QCM石英晶体微天平的基本原理解析

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。

石英晶体微天平的基本原理和具体应用

流体通过剪切模式的声波传感器装置示意图
Liquid flow cell
70 uL flow through reservoir 1 ml static reservoir O-ring seal Resists harsh chemicals Low stress design
Static cell
x轴（电轴）：沿x轴方向或沿y轴方向施加压力（或拉力）时，在x轴方向产生压电效应。
y轴（机械轴）：沿y轴方向或沿x 轴方向施加压力（或拉力）时，在y轴方向不产生压电效应，只产生形变。
天然右旋石英晶体晶轴的分布
石英晶体有天然的和人工培育的。天然石英晶体产量有限，而且大部分都存在各种缺陷。石英晶体常见的缺陷：
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。
AT- 和 BT-切割模式
四、石英晶体微天平（QCM）的工作原理
石英晶体微天平由一薄的石英圆片和覆盖其表面的电极组成。外加电压加到压电材料上引起一个内在的机械振动。因为QCM是压电的，振荡电场横着通过装置产生一个声学波。
1. Quartz crystal 2. 2. Electrode material
QCM crystal. Grey=quartz, yellow=metallic electrodes.
一、石英晶体的结构

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。

QCM石英微天平

QCM石英微天平目录一、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)?Pierre与Marie Curie在1880年指出在晶体的某个方向施加压力后，四水合酒石酸钾钠晶体会产生电压。

后来他们还指出存在相反的效应，也即施加电压会产生应变。

正是通过这些观察结果从而导致了压电效应的发现。

起初压电效应无人问津，直到1917年发现石英可用作传感器与水中超声波接收机后，才开始对压电效应进行了许多详尽研究。

到1919年开始出现了一些今天日常生活中所用的设备，比如扩音器、麦克风与拾音器，它们都是基于四水合酒石酸钾钠压效应的原理。

到1921年出现了第一台石英晶控振荡器，它基于X切割晶体。

它的缺点是对温度很敏感。

因此，现在X切割晶体被用于那些即便很大的温度系数它的影响也极其微弱的领域，如空间声纳仪中的变频器。

1934年在引入了AT切割晶体后，在所有的频率操纵应用中，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操纵元件以后，在电极上划铅笔标记来增加谐振器的频率或者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懂得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，比如石英微天平。

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，石英晶体由于压电效应会以它的谐振频率振荡。

由于高质量的振荡，因此振荡通常会很稳固。

根据Sauerbrey公式，假如在一个或者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。

石英晶体微天平传感器

应用
气体传感器：
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。
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：
应用
免疫传感器：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Q CM电极表面的抗原(或抗体)相对应的抗体(或抗原)。
抗原抗体
应用
基因传感器：首先将DNA的单链固定于QCM的电极表面，当待测试剂中含有与其对应的另一条DNA单链时，两者就会结合在一起，引起QCM表面电极质量的变化，并通过QCM谐振频率的变化反映出来。这样通过谐振频率的变化就可定量测得待测试剂中含有的特定DNA单链的量。
应用
基本原理
QCM定量基础：德国物理学家Sauerbrey通过大量的研究发现厚度剪切压电石英晶体的谐振频率变化Δf与在晶体表面均匀吸附的刚性物的质量Δm之间存在着比例关系，他在 1959年给出了Sauerbrey 方程：
式中f为晶体的固有谐振频率，又叫基频率, ( Hz), m 为晶体表面涂层质量(g), △ f 为晶体谐振频率的变化量，A为涂层面积(cm2)。该方程的适用前提是晶体表面的吸附层必须为刚性吸附层，既在晶体发生谐振时该吸附层可随晶体本体发生无形变无相对位移的同步振动。以此为理论依据，QCM最早只能应用与真空或气相环境中。

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。

总之，石英晶体微天平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技术。

它的工作原理是基于石英晶体在质量发生变化时引起谐振频率的变化。

通过测定谐振频率的变化，可以定量分析溶液中微量物质的吸附、反应和生长过程。

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/cm3m 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/cm3m q：石英的剪切模量=2.947×1011g/cm×s2.当人们发觉过量的粘性载荷并不阻碍在液体中使用QCM，而且它对固-液态中质量的变化仍旧专门灵敏，QCM就被用于直截了当与液体和/或粘弹性的薄膜进行接触来评估物质量和粘弹性特点的变化。

qcm原理

qcm原理QCM原理。

QCM（Quartz Crystal Microbalance）是一种基于石英晶体的微量质量测量技术，它利用石英晶体的谐振频率与其质量之间的关系来实现对微量质量的测量。

