石英晶体微天平
石英晶体微天平电化学
石英晶体微天平电化学引言：石英晶体微天平电化学是一种基于石英晶体微天平技术的电化学研究方法，通过测量电化学反应过程中的质量变化，可以获得与电化学反应相关的信息。
本文将介绍石英晶体微天平电化学的原理、应用和发展前景。
一、石英晶体微天平的原理石英晶体微天平是一种常用的质量测量仪器，其基本原理是利用石英晶体的压电效应，将质量变化转化为频率变化。
当质量增加时，石英晶体的频率降低；当质量减少时，石英晶体的频率增加。
通过测量频率的变化，可以得到质量的变化信息。
二、石英晶体微天平电化学的原理石英晶体微天平电化学是将石英晶体微天平与电化学技术相结合，用于研究电化学反应。
在电化学反应中，电极表面的质量会发生变化，通过将电极放置在石英晶体微天平上，可以通过测量频率的变化来获得电极表面质量的变化信息。
三、石英晶体微天平电化学的应用1. 电化学催化剂研究：石英晶体微天平电化学可以用于研究电化学催化剂的活性和稳定性。
通过测量催化剂表面的质量变化，可以评估催化剂的活性和稳定性，并研究催化剂在各种条件下的性能变化。
2. 电化学腐蚀研究：石英晶体微天平电化学可以用于研究材料的电化学腐蚀行为。
通过测量材料表面的质量变化，可以评估材料的耐蚀性，并研究腐蚀过程中的质量变化规律。
3. 电化学生物传感器：石英晶体微天平电化学可以用于生物传感器的研究和开发。
通过将生物分子固定在电极表面，测量生物分子与物质相互作用引起的质量变化，可以实现对生物分子的灵敏检测。
4. 电化学药物筛选：石英晶体微天平电化学可以用于药物筛选和评价。
通过将药物固定在电极表面，测量药物与靶分子相互作用引起的质量变化，可以评估药物的活性和选择性。
四、石英晶体微天平电化学的发展前景石英晶体微天平电化学作为一种新兴的研究技术，具有广阔的应用前景。
随着纳米材料、催化剂和生物传感器等领域的发展，对于电化学反应过程的研究需求越来越高。
石英晶体微天平电化学作为一种高灵敏度、高分辨率的研究方法，将在这些领域发挥重要作用。
石英微晶天平
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35015'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；三、石英晶体微天平的分析化学应用QCM最早应用于气相组分、有毒易爆气体的检测。
石英晶体微天平
6. 界面相互作用 Point-contact model
Diethelm Johannsmann’s group 26
6. 界面相互作用 Point-contact model
Diethelm Johannsmann’s gr2o7up
6. 界面相互作用 Sheet-contact model
J
'' f
dG/df x 103
4 (a)
2
0
6 (b)
4
2
0
0 5 10 15 20 25
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
Q fr 2 Energy stored in the system
6
石英晶体微天平
Equivalent circuit:
Butterworth-van Dyke
L1: mass C1: elastic component R1: dissipation
Zq
R1
iL1
1
iC1
7
石英晶体微天平的应用基础方程
df i dG i i h 1 h 1 i
f0
Zq
Zq 2
(4) 其他复杂情况：需能够对应力进行分析
=2nf0 n : 阶数
Zload: 加载物质的阻抗acoustic impedance
Zq : 石英晶片的阻抗
8
石英晶体微天平的可能应用
界面相互作用
美国Gamry石英晶体微天平简介
fp fs
Gamry石英一台仪器可以配多种频率的晶片
• 频率分辨率是0.02Hz
– 不论频率高低分辨率相同
• Gamry的QCM能同时 给出fs和fp的值
• 专业设计控温配件
QCM质量检出限
• Sauerbrey方程
∆f=Cf ∆m • 以5MHz和10MHz晶片为例
Crystal–Applied Potential
QCM原理
• 石英晶片上有其他材料
– 金，铂，碳，其他 – 附着方式如溅射，粘贴等
• 振动可以用BvD模型来 等效
++++++++++++++++++++ ----------------------
QCM原理
• 商业化依赖于锁 相放大器的 QCM，手动抵 消fp，只给出串 联相应频率fs
放o圈
放晶片
固定晶片
连接仪器BNC
溶液槽
控温夹套
•具体操作大图见附件文件
嵌入安装
铁片固定
Gamry石英晶体微天平的安装
