石英晶体微天平(QCM)在
QCM培训课件
xx年xx月xx日
目录
• QCM概述 • QCM基础模型 • QCM在质量管理中的应用 • QCM的实践案例分析 • QCM的未来发展趋势 • QCM培训总结与答疑
01
QCM概述
QCM的定义
Quantitative Compositional Measurement (QCM)：定量组分测量是一种通过 分析手段，对材料中一种或多种组分的含量进行定量分析的方法。
总结
QCM有助于组织识别和分析潜在风险，并制定针对性解决方案，从而提高安全管理水平 。
案例二：奥迪V6 TDI发动机排放造假
01
事件背景
2015年9月，奥迪公司承认在其V6 TDI发动机上使用了非法软件，以
逃避排放检测，涉及11万辆汽车。
02
QCM应用
奥迪公司运用QCM方法对事件进行深入分析，发现公司内部管理存
工作原理
石英晶体振荡器受到外加质量作 用时，振荡频率发生变化，通过 测量频率变化，推算样品的质量 变化
应用范围
各种材料中一种或多种组分含量测 定，特别适合于微量、痕量组分测 定
02
QCM基础模型
基础模型介绍
01
石英晶体微天平（Quartz Crystal Microbalance, QCM）是一种基于石英晶体 振荡器的高灵敏度质量传感器，用于测量气体和液体的质量变化。
耗散型石英晶体微天平在生物医用高分子材料中的应用
耗散型石英晶体微天平在生物医用高分子材料中的应用
孙㊀彬ａꎬｂ㊀吕建华ｂ㊀金㊀晶ｂ∗㊀赵桂艳ａ∗
(ａ辽宁石油化工大学化学化工与环境学部㊀辽宁抚顺１１３００１ꎻｂ中国科学院长春应用化学研究所ꎬ高分子物理与化学国家重点实验室㊀长春１３００２２)
摘㊀要㊀石英晶体微天平(ＱＣＭ)是一种基于石英晶体压电效应的分析检测技术ꎬ可实时在线提供石英晶体表面吸附层质量㊁厚度㊁粘弹性等信息ꎬ由此获得表面分子相互作用关系ꎮ耗散型石英晶体微天平(ＱＣＭ￣Ｄ)因其独特的对粘弹性的解析ꎬ使其在高分子材料中的应用迅速发展ꎬ尤其是生物医用高分子材料领域ꎬ已用来评价生物医用高分子材料的表界面相互作用ꎬ力学和生物相容性等ꎮ本文简单介绍了耗散型石英晶体微天平的基本原理及理论模型ꎬ重点综述了近几年ＱＣＭ￣Ｄ在高分子链构象㊁蛋白质吸附㊁生物大分子相互作用㊁药物释放以及水凝胶中的应用ꎬ并且展望了ＱＣＭ￣Ｄ的未来发展趋势ꎮ
关键词㊀耗散型石英晶体微天平ꎻ生物医用高分子材料ꎻ粘弹性
中图分类号:Ｏ６３１㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀㊀㊀文章编号:１０００￣０５１８(２０２０)１０￣１１２７￣１０
ＤＯＩ:１０.１１９４４/ｊ.ｉｓｓｎ.１０００￣０５１８.２０２０.１０.２０００７８
２０２０￣０３￣１９收稿ꎬ２０２０￣０４￣２６修回ꎬ２０２０￣０５￣２２接受国家自然科学基金(５１６７３１９６ꎬ２１６７４１１５)㊁辽宁石油化工大学国家级科研项目培育基金(２０１６ＰＹ￣０１４)㊁辽宁石油化工大学引进人才科研启动基金(２０１６ＸＪＪ￣００１)和辽宁省教育厅科研基金(Ｌ２０１９０１３)资助通讯联系人:赵桂艳ꎬ副教授ꎻＴｅｌ:０２４￣５６８６１８６５ꎻＦａｘ:０２４￣５６８６１７０９ꎻＥ￣ｍａｉｌ:ｇｙｚｈａｏ＠ｌｎｐｕ.ｅｄｕ.ｃｎꎻ研究方向:聚合物共混改性ꎬ高分子材料高性能化
石英晶体微天平
600 loading
400
200
0
-200
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0
10
G
12 MHz 0.6
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28 MHz 0.4
36 MHz
unloading 0.2
0.0
f
20 30 time [min]
-0.2 -0.4 40
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G
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J