QCM原理的核心在于石英晶体的振荡频率与其受到的质量变化之间的关系，这种关系是通过石英晶体的弹性性质和谐振现象来实现的。

首先，我们来看一下石英晶体的弹性性质。

石英晶体是一种具有高度对称性和稳定性的晶体材料，它具有非常好的机械弹性性能。

当外界施加压力或质量变化时，石英晶体会产生相应的形变，并且能够以非常快的速度恢复到原来的形状。

这种弹性性质使得石英晶体能够作为一种非常理想的谐振器材料，用于实现微量质量的测量。

其次，我们来看一下石英晶体的谐振现象。

石英晶体在特定的频率下会发生谐振现象，即在外界施加一个与其谐振频率相同的激励信号时，石英晶体会产生共振现象，这时它的振幅会达到最大值。

而当石英晶体受到质量变化时，其谐振频率会发生相应的变化，从而导致共振现象的特性发生改变。

通过测量石英晶体的谐振频率变化，就可以间接地测量出其受到的微量质量变化。

基于上述原理，QCM技术可以实现对微量质量的高灵敏度测量。

当待测物质吸附在石英晶体表面时，会导致石英晶体的质量发生微量变化，从而引起谐振频率的变化。

通过测量谐振频率的变化，就可以间接地测量出待测物质的质量变化。

由于石英晶体具有非常好的弹性性能和谐振特性，因此QCM技术具有非常高的灵敏度和稳定性，能够实现对微量质量变化的准确测量。

除了用于微量质量测量外，QCM技术还广泛应用于生物传感、化学分析、表面吸附等领域。

在生物传感领域，QCM技术可以实现对生物分子的特异性识别和测量，从而用于生物分子的检测和分析。

在化学分析领域，QCM技术可以实现对化学物质的吸附和反应动力学的研究，从而用于化学物质的分析和检测。

在表面吸附领域，QCM技术可以实现对表面吸附过程的实时监测和分析，从而用于表面吸附行为的研究和表征。

qcm原理

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；\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。

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。

石英晶体微天平原理

石英晶体微天平原理石英晶体微天平是一种精密质量测量仪器，主要用于测量非常小的物质质量。

这种仪器的原理基于石英晶体的固有振动频率与晶体上物质加质量后振动频率的变化成正比例关系。

下面，我们将详细介绍石英晶体微天平的原理。

在石英晶体微天平中，石英晶体被用作传感器。

石英晶体在电场作用下可以产生共振，这种共振由石英片的弹性和质量参数决定。

石英晶体通常用于高频振动上，其谐振频率在10kHz到150MHz之间。

当石英晶体被电压激发，它的边界会在一定频率范围内振动，这种振动称为表面声波(resonant acoustic wave)。

这些声波的频率和振幅随着石英晶体的尺寸、形状和材料特性而变化。

当粘附到晶体表面的材料的质量改变时，声波的频率产生偏移。

这个频率偏差与物质的质量成正比例。

石英晶体微天平中，晶体表面覆盖着一层被测材料(样品)，它与晶体表面成为共振耦合，被共振耦合的样品使晶体表面发生微小变形，这导致共振频率发生变化。

这种变化被测量，并与标准测试电路中的参考频率偏差匹配，从而确定被测量材料的质量。

实际上，在石英晶体微天平中，共振频率的测量是很复杂的，需要高精度的电子学设备来实现。

测量的系统频率在微波范围内，并以高速稳定的方式测量，从而实现对非常小的质量变化的高分辨率测量。

石英晶体微天平原理是一项先进的技术，可用于测量非常小的质量变化。

它广泛应用于化学、物理、生物学和医学等领域，以及微机电系统(MEMS)、纳米材料和生物分子的表征等方面。

在实际应用中，石英晶体微天平是一种可靠的仪器，其原理具有很高的精度和准确性，因此在实验室中被广泛使用。

石英晶体微天平在化学科学中的应用石英晶体微天平在化学领域的主要应用是测量质量变化，从而研究化学反应、表征催化剂和其他化学材料的特性。

在化学反应中，可以通过测量反应物质量的变化，来推断反应的速率、平衡常数和反应机理等信息。

石英晶体微天平还可以用于表征催化剂，测量催化剂的质量变化可以推断其活性、选择性和稳定性等性质。

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。

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)。
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。
1.基本原理 2.结构
3.相关应用
基本原理
相关概念：
晶体的各向异性：沿晶格的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不尽相同，由此导致晶体在不同方向的物理化学特性也不同。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。
基本原理
如果在晶体两端加上电场，无中心物质的偶极子就会重新定位，引起原子位移，产生机械形变，从而将电能转化为机械能，这一现象叫做逆压电效应。
当加在晶体上的电压为交变电压时，晶体就会在逆压电效应的驱使下产生机械振动，同时机械振动又产生交变电场。通常逆压电效应产生的机械振动的振幅很小，但是当交变电场的频率与晶体的基频率相同时晶体就会发生大幅度振动。