• 控温配件和仪器通过BNC连接 • 仪器两根线
– 电源线 – 电脑usb通信线
Gamry石英晶体微天平晶片
Gamry QCM软件
Gamry QCM软件
• Description – 对样品进行说明，备注
– 5MHz的校正因子Cf为56.6Hzcm2/ug
0.02Hz 56.6Hz cm2
/
ug
1cm2
0.35ng
– 10MHz的校正因子Cf为226Hzcm2/ug
石英晶体微天平资料
1.精确构建数学模型和电子线路仿真模型， 不忽略任何影响产品精确度的微小因素， 使样机的设计制作变得容易，为实际产品 的开发提供可靠的理论依据。 2.做出可以测量微小质量的QCM样机,。 3.电路设计，实现晶体电路的自适应控制。
关键技术
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。
石物 理英 晶学 体院 微 国天 平创 项 原目 (QCM) 理 及参 赛样 作机 设品 计
小组成员介绍
武晓佳
段璎宸
董丽君 国创答辩
刘静
董振余
展示内容
选题依据
创新点、关键技术
作品简介 研究方案
预期目标
国作创品答简辩介
石英晶体微天平（Quartz crystal microbalance） 是一种非常灵敏的质量检测仪器，其测量精度可达纳 克级，比灵敏度在微克级的电子微天平高100 倍，理 论上可以测到的质量变化相当于单分子层或原子层的 几分之一。
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。
石英晶体微天平
提高样机的灵敏度。
国创答辩 研究内容
1. 设计电路，达到电路对石英晶体稳定的自 适应控制降低对 QCM晶体厚度的高要求。 2. 搭载使QCM产生稳定频率的电路，根据工 作原理逐步提高 QCM 的测量精度。 3.做出实现低成本的同时提高石英晶体微天平 控制精度的 QCM样机。
研究方案 研究目标
14
建立电路输入文件确 定分析类型
石物 理英 学晶 体院 微 国天 平创 项 (QCM) 原目 理 及参 赛样 作机 设品 计
小组成员介绍
武晓佳
段璎宸
董丽君 国创答辩
刘静
董振余
展示内容
选题依据
创新点、关键技术
作品简介 研究方案
预期目标
国作创品答简辩介
石英晶体微天平（ Quartz crystal microbalance ） 是一种非常灵敏的质量检测仪器，其测量精度可达纳 克级，比灵敏度在微克级的电子微天平高 100 倍，理 论上可以测到的质量变化相当于单分子层或原子层的 几分之一。
如果可以降低芯片的厚度 同时提高QCM的灵敏度将会 在学术领域产生巨大的影响。
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。
创新点、特色
1.精确构建数学模型和电子线路仿真模型， 不忽略任何影响产品精确度的微小因素， 使样机的设计制作变得容易，为实际产品 的开发提供可靠的理论依据。 2.做出可以测量微小质量的QCM样机,。 3.电路设计，实现晶体电路的自适应控制。
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是一种高精度的质量测量仪器，它的原理是利用石英晶体的压电效应来测量物体的质量。
石英晶体是一种具有压电效应的晶体，当施加外力时，会产生电荷，这种电荷的大小与施加的力成正比。
因此，通过测量石英晶体的电荷变化，就可以得到物体的质量。
石英晶体微天平的结构非常简单，它由一个石英晶体片和一个电极组成。
石英晶体片通常是一个长方形的薄片，厚度只有几毫米，宽度和长度分别为几毫米到几厘米不等。
电极则是两个金属片，分别固定在石英晶体片的两端。
当物体放在石英晶体片上时，物体的重力会使石英晶体片产生微小的弯曲，从而改变石英晶体片的压电效应，产生电荷。
这些电荷被电极收集起来，通过放大器放大后，就可以得到物体的质量。
石英晶体微天平的精度非常高，可以达到微克级别。
这是因为石英晶体具有非常好的稳定性和重复性，可以在长时间内保持稳定的压电效应。
此外，石英晶体的压电效应与温度、湿度等环境因素的影响非常小，因此可以在各种环境下进行精确的质量测量。
石英晶体微天平广泛应用于化学、生物、医学等领域的研究中。
例如，在化学实验中，可以用石英晶体微天平来测量化学反应中物质的质量变化，从而研究反应的动力学和热力学性质。
在生物学和医学中，石英晶体微天平可以用来测量细胞、蛋白质等生物分子的质量，从而研究它们的结构和功能。
除了石英晶体微天平，还有其他类型的微天平，如电容微天平、磁悬浮微天平等。
这些微天平的原理和应用都有所不同，但它们都具有高精度、高灵敏度的特点，可以用于各种精密测量和研究。
石英晶体微天平是一种非常重要的质量测量仪器，它的原理简单、精度高，应用广泛。