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overtone order n
13
J' (GPa-1) f
5. Adsorption kinetic 吸附过程 硫醇的吸附动力学过程
Pan, W. et al. Langmuir 1996, 12, 144469
df i dG i i h 1 h 1 i
f0
Zq
Zq 2
4. Soft film in liquid-viscoelastic effect
d f d f idG i
i
f0
f0
Z q Zload
测定DMMP的PMPS-QCM传感器的研究
测定DMMP的PMPS-QCM传感器的研究
胡佳;杜晓松;谢光忠;应智花;刘忠祥;蒋亚东
【期刊名称】《传感技术学报》
【年(卷),期】2008(021)001
【摘要】研究了新型敏感材料PMPS对神经性毒剂模拟剂甲基膦酸二甲酯(DMMP)的响应特性.在石英晶体微天平(QCM)的电极上滴涂上PMPS溶液得到敏感膜,发现QCM当响应、恢复时间为30-60 s时,可以产生大约11.83
Hz/ppm(ppm i.e.×10-6)的频率响应,理论上LOD为0.25 ppm(ppm i.e.×10-6),并具有较好的重复性和选择性.该实验结果表明,与PVDF相比,PMPS是一种更适宜检测DMMP的敏感材料.
【总页数】4页(P1-4)
【作者】胡佳;杜晓松;谢光忠;应智花;刘忠祥;蒋亚东
【作者单位】电子科技大学,光电信息学院,电子薄膜与集成器件国家重点实验室,成都,610054;电子科技大学,光电信息学院,电子薄膜与集成器件国家重点实验室,成都,610054;电子科技大学,光电信息学院,电子薄膜与集成器件国家重点实验室,成都,610054;电子科技大学,光电信息学院,电子薄膜与集成器件国家重点实验室,成都,610054;电子科技大学,光电信息学院,电子薄膜与集成器件国家重点实验室,成都,610054;电子科技大学,光电信息学院,电子薄膜与集成器件国家重点实验室,成都,610054
【正文语种】中文
【中图分类】TP212.3
【相关文献】
1.EG/MRP/DMMP协同阻燃硬质聚氨酯泡沫塑料的性能研究 [J],
石英晶体微天平原理
石英晶体微天平原理
石英晶体微天平（Quartz Crystal Microbalance，简称QCM）
是一种利用石英晶体的振荡频率变化来测量微量物质质量的分析仪器。其工作原理是基于石英晶体微振器在质量变化时引起谐振频率的变化。
石英晶体是一种具有垂直电极和涂有一层金属电极的薄膜石英技术器件。在标准条件下，石英晶体具有特定的谐振频率，当质量发生变化时，石英晶体的谐振频率也会发生相应的变化。这个质量的变化可以是溶质吸附、膜生长、能量转换等引起的。
石英晶体微天平的主要部分包括石英晶体和振荡电路。石英晶体被放置在真空或气体环境中，通过电极与振荡电路相连。当外加交流电场施加到石英晶体上时，晶体将发生机械振荡，并产生电荷分布，从而使晶体表面产生一定的驱动力。这种驱动力可以通过检测电路检测出来，并转换成电信号。
石英晶体微天平利用石英晶体的材料特性和电极结构，通过测量振荡频率的变化来定量分析溶液中微量物质的吸附、反应和生长过程。当溶液中存在微量物质时，这些物质会在石英晶体的表面上吸附或反应，并改变晶体的质量。质量的变化将引起石英晶体的共振频率的改变，这个频率的变化与溶液中微量物质的质量变化成正比。
QCM主要分为自由振动和受控振动两种模式。在自由振动模
式下，石英晶体将自由振动，而在受控振动模式下，通过将交流电场施加到电极上，通过调节频率和振幅来控制石英晶体的
振荡。这样可以通过控制石英晶体的振荡来监测微量物质的吸附和反应过程。
石英晶体微天平在生物医学、环境监测、材料科学等领域具有广泛的应用。例如，它可以用于研究蛋白质的吸附、细胞的生长、药物的吸附和释放等过程。由于其高灵敏度、快速响应和无需标记的特点，石英晶体微天平已经成为一种非常重要的表征和分析技术。
QCM
结
构
QCM支架温控系统和 液体池的实物图
QCM晶片两面的实物图
应
