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1、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的的应用三、 KSSV QCMM500的工工作原理四、 KSV-QCM5000的特点及及技术参数五、 实例 一、什么是石英英微天平(QQCM)? Pieerre和MMarie Curiee在18800年指出在晶晶体的某个方方向施加压力力后，四水合合酒石酸钾钠钠晶体会产生生电压。后来来他们还指出出存在相反的的效应，也即即施加电压会会产生应变。正正是通过这些些观察结果从从而导致了压压电效应的发发现。起初压压电效应无人人问津，直到到1917年年发现石英可可用作传感器器和水中超声声波接收机后后，才开始对对压电效应进进行了
2、许多详详尽研究。到到1919年年开始出现了了一些今天日日常生活中所所用的设备，例例如扩音器、麦麦克风和拾音音器，它们都都是基于四水水合酒石酸钾钾钠压效应的的原理。到11921年出出现了第一台台石英晶控振振荡器，它基基于X切割晶晶体。它的缺缺点是对温度度很敏感。因因此，现在XX切割晶体被被用于那些即即便很大的温温度系数它的的影响也极其其微弱的领域域，如空间声声纳仪中的变变频器。 19334年在引入入了AT切割割晶体后，在在所有的频率率控制应用中中，石英晶体体成为主流趋趋势。AT切切割晶体的优优点是在室温温下，它对温温度几乎没有有频率漂移。自自很早石英谐谐振器开始用用作频率控制制元件以后，在在电极
3、上划铅铅笔标记来增增加谐振器的的频率或者用用橡皮擦去一一些电极材料料来减少频率率已是普遍做做法。这种对对质量导致频频率移动的理理解仅仅建立立在定性基础础上的。然而而在19599年，Sauuerbreey发表论文文指出石英谐谐振器频率的的移动与增加加的质量成正正比例。他此此发现通常被被看作是一个个突破，迈出出了利用一种种新的定量方方法来测量微微量物质的第第一步，例如如石英微天平平。 因此，人人们把QCMM描述成一个个超灵敏的质质量传感器，它它的核心部件件是夹在一对对电极中的AAT切割石英英晶体。在电电极与振荡器器连接并施加加交流电压之之后，石英晶晶体因为压电电效应会以它它的谐振频率率振荡。因为为
4、高质量的振振荡，所以振振荡通常会很很稳定。 根据SSauerbbrey公式式，如果在一一个或两个电电极上均匀地地制备一个硬硬层，谐振频频率的衰减与与被吸附层的的质量成正比比。 f：所要测定定的频率变化化量f0：石英的固有有频率m：单位面积积的质量变化化量(g/ccm2)A： 压电活性性面积rq：石英的密度度=2.6448g/cmm3m q：石英的的剪切模量=2.947710111g/cmss2. 以下几几种情况不适适用于Sauuerbreey公式：1) 被吸附的的物质在电极极表面上呈非非刚性状态； 2) 被吸附的的物质在电极极表面上滑动动；3) 被吸附的的物质在电极极表面上沉积积的不均匀； 因
5、此，SSauerbbrey公式式仅严格适用用于均匀、同同质、刚性薄薄膜的沉积。由由于这个原因因，很多年来来，QCM仅仅仅被视为气气相物质的检检测器。直到到二十世纪880年代，科科学家们才认认识到如果石石英完全浸入入液体中，也也能受激发产产生稳定的振振荡。Kannazawaa及其合作者者对QCM在在液相中测量量方面做了许许多开拓性的的工作，他们们指出QCMM从空气进入入到液体时，它它的谐振频率率的变化是与与液体的密度度与粘度乘积积的平方根成成正比例的，如如下式。 f：所要测定定的频率变化化量fu：石英的固有有频率rL：与石英接触触的液体的密密度h L：与与石英接触的的液体的粘度度rq：石英的密度
6、度=2.6448g/cmm3m q：石英的的剪切模量=2.947710111g/cms2. 当人们们发现过量的的粘性载荷并并不妨碍在液液体中使用QQCM，而且且它对固-液液态中质量的的变化仍然非非常灵敏，QQCM就被用用于直接与液液体和/或粘粘弹性的薄膜膜进行接触来来评估物质量量和粘弹性特特征的变化。甚甚至在空气或或真空中，各各层的振幅衰衰减可看为忽忽略不计或极极其微小，因因此它可用于于探查石英上上的耗散过程程，尤其适用用于沉积在石石英表面的软软性凝聚态物物质，如厚的的聚合物层。 二、QCM的应应用 QCMM是一款最主主要的质量感感测设备，它它能够在石英英晶体上实时时地测量极微微小的质量变变化
7、。它的灵灵敏度是0.001mgg，几乎比灵灵敏度是0.1mg的电电子微天平高高100倍。这这意味着它所所能测到的质质量变化相当当于单分子层层或单个原子子层的几分之之一。QCMM所具有的高高灵敏度以及及在石英晶体体上可实时测测量质量变化化的特点，使使它在很多领领域的应用上上成为一种极极具吸引力的的技术。特别别是，QCMM系统在用于于流体和粘弹弹性沉积技术术上的发展，使使它受到强烈烈的关注。在在液体系统方方面，QCMM技术的主要要优势在于它它能允许不做做标记的分子子测量。QCCM的部分应应用领域如下下所列，似乎乎也只是我们们的匮乏的想想象力才限制制了它的应用用领域。 Thinn Filmm thi
