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石英晶体微天平
概述

    石英晶体微天平(Quartz Crystal Microbalance-QCM)的发展始于上世纪60年代初期,它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。石英晶体微天平利用了石英晶体谐振器的压电特性,将石英晶振电极表面质量变化转化为石英晶体振荡电路输出电信号的频率变化,进而通过计算机等其他辅助设备获得高精度的数据。

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,再通过主机将测得的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。
    1959 年 Sauerbrey 在假定外加持量均匀刚性地附着于QCM 的金电极表面的条件下,得出了QCM 的谐振频率变化与外加质量成正比的结论。对于刚性沉积物,晶体振荡频率变化△F 正比于工作电极上沉积物的质量改变△M。通过这一关系式可得到QCM电极表面的质量变化。

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35º15'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;另外经常加装一些辅助输出设备,例如显示器、打印机等。

应用及展望

    QCM作为微质量传感器具有结构简单、成本低、振动Q值大、灵敏度高、测量精度可以达到纳克量级的优点,被广泛应用于化学、物理、生物、医学和表面科学等领域中,用以进行气体、液体的成分分析以及微质量的测量、薄膜厚度的检测等。根据需要,还可以在金属电极上有选择地镀膜,进一步拓宽其应用。例如,若在电极表面加一层具有选择性的吸附膜,可用来探测气体的化学成分或监测化学反应的进行情况。随着生物科学的蓬勃发展,QCM作为基因传感器在生物领域的应用有着广阔前景。
  QCM具有在线跟踪检测微观过程的变化,获取丰富的在线信息的优点,是其他方法无法比拟的。这项技术以其简便、快捷、灵敏度高、在线跟踪等优势,必将与其他技术结合成为微观过程与作用机理研究,微量、痕量物质的检测等方面十分有效的手段,获得广泛应用,并从简单的浓度测定深入到动力学过程机理的研究。今后的发展方向集中在以下几个方面:
    1、对粘弹性层的理论处理。
    2、采用其他表面技术,如表面红外光谱,对晶体表面的界面特性进行深入研究。
    3、微量物质的检测与作用的研究。如以生物组织作为分子识别元件,研究诸如微量元素作用等。

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