免疫传感器：
用
将特定的抗原(或抗体)固定于QCM的电极表面，当试剂中含有与其 对应的抗体(或抗原)时，两者之间就会相互结合，引起QCM表面电 极质量的变化。通过质量变化引起的谐振频率变化就可判断待测试 剂中是否含有与QCM电极表面的抗原(或抗体)相对应的抗体(或抗 原)。
应
电化学传感器：
用
QCM电化学传感器不仅具有操作简单、实时性好等QCM 所固有的优势，而且是QCM的一个非常有特色的应用。当 QCM用作电化学传感器时，其表面的电极具有QCM工作电 极，和电化学工作电极双重身份。即QCM可以同时追踪电 化学反应中的质量变化和电荷变化。QCM的这一优势是其 作为电化学传感器所无可比拟的。QCM电化学传感器可以 用于研究电极表面的各种氧化还原反应，监测电极物质的 淀积和溶解，还可用于分析导电聚合物在QCM电极表面的 反应情况等。
基本原理
1880年居里兄弟发现在各向异性的晶体表面上施加一定的压力，就
会在晶体两表面间产生电压，电压值大小与压力成正比。原因是由于
各向异性的晶体在结构上属于非中心对称的空间群物质，当有外力作 用时会发生形变，晶体内部原子发生位移，产生极化现象，同时使晶 体表面上产生电荷，从而将机械能转化为电能，这一现象叫做正压电 效应。
石英晶体微天平资料
主要是用来进行微质量的测量，精度 可以达到纳克级，具有灵敏度高,稳定性好、 通用性高、工作温度范围宽、尺寸小、耐 振动性能强等优点。目前，随着研究的不 断深入，QCM已经被广泛应用于液相、固 相、气相中进行各种物质成分的研究和分 析。在生物医学，化学，环境监测，航天 航空等领域有着广泛的应用和广阔的前景 和较高的科研价值。
可行性分析
选题依据
创新点、关键技术
项目简介 研究方案 预期目标
预期目标
1.本小组为此次科研活动准备了充足的资料，包括国内重点院校的研究成果， 本校专业老师的指导和耐心讲解，以及本项目的研究生学长的介绍和样机展示。 对石英晶体微天平的工作原理及结构设计有了一定的了解，对研究方向、步骤 都有了很好的把握。 2.指导老师在电路研究方面有多年的经验，是本学院电子电气专业带头人、具 有较强的专业性，曾指导过的许多科研国创小组都取得了优秀的科研成果，作 为第一作者发表了许多专业的学术论文并编写过电子线路等大学物理专业课教 材。 3.我们已经通过实验测得了粉尘质量和振荡频率的关系，为接下来的研究奠定 了良好的基础。
创新点、关键技术
作品简介
研究方案
预期目标
课选题背依景据
国内： 起步阶段 跟踪成果
研究分散 稳定性不好
PowerPoit 2003
石英晶体微天平物质结构
ΔF = - 2 F02ΔM/A（qq）1/2
ΔF：石英晶体的频率改变量,又称频移值 （Hz）；F0:石英晶体的基频；ΔM：沉积在 电极上的物质的质量改变（g）；A：工作电 极的面积; q:剪切参数（2.951010 kg·m-1·s-2）; q：石英的密度（2648 kg·m-3）。
可以看出，频移值ΔF与质量改变ΔM之间有一简 单的线性关系，负号表示质量升高，频率降低。
23
流体通过剪切模式的声波传感器装置示意图
24
Liquid flow cell
• 70 uL flow through reservoir
• 1 ml static reservoir
• O-ring seal • Resists harsh
chemicals • Low stress design
26
当晶体被浸入到溶液中，振荡频率取决于 所使用的溶剂。当覆盖层比较厚时，频率 f 和质量变化 Dm 之间是非线性的，需要 修正。
27
当石英晶体振荡与流体接触时，晶体表面 对流体的耦合极大地改变振荡频率，并在 晶体与流体接触面附近产生一剪切振动。 振动表面在流体中产生平流层，它导致 频率与(h)1/2成比例降低，这里和h分别 是流体的密度和粘度。
18
1959年，Sauerbrey指出，石英晶体振荡 频率的变化与晶体的质量堆积密切相关。 因此，对于气相中分析物的检测，频率变 化与质量变化有一简单的相关：
QCM石英微天平
QCM石英微天平
名目
一、什么是石英微天平(QCM)?