随着科技的不断发展，微天平的精度和应用范围还将不断扩大，为科学研究和工业生产带来更多的便利和发展机遇。
电化学石英晶体微天平 用途
电化学石英晶体微天平的用途电化学石英晶体微天平（EQCM）是一种高精度的电化学分析仪器，它可以用于研究电化学反应的动力学和热力学性质、表面化学反应动力学和机理、生物分子的相互作用等。
本文将从以下几个方面介绍EQCM的用途。
一、电化学反应动力学和热力学性质研究EQCM可以通过测量电极表面的质量变化来研究电化学反应的动力学和热力学性质。
例如，可以用EQCM来研究金属电极表面的氧化还原反应、电解质在电极表面的吸附和脱附等。
EQCM可以提供高精度的质量变化数据，从而可以确定反应速率、反应机理、反应热力学性质等。
二、表面化学反应动力学和机理研究EQCM可以用于研究表面化学反应的动力学和机理。
例如，可以用EQCM来研究表面的吸附和脱附反应、表面重构和形貌变化等。
EQCM可以提供高精度的质量变化数据和频率变化数据，从而可以确定表面反应速率、反应机理、表面能等。
三、生物分子相互作用研究EQCM可以用于研究生物分子的相互作用。
例如，可以用EQCM来研究蛋白质和DNA的结合、细胞膜的吸附和脱附等。
EQCM可以提供高精度的质量变化数据和频率变化数据，从而可以确定生物分子的互作机制、互作强度等。
EQCM的优点EQCM具有以下几个优点：1.高精度：EQCM可以提供高精度的质量变化数据和频率变化数据，从而可以确定反应速率、反应机理、反应热力学性质等。
2.灵敏度高：EQCM可以检测微量物质的质量变化和频率变化，从而可以研究微量物质的反应动力学和热力学性质。
3.实时监测：EQCM可以实时监测表面化学反应和生物分子相互作用的过程，从而可以研究反应动力学和机理。
EQCM的应用举例EQCM已经被广泛应用于电化学、表面化学、生物化学等领域。
以下是EQCM的一些应用举例：1.研究金属电极表面的氧化还原反应。
2.研究电解质在电极表面的吸附和脱附。
3.研究表面的吸附和脱附反应。
4.研究表面重构和形貌变化。
5.研究蛋白质和DNA的结合。
6.研究细胞膜的吸附和脱附。
2010石英晶体微天平(物质结构).
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。
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。
1.
Quartz crystal
2. Electrode material
ΔF= - 2 F02ΔM/A（q q）1/2
ΔF: Frequency Change of Quartz Crystal; ΔM: Mass Change of the Substance on Electrode
Biochemical and Biophysical Research Communications 313 (2004) 3–7
Fig. 1. Schematic illustration of the sensing process of the amplifyingsystem based on Au nanoparticle-covered QCM surface.
(a) Sensor without surface modification by nanogold. (b) Sensor with surface modification by nanogold.
Static cell
• 5-10 uL liquid sample reservoir • Holes for electrochemical electrodes • O-ring seal • Resists harsh chemicals Additional holes for purge or s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：
耗散型石英晶体微天平δd和δf的关系
石英晶体微天平δd和δf的关系是一个非常重要的研究课题，对于石英晶体的性能和应用具有深远的影响。
本文将从以下几个方面对这一主题展开详细的分析和讨论。
一、背景介绍1. 石英晶体微天平的原理及应用石英晶体微天平是一种用于测量微量质量变化的装置，通过检测石英晶体振动频率的变化来实现对质量变化的测量，因其灵敏度高、测量精度高等优点，在许多领域得到了广泛的应用，如生物医学、化学分析、环境监测等。
2. δd和δf的定义与意义在石英晶体微天平中，δd和δf分别代表着频率变化和阻尼变化，它们是评价石英晶体微天平性能的重要参数，对于了解样品的质量变化、性质变化等具有重要意义。
