基本原理

　　石英晶體微天平最基本的原理是利用了石英晶體的壓電效應：石英晶體內(nèi)部每個晶格在不受外力作用時呈正六邊形，若在晶片的兩側施加機械壓力，會使晶格的電荷中心發(fā)生偏移而極化，則在晶片相應的方向上將產(chǎn)生電場;反之，若在石英晶體的兩個電極上加一電場，晶片就會產(chǎn)生機械變形，這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應。如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會產(chǎn)生機械振動，同時晶片的機械振動又會產(chǎn)生交變電場。在一般情況下，晶片機械振動的振幅和交變電場的振幅非常微小，但當外加交變電壓的頻率為某一特定值時，振幅明顯加大，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振。它其實與LC 回路的諧振現(xiàn)象十分相似：當晶體不振動時，可把它看成一個平板電容器稱為靜電電容C，一般約幾個PF 到幾十PF;當晶體振蕩時，機械振動的慣性可用電感L 來等效，一般L 的值為幾十mH 到幾百mH。由此就構成了石英晶體微天平的振蕩器，電路的振蕩頻率等于石英晶體振蕩片的諧振頻率，再通過主機將測的得諧振頻率轉化為電信號輸出。由于晶片本身的諧振頻率基本上只與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸有關，而且可以做得精確，因此利用石英諧振器組成的振蕩電路可獲得很高的頻率穩(wěn)定度。

　　1959 年 Sauerbrey 在假定外加持量均勻剛性地附著于QCM 的金電極表面的條件下，得出了QCM 的諧振頻率變化與外加質量成正比的結論。對于剛性沉積物，晶體振蕩頻率變化△F 正比于工作電極上沉積物的質量改變△M。通過這一關系式可得到QCM電極表面的質量變化。

　　主要構造

　　QCM 主要由石英晶體傳感器、信號檢測和數(shù)據(jù)處理等部分組成。石英晶體傳感器的基本構成大致是：從一塊石英晶體上沿著與石英晶體主光軸成35°15切割(AT—CUT)得到石英晶體振蕩片，在它的兩個對應面上涂敷銀層作為電極，石英晶體夾在兩片電極中間形成三明治結構。在每個電極上各焊一根引線接到管腳上，再加上封裝外殼就構成了石英晶體諧振器，其產(chǎn)品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。

　　石英晶體微天平的其他組成結構在不同型號和規(guī)格的儀器中也不盡相同，可根據(jù)測量需要選用或聯(lián)用。一般附屬結構還包括振蕩線路、頻率計數(shù)器、計算機系統(tǒng)等;電化學石英晶體微天平在此基礎上還包括恒電位儀、電化學池、輔助電極、參比電極等;另外經(jīng)常加裝一些輔助輸出設備，例如顯示器、打印機等。

　　應用及展望

　　QCM(Quartz Crystal Microbalance)作為微質量傳感器具有結構簡單、成本低、振動Q值大、靈敏度高、測量精度可以達到納克量級的優(yōu)點，被廣泛應用于化學、物理、生物、醫(yī)學和表面科學等領域中，用以進行氣體、液體的成分分析以及微質量的測量、薄膜厚度的檢測等。根據(jù)需要，還可以在金屬電極上有選擇地鍍膜，進一步拓寬其應用。例如，若在電極表面加一層具有選擇性的吸附膜，可用來探測氣體的化學成分或監(jiān)測化學反應的進行情況。隨著生物科學的蓬勃發(fā)展，QCM作為基因傳感器在生物領域的應用有著廣闊前景。

　　QCM具有在線跟蹤檢測微觀過程的變化，獲取豐富的在線信息的優(yōu)點，是其他方法無法比擬的。這項技術以其簡便、快捷、靈敏度高、在線跟蹤等優(yōu)勢，必將與其他技術結合成為微觀過程與作用機理研究，微量、痕量物質的檢測等方面十分有效的手段，獲得廣泛應用，并從簡單的濃度測定深入到動力學過程機理的研究。