二、QCM的应用
三、KSV QCM500的工作原理
四、KSV-QCM500的特点及技术参数
五、实例
一、什么是石英微天平(QCM)?
因此，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，因此振荡通常会专门稳固。
依照Sauerbrey公式，假如在一个或两个电极上平均地制备一个硬层，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.
以下几种情形不适用于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平均；
因此，Sauerbrey公式仅严格适用于平均、同质、刚性薄膜的沉积。由于那个缘故，专门多年来，QCM仅仅被视为气相物质的检测器。直到二十世纪80年代，科学家们才认识到假如石英完全浸入液体中，也能受激发产生稳固的振荡。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
石英晶体微天平的新进展
No. 1 2 3 4 5 6 7 8 QCM/I
、DNA 单链以及杂交信息[26,
27]
. 进一步研
QCM 和其他技术联用情况总结
Tech.
125
labelization
32
QCM (Network analysis)/P labelization QCM/SPR QCM/SPR QCM/SPR QCM/ellipsometry/SPR (independently) QCM/SAW/SPR/AFM (QCM simultaneously with AFM, SAW with SPR) QCM/anomalous reflection
① 北京大学工学院生物医学工程系, 北京 100871 ② 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所, 苏州 215123 *通讯作者, E-mail: hwma2008@sinano.ac.cn 收稿日期: 2011-06-14; 接受日期: 2011-07-01; 网络版发表日期: 2011-09-01 doi: 10.1360/032011-381
① ② ② ② ② ② ② ②*
摘要
石英晶体微天平(quartz crystal microbalance, QCM)是一种对界面变化敏感的仪器,
它已经在物理、化学、生物学、药物学、临床医学、环境科学等学科的界面问题研究中得 到了一定的应用. 然而, QCM 在液相下的应用和推广一直受限于 QCM 数据定量解释的困 难. 为此, 科研工作者发展了多种高级的 QCM, 比如带阻抗分析功能的 QCM (impedance QCM, i-QCM)或带能量耗散监测功能的 QCM (QCM with dissipation, QCM-D), 同时还发展 了许多相应的理论模型. 但是, 对于多数生物、化学工作者来说, 这些理论过于复杂. 这极 大地限制了 QCM 的推广和潜力发挥. 本文以我们小组在 QCM 方面的研究工作为线索, 对 已报道的分析方法、 模型和方程按 5 类应用条件进行了整理, 给出了明确的界定标准: 它们 是: 1, 固-气界面; 2, 牛顿流体; 3, 固-液界面的薄膜; 4, 固-液界面厚膜; 5, 固-液界面超厚 膜. 对于每一类情况, 我们将用通俗易懂的语言描述如何对 QCM 数据进行简化却又保证研 究精度需要的定量分析. 对于液态环境下的 QCM 数据的分析, 我们着重介绍了“固化水层” 模型, 该模型允许 QCM 在一定的条件下成为一把“分子尺”, 工作范围从几个纳米到数百纳 米 . 该分子尺在多个创新界面问题研究中得到很好的应用 . 最后 , 我们从理论上分析了 QCM 作为生物传感器的先天缺陷— —因基于面均质量检测的原理, QCM 技术对溶液中蛋白 的检测下限仅在 1 g mL1 数量级. 进一步, 我们探索了 QCM 的发展方向和潜在应用领域, 希望籍此能进一步推广 QCM 在各个学科界面问题中的研究应用.