二、δd和δf的关系及影响因素1. δd和δf的数学关系在石英晶体微天平中，δd和δf之间存在着一定的数学关系，通常情况下，随着频率变化的增加，阻尼变化也会随之增加，但二者之间的关系并非简单的线性关系，而是受到多种因素影响的复杂关系。
2. 影响δd和δf的因素影响δd和δf的因素有很多，如温度、压力、湿度、样品的质量等，这些因素会直接影响石英晶体的振动频率和阻尼特性，从而间接影响δd和δf的数值。
三、研究现状与挑战1. 研究现状目前，关于石英晶体微天平δd和δf的关系的研究已经取得了一定的进展，不仅在理论方面有了较为深入的认识，而且在实验验证方面也取得了一些成功。
然而，这一领域仍然存在一些尚未解决的问题，需要更深入的研究和探索。
2. 挑战与展望石英晶体微天平δd和δf的关系研究面临着一些挑战，如如何准确测量和描述δd和δf的数值，如何解析影响因素对δd和δf的影响机制等。
未来的研究应该着重解决这些问题，以推动该领域的发展和进步。
四、应用前景与意义1. 应用前景石英晶体微天平δd和δf的关系研究对于提高石英晶体微天平的测量精度、扩大应用范围具有重要意义。
在生物医学、化学分析、环境监测等领域，这一研究成果的应用前景广阔。
2. 意义石英晶体微天平δd和δf的关系研究不仅有助于推动石英晶体微天平的技术进步，而且对于促进相关领域的发展和应用具有重要意义。
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。
利用生物分子与目标物质的特异性相互作用，可以实现对目标物质的高效检测。
•实例应用：利用QCM开发血糖传感器，实现快速、准确的血糖监测。
3. 总结QCM作为一种高灵敏度、快速响应的测量技术，其基本原理已被广泛应用于材料科学、生物医学和化学等领域。
通过测量石英晶体的频率变化，可以实现对微小质量的准确测量，并获得相应的质量变化信息。
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。
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。
Df = -fu 2/3 [(LhL) / (p (qq)] ½,
Df = measured frequency shift, fu = resonant frequency of the unloaded crystal, L = density of liquid in contact with the crystal, hL = viscosity of liquid in contact with the crystal, q = density of quartz, 2.648 g/cm3, q = shear modulus of quartz, 2.947 1011 g/cm s2.
TNF:Tumor necrosis factor
g/ l).
Interaction of hTNF-antigen immobilized sensor with various proteins (protein concentration: 0.5g/L)
3、DNA生物传感器
所谓DNA传感器，就是利用石英晶体微天 平作为换能器制备的质量式基因传感器， 是以石英晶体振荡器（QCM）为换能器， 将单链的DNA探针固定在电极表面上，然 后浸入含有被测目标ssDNA分子的溶液中， 当电极上的ssDNA探针与溶液中的互补序 列的目标ssDNA分子杂交，QCM的振荡频 率就会发生变化。
石英晶体微天平原理
石英晶体微天平是一种精密的称重仪器。
它的工作原理主要基于石英晶体的特殊性质和微机电系统（MEMS）技术。
石英晶体微天平的核心部件是石英晶体，它是一种具有压电效应的材料。
压电效应是指在施加外力或电场时，晶体会产生电荷或电势差的现象。
石英晶体的压电效应非常稳定和灵敏，因此被广泛应用于天平中。
石英晶体微天平的工作原理基于质量和频率之间的关系。
石英晶体的频率与其质量成正比，即频率越高，晶体质量越大。
在称重时，待称物体被放置在石英晶体上，晶体会受到质量的增加而频率降低。
通过测量晶体频率的变化，可以间接计算出待称物体的质量。
为了提高石英晶体微天平的灵敏度和稳定性，常常使用MEMS技术制造微小的石英晶体天平。
MEMS技术是将微型电子元件和机械结构集成到芯片上的一种方法。
通过精密加工和微细组装，可以制造出高度精密的微天平。
石英晶体微天平的工作过程可以概括为以下几个步骤：1.初始状态：石英晶体天平处于自由悬挂的状态，即未受到任何外力的作用。
2.放置待称物体：待称物体被放置在石英晶体上，使之产生质量的增加。
3.晶体振动：通过施加激励电场，晶体被激发成振动状态。