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

首先将DNA的单链固定于 QCM的电极表面，当待测试剂中含有与其对应的另一条DNA单链时，两者就会结合在一起，引起Q CM表面电极质量的变化，并通过QCM谐振频率的变化反映出来。这样通过谐振频率的变化就可定量测得待测试剂中含有的特定DNA单：
用
将两种相互反应的蛋白质，一种固定于QCM电极表面，另一种则存在于待测试剂中，通过连续检测QCM输出的变化即可得到试剂中待测蛋白质的含量或两种蛋白质的相互反应的活性。此外当蛋白质在QCM表面存在的结构不同时，蛋白质吸附层的致密程度不同，QCM的振动情况也会有所不同。因此通过 QCM的振动情况不但可推测蛋白质在QCM表面的结构，还可实时分析各种因素对蛋白质结构的影响。
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。
应
电化学传感器：
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。
结
QCM结构简图
构
结
QCM晶片结构简图
构
晶片是从高纯度石英晶体上按一定的方位角（AT）切下的薄片，然后在晶片的两面镀金，并对金电极进行严格的光学抛光处理。晶片两面的金电极尺寸不等，A为工作电极与液体接触并吸附薄膜，B为激励电极与空气接触并保持高度清洁，将AB两电极接线点引致一侧。 B电极之所以要小于A电极是为了消除边缘效应。

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
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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

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小结
通过频率变化反映质量变化（1）△F小于2%F0 （2）溶剂的粘弹性不变（3）沉机的厚度基本均匀则有 Sauerbrey公式成立广泛的表面选择任何表面都可以被涂上一个同质层（少于5μm）例如：金属、陶瓷、聚合体、化学改进表面等 QCM 提供结构信息
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应用于电化学
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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
QCM 结构及特性
• QCM检测系统具有如下显著特点: • (1)实时性能够对生物大分子的反应动力过程进行监测,系统每秒都可以收集数个数据点当发生变化时可直接观测,除了分子吸附， QCM 提供结构信息。 • (2)高效性一般完成一个基本的测试用时在15min以内。 • (3)简便性生物分子无需标记,设备简单;成本低,电极可以再生和反复使用.任何表面都可以被涂上一个同质层（少于5μm）例如：金属、陶瓷、聚合体、化学改进表面等 .

石英晶体微天平

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
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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
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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
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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。

QCM石英晶体微天平的基本原理解析

测量原理: 通过测量芯片的频率变化测量镀上材料的质量。

石英晶体的频率飘移与附加上的质量的关系：附加上的质量增加，振荡频率降低。

晶体振荡频率受下列条件影响：沉积在芯片上的质量芯片的温度变化材料的应力材料的附着性质量可通过频率精确测量质量= 密度X 面积X 厚度密度的准确性是影响厚度计算误差的原因之一密度条件：镀膜速度材料结构合金比例成膜温度应力影响温度影响：晶片的最佳工作温度：25-60度最重要的是保证镀膜过程中的温度稳定目前世界主流的QCM仪器厂家：Q-SENSE(Omega auto, E1, E4, 最贵，用户也最多), SRS （QCM200, 第二受欢迎，仪器价格低很多）,SII（QCM934, 日本人的，国内用的少，品质不会差），另外国产的是CHI（价格便宜，用户反馈一般）.做QCM仪器的最关键部件QCM芯片，因为各个仪器配套芯片不能通用，目前主要还是由各仪器厂家配套，国外专业的芯片厂家很少，国内的大概10年前起步，因为市场小，参与的企业不多，代工起家的深圳仁路晶体算是开始较早较专业的厂家。

主要应用：ApplicationsImmunosensorsSorption sensorsMoisture analyzersParticulate monitorsContamination monitorsElectrovalency measurementsHydrogen absorption on metal filmsBubble formationRedox and conductive polymer researchDouble-layer characterizationCorrosion studiesSurface oxidationDNA and RNA hybridization studiesAntigen-antibody reactionsProtein adsorptionDetection of virus capsids, bacteria, mammalian cells Biofouling and antifoulingBiomembranes and biomaterialsProtein-protein interactionsSelf-assembled monolayers (SAMs)Molecularly imprinted polymers (MIPs)Langmuir/Langmuir-Blodgett filmsLaser ablation, desorption and breakdown studies MEMS nanomaterialsIntelligent biomaterials.。

石英晶体微天平基本原理及具体应用

石英晶体微天平的基本原理和具体应用
Setup of the QCM–FIA system
石英晶体微天平的基本原理和具体应用
The structures of biorecognition layers of hTNF- trimer modified sensor
TNF:Tumor necrosis factor
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。
石英晶体微天平的基本原理和具体应用
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）。
石英晶体微天平的基本原理和具体应用
石英晶体微天平的基本原理和具体应用
石英晶体微天平（quartz crystal microbalance）是一种非常灵敏的质量检测器，能够快速、简便和实时检测反应过程中的质量变化，检测限可达到纳克级水平，已被广泛应用于基因学、诊断学等各方面，成为分子生物学和微量化学领域最有效的手段之一。
石英晶体微天平的基本原理和具体应用
Static cell
•5-10 uL liquid sample reservoir
•Holes for electrochemical electrodes