qcm的基本原理及应用对象
qcm的基本原理及应用对象
1. qcm基本原理
Quartz Crystal Microbalance（QCM），即石英晶体微天平，是一种用于测量微
小质量和表面过程的技术。它基于石英晶体的振荡频率与质量之间的关系，通过测量晶体的频率变化来获取被测物体的质量变化。
其基本原理如下：
•使用仪器将石英晶体定位在一个封闭的装置中，装置中有液体或气体。
•石英晶体上电极施加一个交变电压，使其发生振荡。
•当物质吸附到石英晶体的表面时，会导致晶体的振荡频率发生变化。
•通过测量频率变化，可以得到吸附物质的质量变化。
2. qcm的应用对象
QCM的测量范围非常广泛，适用于以下应用对象：
2.1. 薄膜厚度测量
QCM可以用于测量薄膜的厚度变化，通过监测晶体表面的质量变化来确定薄
膜的生长速率。这在材料科学研究、薄膜涂覆等领域具有重要应用。
•实例应用：利用QCM测量金属氧化物薄膜的生长速率，以优化材料制备工艺。
2.2. 生物分子相互作用研究
QCM可以用于研究生物分子之间的相互作用，例如蛋白质与配体、受体与配
体等的结合过程。通过监测晶体表面质量变化的动态过程，可以了解分子间的结合情况和结合强度。
•实例应用：利用QCM研究药物与受体的结合过程，以评估药物的效力。
2.3. 界面吸附研究
QCM可以用于研究物质在液体或气体界面上的吸附行为。通过测量晶体频率
的变化，可以探测到材料的吸附行为和吸附动力学。
•实例应用：利用QCM研究油水界面上聚合物的吸附行为，以优化油水分离过程。
2.4. 生物传感器开发
基于QCM原理，可以开发出一种高灵敏度、快速响应的生物传感器。利用生
qcm原理——精选推荐
石英晶体微天平的原理和应用
一、石英晶体微天平的基本原理：
石英晶体微天平最基本的原理是利用了石英晶体的压电效应：石英晶体内部每个晶格在不受外力作用时呈正六边形，若在晶片的两侧施加机械压力，会使晶格的电荷中心发生偏移而极化，则在晶片相应的方向上将产生电场；反之，若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形，这种物理现象称为压电效应。如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，这种现象称为压电谐振。它其实与LC回路的谐振现象十分相似：当晶体不振动时，可把它看成一个平板电容器称为静电电容C，一般约几个PF到几十PF；当晶体振荡时，机械振动的惯性可用电感L 来等效，一般L 的值为几十mH到几百mH。由此就构成了石英晶体微天平的振荡器，电路的振荡频率等于石英晶体振荡片的谐振频率，再通过主机将测的得谐振频率转化为电信号输出。由于晶片本身的谐振频率基本上只与晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关，而且可以做得精确，因此利用石英谐振器组成的振荡电路可获得很高的频率稳定度。
二、石英晶体微天平的主要构造：
QCM主要由石英晶体传感器、信号检测和数据处理等部分组成。石英晶体传感器的基本构成大致是：从一块石英晶体上沿着与石英晶体主光轴成35度15'切割(AT—CUT)得到石英晶体振荡片，在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，石英晶体夹在两片电极中间形成三明治结构。在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。石英晶体微天平的其他组成结构在不同型号和规格的仪器中也不尽相同，可根据测量需要选用或联用。一般附属结构还包括振荡线路、频率计数器、计算机系统等；电化学石英晶体微天平在此基础上还包括恒电位仪、电化学池、辅助电极、参比电极等；
一种QCM信号在线采集系统的实现
一种QCM信号在线采集系统的实现
王久才;蒋海峰;赵松;潘可;张培仁;常浩;王琪民
【期刊名称】《电子技术应用》
【年(卷),期】2004(30)9
【摘要】石英晶体微天平(QCM)信号采集系统的设计质量是影响其测量精度的重要因素.提出了一种QCM信号在线采集系统的实现方案,给出了系统的结构框图,并对系统电路进行了详细的分析.