振动频率与晶体的质量成正比。
4.频率测量：利用频率计或计数器等设备测量振动晶体的频率。
由于质量的增加，频率降低。
5.质量计算：根据频率的变化，利用预先测定的标定曲线，可以计算出待称物体的质量。
石英晶体微天平具有很高的精度和稳定性，可以用于测量微量物质的质量。
它具有灵敏度高、响应速度快、重复性好等优点。
因此，被广泛应用于化学分析、生物医学、材料研究等领域。
除了石英晶体微天平的工作原理，还有一些相关的内容需要考虑。
例如，如何进行标定和校准，以确保测量结果的准确性；如何对称重过程中的环境干扰进行抑制和补偿；如何设计和制造高性能的石英晶体和微天平结构等等。
这些内容在实际应用中都是非常重要的，可以通过不同的技术和方法来解决。
总结起来，石英晶体微天平是一种基于石英晶体压电效应和MEMS技术的精密称重仪器。
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是一种利用石英晶体自振的频率变化来测量微小质量变化的仪器。
石英晶体是一种具有特殊振动特性的晶体，其晶格结构稳定、机械强度高、表面平整，并且具有强烈的谐振现象。
因此，石英晶体被广泛应用于计时、频率控制、传感器等领域。
利用石英晶体微天平可以实现对微量物质的检测和分析，具有高灵敏度、高分辨率、高精度等优点。
石英晶体微天平原理基于质量和频率之间的关系。
石英晶体在电场作用下会发生谐振振动，其频率和振幅取决于晶体的尺寸和弹性常数。
当晶体上附着物质使其质量发生微小变化时，晶体振动频率会发生变化。
根据爱因斯坦质能方程，质量和能量是等价的，因此质量变化会导致振动频率的变化。
将石英晶体作为微天平的敏感元件，利用电子衍射、电子束蒸发、溅射沉积等技术在其表面制备一层薄膜，当薄膜表面有生物分子与它相互作用时，其质量就会发生变化，导致晶体振动频率的变化，进而测量出样品的质量。
石英晶体微天平可以应用于生物学、化学、生物医学、环境保护等领域的研究。
其应用范围包括：生物传感、分子识别、药物筛选、蛋白质互作等。
在生物传感领域中，石英晶体微天平可以对细胞膜、酶、抗体等生物大分子进行检测；在分子识别领域中，可以对蛋白质、DNA、RNA等分子进行识别；在药物筛选领域中，可以对药物分子的作用和效果进行评估；在蛋白质互作领域中，可以对蛋白质的相互作用进行研究。
石英晶体微天平的优点还包括操作简单、仪器成本低、样品需求少等。
但是，石英晶体微天平也存在一些问题。
例如，其灵敏度受到环境和温度的影响，需要进行定期校准。
此外，石英晶体微天平也存在着一定的误差和不确定性，需要在实际应用中进行验证和校准。
总之，石英晶体微天平是一种优秀的微量质量检测仪器，其原理是基于石英晶体自振频率与质量之间的关系，利用表面制备的薄膜与生物分子的相互作用实现对样品的检测和分析。
虽然石英晶体微天平存在着一些问题，但其优点远远超过缺点，具有广泛的应用前景。
QCM石英晶体微天平的使用
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应用之分析化学领域
大气飘尘测定
B
有毒易爆气体 的检测
A
分析化学
C
液体中杂质测 定
大气腐蚀研究
E
D
分析溶液中金 属离子的浓度
Company Logo
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QCM应用于气相检测
QCM最早应用于气相组分、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、氰化物等有毒易爆气体进行 探测研究，至今仍是热门
•
晶片是从一块晶体上按一定的方位角切下的薄片，可以 是圆形或正方形，矩形等。按切割晶片的方位不同，可将 晶片分为AT、BT、CT、DT、X、Y等多种切型。不同切 型的晶片其特性也不尽相同，尤其是频率温度特性相差较 大。
QCM 结构及特性
• 石英谐振器是传感器的接受器和转换器，由AT切石英晶 体片经真空沉积或蒸镀等方式在晶片上下表面修饰两个平 行的金属电极构成的一种谐振式传感器。常用金属有Au、 Ag、Pt、Ni、Pd。
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应用于电化学
1 2 3 4
金电极上单分子层氧的吸附机理研究
氧化还原过程离子和溶剂在聚合物膜中的传输
高分子膜及金属电沉积和膜的生长
溶解动力学研究
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不同溶剂体系中氢氧化物电沉积的EQCM研究
石英晶体
quartz crystal
石英晶体的压电效应
石英晶体的压电效应
石英晶体的压电效应
