隨著生物科學(xué)的蓬勃發(fā)展，QCM作為基因傳感器在生物領(lǐng)域的應(yīng)用有著廣闊前景。

　　QCM具有在線跟蹤檢測(cè)微觀過(guò)程的變化，獲取豐富的在線信息的優(yōu)點(diǎn)，是其他方法無(wú)法比擬的。這項(xiàng)技術(shù)以其簡(jiǎn)便、快捷、靈敏度高、在線跟蹤等優(yōu)勢(shì)，必將與其他技術(shù)結(jié)合成為微觀過(guò)程與作用機(jī)理研究，微量、痕量物質(zhì)的檢測(cè)等方面十分有效的手段，獲得廣泛應(yīng)用，并從簡(jiǎn)單的濃度測(cè)定深入到動(dòng)力學(xué)過(guò)程機(jī)理的研究。