【总页数】3页(P38-40)
【作者】王久才;蒋海峰;赵松;潘可;张培仁;常浩;王琪民
【作者单位】合肥市中国科学技术大学自动化系,230027;合肥市中国科学技术大学自动化系,230027;合肥市中国科学技术大学自动化系,230027;合肥市中国科学技术大学自动化系,230027;合肥市中国科学技术大学自动化系,230027;合肥市中国科学技术大学精密机械与精密仪器系,230027;合肥市中国科学技术大学精密机械与精密仪器系,230027
【正文语种】中文
【中图分类】TP274.2
【相关文献】
1.一种脑电信号采集系统前端电路设计与实现 [J], 邱力军;刘文强;范启富;刘欢;焦纯
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纯
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CHI400A 系 列 电 化 学 石 英 晶 体 微 天 平
CHI400A 系列电化学石英晶体微天
平
CHI400A 系列时间分辨电化学石英晶体微天平( EQCM ) 是CH Instruments 与武汉大学合作的产品( 武汉大学专利) 。石英晶体微天平( QCM ) 可进行极灵敏的质量测量。在适当的条件下，石英晶体上沉积的质量变化和振动频率移动之间关系呈简单的线性关系( Sauerbrey 公式) ：
∆f = - 2f o2∆m / [A∙sqrt(μρ)]
式中是f o晶体的基本谐振频率，A 是镀在晶体上金盘的面积，ρ是晶体的密度(= 2.684 g/cm3) ，μ是晶体切变系数(= 2.947⨯1010g/cm∙s2) 。对于我们的晶体(f o= 7.995 M Hz, A = 0.196 cm2) ，每赫兹的频率改变相当于1.34 ng 。QCM 和EQCM 被广泛应用于金属沉积，高分子膜中离子传递，生物传感器，以及吸附解吸动力学的研究等等。
CHI400A 系列电化学石英晶体微天平含石英晶体振荡器，频率计数器，快速数字信号发生器，高分辨高速数据采集系统，电位电流信号滤波器，信号增益，iR 降补偿电路，以及恒电位仪／恒电流仪（440A ）。电位范围为± 10V ，电流范围为± 250 mA 。电流测量下限低于50 pA 。石英晶体微天平和恒电位仪/ 恒电流仪集成使得EQCM 测量变得十分简单方便。CHI400A 系列采用时间分辨的方式测量频率的改变。传统的方法是采用频率直接计数的方法，要得到1 Hz 的QCM 分辨率，需要1 秒的采样时间。要得到0.1 Hz 的QCM 分辨率，需要10 秒的采样时间。我们是将QCM 的频率和一标准频率的差值作周期测量，从而大大缩短了采样时间，提高了时间分辨。我们可在毫秒级的时间里得到 1 Hz 或0.1 Hz 或更好的频率分辨。当和循环伏安法结合时，可允许在0.5 V/s 的扫描速度下获得QCM 的信号。这对需要较快速的测量( 例如动力学测量) 尤为重要。允许与QCM 结合的电化学实验技术包括CV，LSV，CA，i-t ，CP 。
QCM
应
免疫传感器：
用