压电效应的方向性
石英晶体电极
谐振器与振荡器
频率变化与质量变化
石英晶体微天平
科大张广照小组
16
HS-PNIPAM 短链 在6300min金表面饱和，接枝停止 。1快速；2减慢；3急剧降低，构 象转变，分别对应薄饼，蘑菇，刷 子构象 1，快速接枝到裸露的金表面 2，已接枝，阻止了进一步接枝 3，构象转变，可以容纳新的链。
HS-PNIPAM 长链 1快速接枝2稳定薄饼状
科大张广照小组
46
石英晶体微天平传感器的优点与缺点
石英晶体微天平传感器的主要优点： （1）稳定性好，检测信噪比高； （2）灵敏度高； （3）响应速度快； （4）容易操作，有利于在线实时检测和远程监控； （5）石英晶片价格适当，利于大规模生产。
石英晶体微天平传感器的主要缺点： （1）由于石英晶体微天平传感器的检测机理是物质在石英晶片表
17
5. Adsorption kinetic 吸附过程 Formation of Lipid Bilayer
Richter et al1.8
5. Adsorption kinetic 吸附过程 Formation of Lipid Bilayer
Richter et al1.9
5. Adsorption kinetic 吸附过程 Formation of Lipid Bilayer
科大张广照小组
15
5. Adsorption kinetic 吸附过程 Poly(N-isopropylacrylamide) brush 的构象转变
DTM-PNIPAM不与金表面有化学作用，链段强 烈吸附于金表面，清洗后仍有较大的频率变化， 说明链段-界面作用对接枝动力学的影响。清洗结
果说明短链形成的厚实的刷子状结构，由于 链段-链段排斥，难以插入新链，只是少量吸 附，洗去后频率变化很小。
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。
- 生物学：用于研究生物膜的形成、蛋白质的结构变化等。
- 材料科学：用于研究材料表面的涂层、薄膜的形成等。
## 优势与局限性石英晶体微天平具有以下优势：- 高精度：能够测量微量的质量变化。
- 高灵敏度：能够检测到纳克级的质量变化。
- 实时性：可以实时监测质量的变化。
- 非破坏性：无需破坏样品，可反复使用。
电化学石英晶体微天平
由于仪器集成了多种常用的电化学测量技术，使 得仪器可用作通用电化学测量，也可单独用作石 英晶体微天平的测量(不同时进行电化学测量)。
仪器的使用
• 开机：按下开关，听到仪器风扇声后，双击桌面软件图标， 弹出软件的界面。 • 硬件测试：Setup→Hardware Test
检测正常后会弹出右边对话框 点OK进行实验技术选择
↓Байду номын сангаас
选定实验技术和参数后，便可进行实验。 实验结束后保存数据即可
• 数据处理： DataProc里有很多数据处 理方法，可根据需要进行 选择 Analysis 可以分析数据
•
关机：先关闭软件再将仪器关闭
注意事项
• 电极夹千万不能接触高于10V的高压电，否 则容易造成仪器的损坏。
感受电极用于四电极体系用时不工作电极的夹头夹在一起四电极对于大电流100ma以上或低阻抗电解池1欧姆例如电池十分重要可消除由于电缆和接触电阻引起的测量误差当用于三电极体系时感受电极应荡空丌用
电化学石英晶体微天平原理及使用
原理及应用
• 电化学石英晶体微天平（electrochemical quartzcrystal microbalance）简称EQCM,是压电传感与电化学方法相结 合发展起来的技术。 • 其原理是基于石英晶体振荡片上吸附或沉积时，晶体振荡 频率发生变化，它与晶片上沉积物的质量变化有简单的线 性关系。 • 它能在电化学反应过程中同时获得质量变化的信息，检测 灵敏度可达ng级。是研究液/固界面最有效的工具之一， 可用于金属电沉积与腐蚀、吸附与脱附、成核与晶体成长、 电化学聚合与溶剂效应、膜的掺杂与去掺杂等基本电化学 行为的研究。
• 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 。 • 仪器可工作于二，三，或四电极的方式。四电极对于大电 流或低阻抗电解池（例如电池）十分重要，可消除由于电 缆和接触电阻引起的测量误差。
石英晶体微天平
国外：相当成熟、商品化、美国的QCM．Research公司的 产品用于NASA火星探测车“Sojourner”的太阳能电池板的 灰尘厚度，从而及时清理灰尘以免影响太阳能电池板的效率； 也有用于检查太空舱的气密性，宇宙射线强度等的产品。 国内外现状分析 国内外状况分析
选题依据
