石英晶體微天平基本原理

一、 石英晶體微天平的基本原理：     
 石英晶體微天平基本的原理是利用了石英晶體的壓電效應：石英晶體內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生偏移而極化，則在晶片相應的方向上將產生電場；反之，若在石英晶體的兩個電極上加一電場，晶片就會產生機械變形，這種物理現象稱為壓電效應。如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會產生機械振動，同時晶片的機械振動又會產生交變電場。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，這種現象稱為壓電諧振。它其實與LC回路的諧振現象十分相似：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定度。 
二、石英晶體微天平的主要構造：      
 QCM主要由石英晶體傳感器、信號檢測和數據處理等部分組成。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35015＇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格的儀器中也不盡相同，可根據測量需要選用或聯用。一般附屬結構還包括振蕩線路、頻率計數器、計算機系統等；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；
 三、石英晶體微天平的分析化學應用      
QCM早應用于氣相組分、有毒易爆氣體的檢測。已對SO2、H2 S、HCI、NH3、NO2、Hg、CO、及其他碳氫化合物、氰化物等有毒易爆氣體進行探測研究。日本的S. Iijima博士首次發現了碳納米管(CNTs) ,其結構是由單層(單壁碳納米管) 或兩層(MWCNTs)以上、極細小的圓筒狀石墨片而形成的中空碳籠管.利用MWCNTs 作為氣敏材料,將其均勻地涂覆在QCM表面形成一敏感薄膜.利用MWCNTs 敏感薄膜對16 mg/m3甲醛和9. 64 mg/ m3 水蒸汽的吸附作用,把甲醛和19. 64 mg/ m3水蒸汽的濃度信號轉化為頻率信號從而對16 mg/ m3 甲醛和9. 64mg/ m3 水蒸汽進行檢測. 
四、石英晶體微天平在生物醫學中的應用       
生物醫學方面，在QCM探頭電極上修飾具有生物活性的特異選擇功能膜即作了壓電晶體生物傳感器,因其對質量變化的高敏感性，傳感器具有特異性好、靈敏度高、成本低廉和操作簡便等優點。現已廣泛應用于分子生物學、病理學、醫學診斷學、細菌學等研究領域,今年來在研究和檢測蛋白質、微生物、核酸、酶、細胞等方面都發揮了重要的作用，具有廣闊的發展前景。