将特定的抗原(或抗体)固定于QCM的电极表面，当试剂中含有与 其对应的抗体(或抗原)时，两者之间就会相互结合，引起QCM表面 电极质量的变化。 通过质量变化引起的谐振频率变化就可判断待测试剂中是否含有与 QCM电极表面的抗原(或抗体)相对应的抗体(或抗原)。
抗原
抗体
应
基因传感器：
应
气体传感器：
Baidu Nhomakorabea
用
将吸附特定气体的吸附膜附着于QCM电极表面，当空气中 含有这种气体，其分子就会被吸附于吸附膜上。被吸附的 气体分子会引起QCM电极表面质量的变化，使QCM的谐振 频率产生变化。因此通过检测谐振频率的变化即可判断空 气中有无该种气体和该种气体量的多少。 QCM最早是应用于气相组分的分析、有毒易爆气体的检测。 已对SO2 、H2S、HCI 、NH3、NO2、Hg、CO、及其他碳 氢化合物、氰化物等害气体进行探测研究。
QCM：Quartz crystal microbalance 石英晶体微天平
石英晶体微天平是一种新型的高精度谐振式 测量仪器，测量精度可以达到纳克级，由于 具备测量精度高，结构简单，成本低廉等优 点，越来越被科研工作者关注和重视。
内容简介
1. 基本原理
2. 结构 3. 相关应用
基本原理
相关概念：
压电效应： 对某些电介质施加机械力，从而引起它们内部的正负电荷中 心发生相对位移，产生极化，进而导致介质两端表面内出现符 号相反的束缚电荷的现象。 牛顿流体： 指在受力后极易变形，且切应力与变形速率成正比的低粘性 流体。 切应力： 物体由于外因而变形时，在物体内部各部分之间所产生的用 于抵抗这种外因的作用，并力图使物体从变形后状态回复到变 形前状态的内力。
石英晶体微天平原理
石英晶体微天平原理
# 石英晶体微天平原理
石英晶体微天平（Quartz Crystal Microbalance，QCM）是一种常用的质量测量
仪器，广泛应用于物理、化学、生物和材料科学等领域。QCM基于石英晶体的共
振频率变化与其上质量变化之间的关系，可用于测量微量物质的吸附、膜的形成、表面的自组装以及液体的粘度等。
## 原理概述
石英晶体微天平由一块厚度约为0.3-3 mm的石英晶体组成，其表面覆盖有金
属电极。晶体通常为圆形或矩形，尺寸在1-10 mm之间。电极上施加交流电压，
将晶体带入共振状态。当外界有质量吸附在晶体表面时，这会导致晶体质量的微小增加，同时引起共振频率的变化。通过测量频率变化的大小，我们可以推断出质量变化的大小。
## 共振频率与质量变化的关系
晶体的共振频率与其质量和弹性系数有关。晶体的共振频率与质量成反比，与
弹性系数成正比。当外界质量吸附在晶体表面时，晶体质量增加，导致共振频率下降。因此，通过测量频率变化的大小，可以确定质量变化的量级。
## 实验操作
在进行QCM实验时，首先将清洁的石英晶体放置在实验盒中。然后，涂覆待
测物质的样品溶液或气体在晶体表面，使其吸附。当样品吸附在晶体表面时，通过电极施加交流电压，使晶体进入共振状态。由于吸附物质的质量变化，导致晶体质量增加，共振频率下降。频率变化可以通过专用的频率计或示波器进行测量和记录。
## 应用领域
石英晶体微天平在各个领域得到了广泛的应用，如下所示：
- 物理学：用于研究表面粗糙度、材料的弹性性质等。
- 化学：用于研究溶液中物质的吸附、反应等。