美国生产的QCM对于基频为5MHz的QCM芯片而言, 产生1Hz的响应需要的质量为20ng, 即它的理论质 量灵敏度>20ng。而对于基频为27MHz的芯片,产生 1Hz 的响应需要的质量为 0.7ng。显而易见,27MHz 比5MHz具有更高的灵敏度,提高了29倍。其前提条 件是芯片厚度变得更薄。 虽然“降低芯片的厚度, 提高芯片的基频”是提高QCM灵敏度的方法之一, 但这对芯片的制备工艺要求极高, 目前仅有日本 Okahata小组在使用。主流还是基频为5MHz的QCM 芯片。
作品简介 石英晶体微天平
4
样 品 Q C M 的 微 质 量 和 温 度 测 试
石英空间结构 符合要求的振荡波形 7.99M Hz QCM样品
国创答辩 前期基础
选题依据
创新点、关键技术
作品简介
研究方案
预期目标
课题背景 选题依据
国内： 起步阶段 跟踪成果 研究分散 稳定性不好
PowerPoit 2003
修改输入 文件 修改电路 元件及参 数值
结果是否正 确？ 分析结 束
研究方案 研究方案
15
选题依据
创新点、关键技术
作品简介
研究方案
预期目标
国创答辩 创新点、关键技术
.避开了降低石英晶体厚度来提高测量灵敏 度的方法，另辟蹊径，通过计算机技术进行 电路调整，实现晶体电路自适应控制来提高 石英晶体微天平的灵敏度，为实际产品的开 发降低成本。 2.从QCM工作基本原理入手，使研究过程 精细、全面，保证系统的、可行性、测量的 可靠性，有效防止了沿用其他人研究成果导 致的理论知识不扎实，测量精度不够也无从 改进的结果。
7章石英晶体微天平
⑵石英晶体微天平用石英晶体制作的谐振器，对置于其表面的质量有敏感性。
利用石英谐振器对其表面质量的敏感性，可以检测到表面质量所发生的纳克量级的微量变化。
因此，石英晶体谐振器是一种具有极高灵敏度的质量传感器，人们形象地把其称为石英晶体微天平（QCM）。
由于化学变化是一种物质交换的过程，所以化学变化总会表现出质量的变化，因此利用石英晶体微天平可以研究物质的化学变化，成为一种化学量微传感器。
①石英晶体谐振器我们前面已经讨论过石英晶体的一些性质，如石英晶体的压电效应和逆压电效应。
利用石英晶体的压电效应可以制作压电式传感器；利用石英晶体的逆压电效应，可以制作谐振式传感器中的激励元件等。
下面我们继续讨论一下石英晶体的另外一些性质。
ⅰ石英晶体的切型石英晶片对晶体坐标轴某种方位的切割称为石英晶片的切型。
由于石英晶体的各向异性，不同切型的石英晶片，其物理特性也各不相同。
石英晶体的切型符号有两种表示方法：一种是IRE标准符号表示法，另一种是石英晶体特有的习惯表示法。
在IRE标准符号表示法中，切型符号用一组字母（XYZLWt）和角度表示，XYZ三个字母的先后排列表示晶片的厚度、长度沿坐标轴的原始方位，用t(厚度)、L（长度）、W（宽度）表示旋转的方位，角度的正号表示逆时针旋转，负号表示顺时针旋转。
(a)晶片的原始厚度、长度方位（b）沿长度方向逆时针旋转350得到晶片切型图2-25（YXL）350切型例如，（YXL）350表示：切割晶片的原始厚度沿Y方向，原始长度沿X方向，然后沿长度方向旋转逆时针旋转350，即得到晶片的切割方位。
（XYtL）50/-500表示：切割晶片的原始厚度沿X方向，原始长度沿Y方向，然后厚度逆时针旋转50，长度顺时针旋转500，即是石英晶片的切割方位。
在石英晶体的习惯表示法中，一般用两个大写英文字母表示切型。
把（YXI）350切型用符号AT表示，（XYtI）50/-500切型用NT表示等。
ⅱ石英晶片的振动模式石英晶片在电场的作用下，由于内部产生应力而变形，从而产生机械振动。
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df i dG i i h 1 h 1 i
f0
Zq
Zq 2
(4) 其他复杂情况：需能够对应力进行分析
=2nf0 n : 阶数
Zload: 加载物质的阻抗acoustic impedance
Zq : 石英晶片的阻抗
8
石英晶体微天平的可能应用
界面相互作用
胶体悬浮液粘度
2
石英晶体微天平的基本工作原理
I
载荷
石英晶：压电晶体
周期性剪切振动
U~
石英晶片
电极
基准
加载后 G df
G
14.9990 14.9995 15.0000 15.0005 15.0010
频率 [MHz]
反面
正面
有效检测表面
基准共振频率：f0 高阶共振频率：f = nf0
(n=1,3,5,7……)
频率变化：df 半峰宽变化：dG
20
40
60
80 100 120 140 160 180
Time (ms)
4
石英晶体微天平
Ring-down
trigger excitation
free decay
excitation
1/(2 G)
1/e
Voltage (Shear Amplitude)