8、ccknesss moniitorinng in thermmal, ee-beamm, spuutteriing, mmagnettron, ion aand laaser ddeposiition. 在热，电电子束，溅射射，磁控，离离子和激光沉沉积中，用做做厚度监测 Elecctrochhemisttry off inteerfaciial prrocessses att elecctrodee surffaces 电极表面的的界面过程的的电化学 Biottechnoology 生物技术 o Interractioons off DNA and RRNA wiith coomplemmen
9、tarry strrands 互补链的DDNA和RNNA的相互作作用o Speciific rrecognnitionn of pproteiin liggands by immmobillized recepptors, immuunologgical reacttions 免疫反应，静静止受体的蛋蛋白质键的辩辩识o Detecction of viirus ccapsidds, baacteriia, maammaliian ceells 测定病毒微微囊、细菌、哺哺乳动物细胞胞o Adhhesionn of ccells, lipoosomess and proteeins 细胞、磷脂脂和
10、蛋白质的的粘接o Biocoompatiibilitty of surfaaces 表面的生物物相容性 o Formaation and pprevenntion of foormatiion off bioffilms 生物薄膜膜的生成和阻阻长 Functtionallized surfaaces 功能表面o Creattion oof sellectivve surrfacess 创造选选择性表面o Lipidd membbraness 磷脂膜膜o Polymmer cooatinggs 聚合合物涂层o Reacttive ssurfacces 反反应性涂层o Gas ssensorrs
11、气体体传感器o Immunnosenssors 免疫传感器器 Thinn filmm formmationn 薄膜的的制备o Langmmuir aand Laangmuiir-Bloodgettt filmms Laangmuiir膜和LBB膜o Self-assemmbled monollayerss 自组装装单分子层o Polyeelectrrolytee adsoorptioon 聚电电解质的吸附附o Spin coatiing 旋旋状涂层o Bilayyer foormatiion 双双层膜o Adsorrbed mmonolaayers 吸附的单单分子层 Surfaactantt
12、reseearch 表面活性性剂研究o Surfaactantt inteeractiions wwith ssurfacces 表表面活性剂与与表面的相互互作用o Efecttiveneess off surffactannts 表表面活性剂的的效果 Drugg Reseearch 药物研究究o Dissoolutioon of polymmer cooatinggs 聚合合物包衣的溶溶解o Moleccular interractioon of drugss 药物分分子的相互作作用o Cell respoonse tto phaarmacoologiccal suubstannces 医药
13、物质的的细胞响应o Drug delivvery 药物传递 Liquuid Pllatingg & Ettchingg 电镀和刻刻蚀 In ssitu mmonitooring of luubricaant annd pettroleuum proopertiies 在在线监测润滑滑剂和石油的的性能 三、KSV-QQCM5000的工作原理理 KSVV-QCM5500的测试试原理主要是是基于石英的的阻抗分析。据据此，石英并并非总能产生生谐振，通过过在石英上施施加一系列频频率不同但又又接近共振频频率的扰动电电压的扫描，记记录施加的电电压(U)以以及产生的电电流(I)。电电压(U)和和电流(I)的比
14、值就是是阻抗，该扫扫描曲线就叫叫做阻抗曲线线(它的逆曲曲线叫做电导导曲线)。阻阻抗曲线或者者电导曲线都都能够提供关关于石英特性性及在其上的的沉积层的所所有信息(参参见图2a)。 该扫描曲线可以以是时间的函函数，它既可可用于测量石石英电极表面面上的质量变变化情况，也也能用于稳定定状态的研究究。通常，类类似图2b中中的电路模型型符合阻抗曲曲线，并且所所得到的参数数可用于计算算石英的谐振振频率和质量量因子(Q)或者耗散(D)，比如如沉积层的质质量和粘弹性性能等。总之之，当曲线上上电导达到最最大值时，所所得到的频率率即是石英的的固有频率，反反之，曲线上上电导波形越越宽，值越低低，质量因子子(Q)值就就
15、越低，发生生的耗散就越越多。图2aa也说明了刚刚性沉积层或或粘性液体是是怎样影响电电导曲线的。因因此，KSVV-QCM5500可以测测量石英的不不同谐波，为为测定涂层的的粘弹系数提提供了额外的的有价值信息息。在多数情情况下，对于于微量称重应应用而言，石石英谐振器是是与振荡电路路集成在一起起来构成QCCM的。尽管管这种只测量量石英谐振频频率的方式很很廉价而且很很方便，但它它却不能提供供任何有关谐谐振质量方面面的信息(QQ值)，而这这恰恰对粘-弹性方面的的分析很有用用。测定阻抗抗或电导曲线线有如下优点点：1. 可以得到到频率(f)、谐振质量量(Q 因子子)或者是耗耗散值；2. 可以逐一一测量不同的的谐波；3. 可以直接接检测到那些些我们不希望望得到的反常常情况，包括括螺旋状的谐谐振或者失真真的谐
