石英晶体微天平QCM
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。
石英晶体微天平物质结构
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• 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
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。
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QCM crystal. Grey=quartz, yellow=metallic electrodes.
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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。
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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。
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而当石英晶体受到电场作用时,在它的某些 方向出现应变，而且电场强度与应变之间 存在线性关系，这种现象称为逆压电效 应。逆压电效应是在电场的作用下，在电 偶极距发生变化的同时产生形变.
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三、石英谐振器的振动模式
石英谐振器是由石英 晶片、电极、支架及 外壳等部分构成。
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１、伸缩振动模式 ２、弯曲振动模式 ３、面切变振动模式 ４、厚度切变振动模式
2、光双晶：同时存在左旋和右旋两个部分连 生在一起。
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。
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
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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。
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：
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。
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；\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
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。
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。
QCM
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。
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。
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。
QCM石英微天平
QCM石英微天平石英微天平分析仪(QCM)介绍目录一、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和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和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，例如扩音器、麦克风和拾音器，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，在所有的频率控制应用中，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控制元件以后，在电极上划铅笔标记来增加谐振器的频率或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理解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，例如石英微天平。
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，石英晶体因为压电效应会以它的谐振频率振荡。
因为高质量的振荡，所以振荡通常会很稳定。
根据Sauerbrey公式，如果在一个或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。
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.。