f: modulation frequency
17
5. Adsorption kinetic 吸附过程 Formation of Lipid Bilayer
Richter et al1.8
5. Adsorption kinetic 吸附过程 Formation of Lipid Bilayer
Richter et al1.9
5. Adsorption kinetic 吸附过程 Formation of Lipid Bilayer
34
对甲醛气体的吸附
L. Feng, Y. J. Liu, X. D. Zhou, et al. J.Colloid & Interf. Sci. 2005, 284, 378.
35
传感器对甲醛气体的检测灵敏性测试
L. Feng, Y. J. Liu, X. D. Zhou, et al. J.Colloid & Interf. Sci. 2005, 284, 378.
3. Impulse Excitation (Ring-down)
公司： Q-Sense （QCM－D）
Voltage (Shear Amplitude)
trigger excitation
free decay
excitation
1/(2 G)
1/e
f: modulation frequency
0
Zliq 2 Z f 2
d f
f0
d
f
id
f0
G
i
Zq
(Zload
Zliq
)
1
Zq
Zf kf df
1
Z liq 2 Zf2
dG Im 1 iliqh J f f d f Re 1 iliqh J f f
接枝；分别有短链s-PNIPAM 和长链l-PNIPAM
水溶液中使用石英晶体微天平来研究聚合物 链的动力学
石英晶体微天平在大分子的吸附，构象和作用研究方面具有很高灵 敏性，聚合物链经-SH基团和金的强烈化学偶合作用化学接枝在镀金的晶 片表面，同时PNIPAM链段由于强烈的链段-界面作用也吸附在金表面，体 系可以实现薄饼-刷子转变
f, G [Hz]
600 loading
400
200
0
-200
-400
0
10
G
12 MHz 0.6
20 MHz
28 MHz 0.4
36 MHz
unloading 0.2
0.0
f
20 30 time [min]
-0.2 -0.4 40
600
12 MHz
G
20 MHz
400
28 MHz 36 MHz
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
Zq
u
Z load
Zliq
i
Z f d f k f 1
Q fr 2 Energy stored in the system
6
石英晶体微天平
Equivalent circuit:
Butterworth-van Dyke
L1: mass C1: elastic component R1: dissipation
Zq
R1
iL1
1
iC1
7
石英晶体微天平的应用基础方程
科大张广照小组
15
5. Adsorption kinetic 吸附过程 Poly(N-isopropylacrylamide) brush 的构象转变
DTM-PNIPAM不与金表面有化学作用，链段强 烈吸附于金表面，清洗后仍有较大的频率变化， 说明链段-界面作用对接枝动力学的影响。清洗结
果说明短链形成的厚实的刷子状结构，由于 链段-链段排斥，难以插入新链，只是少量吸 附，洗去后频率变化很小。
例如对共振频率为5MHz的石英晶片， 1Hz的共振频率变化 相当于176ng/cm2的被吸附物质质量的变化（假设物质的密 度为1g/cm3），若石英晶片的有效检测面积为50 mm2，则吸 附物质的有效质量约为88ng。
石英晶体微天平具有非常高的灵敏度，可以测到纳克范围内 的痕量物质质量的变化，因此被广泛地应用于生物、化学传 感器以及微量物质在表面的吸附过程研究。
liqh
J
' f
f
liqh
J
'' f
12
4. Soft film in liquid-viscoelastic effect
dG Im 1 iliqh J f f d f Re 1 iliqh J f f
liqh
J
' f
f
liqh
(1) General equation:
df f0
df
i dG f0
i Zq
Zload
i Zq
vs
(2) Sauerbrey equation: 测量薄膜质量 mf 和厚度df 石英晶天平(QCM)
df i dG i
f0
Zq
i mf
mf Zq
(3) Kanazawa equation: 测量牛顿流体的粘度 h
J
'' f
dG/df x 103
4 (a)
2
0
6 (b)
4
2
0
0 5 10 15 20 25
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
石英晶体微天平仪器的类型
1. Quartz Crystal Oscillator
只测量频率，速度快，灵敏度最高
公司： Stanford Research， Maxtek Inc.
2. Network Analysis
阻抗仪
同时得到频率和半峰宽，速度较慢，灵敏度高
公司： Resonance Probe GmbH
5. Adsorption kinetic 吸附过程
Poly(N-isopropylacrylamide) brush 的构象转变
DTB-PNIPAM：可逆加成-断裂链转移(RAFT)聚合合成PNIPAM，末
端用dithiobenzoate groups终止；不与金表面发生化学接枝
HS-PNIPAM： DTB-PNIPAM水解后的产物，可以与金表面发生化学
科大张广照小组
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HS-PNIPAM 短链 在6300min金表面饱和，接枝停止。 1快速；2减慢；3急剧降低，构象 转变，分别对应薄饼，蘑菇，刷子 构象 1，快速接枝到裸露的金表面 2，已接枝，阻止了进一步接枝 3，构象转变，可以容纳新的链。
HS-PNIPAM 长链 1快速接枝2稳定薄饼状
科大张广照小组
0
20
40
60
80 100 120 140 160 180
Time (ms)
A(t) = A0 e -2Gt cos(2f t + )
5
石英晶体微天平
Quality factor (品质因子）:
Dissipation:
Q fr 2G
1 2G energy dissipated per cycle D
Contact between a gel lens and a quartz crysal resonator
material: 25 wt% Kraton gel in mineral oil
f f iG i Acont
f0
f0
Zq Atot
G*
f, G [Hz] area of contact [mm2]
(1) 湿敏传感器