石英晶體微天平的使用原理決定了它的未來

　　石英晶體微天平的發(fā)展始于上世紀(jì)60年代初期，它是一種非常靈敏的質(zhì)量檢測(cè)儀器，其測(cè)量精度可達(dá)納克級(jí)，比靈敏度在微克級(jí)的電子微天平高100 倍，理論上可以測(cè)到的質(zhì)量變化相當(dāng)于單分子層或原子層的幾分之一。石英晶體微天平利用了石英晶體諧振器的壓電特性，將石英晶振電極表面質(zhì)量變化轉(zhuǎn)化為石英晶體振蕩電路輸出電信號(hào)的頻率變化，進(jìn)而通過計(jì)算機(jī)等其他輔助設(shè)備獲得高精度的數(shù)據(jù)。

　　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(yīng)：石英晶體內(nèi)部每個(gè)晶格在不受外力作用時(shí)呈正六邊形，若在晶片的兩側(cè)施加機(jī)械壓力，會(huì)使晶格的電荷中心發(fā)生偏移而極化，則在晶片相應(yīng)的方向上將產(chǎn)生電場(chǎng)；反之，若在石英晶體的兩個(gè)電極上加一電場(chǎng)，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械形變，這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。[2]如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)晶片的機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。在一般情況下，晶片機(jī)械振動(dòng)的振幅和交變電場(chǎng)的振幅非常微小，但當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特定值時(shí)，振幅明顯加大，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振。[3]它其實(shí)與LC振蕩電路的諧振現(xiàn)象十分相似：當(dāng)晶體不振動(dòng)時(shí)，可把它看成一個(gè)平板電容器稱為靜電電容C，一般約幾個(gè)皮法到幾十皮法；當(dāng)晶體振蕩時(shí)，機(jī)械振動(dòng)的慣性可用電感L來等效，一般值為幾十毫亨利到幾百毫亨利。由此就構(gòu)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(jī)將測(cè)得的諧振頻率收集并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)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(guān)，而且可以做得準(zhǔn)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 年德國(guó)科學(xué)家G. Sauerbrey 研究發(fā)現(xiàn)，如果在晶體表面上鍍一層薄膜，則晶體的振動(dòng)就會(huì)減弱，而且還發(fā)現(xiàn)這種振動(dòng)或者頻率的減少是由薄膜的厚度和密度決定的。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(zhì)量成正比的結(jié)論。

　　主要由石英晶體傳感器、信號(hào)收集、信號(hào)檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理等部分組成。石英晶體傳感器則是其核心的構(gòu)件，其基本構(gòu)造是：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。[6]在它的兩個(gè)對(duì)應(yīng)面上涂敷金層作為電極，石英晶體夾在兩片電極中間形成三明治結(jié)構(gòu)。根據(jù)需要，還可以在金屬電極上有選擇地鍍膜來進(jìn)一步拓寬其應(yīng)用。例如，在電極表面加一層具有選擇性的吸附膜，可用來探測(cè)氣體的化學(xué)成分或監(jiān)測(cè)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行情況；不同金屬及金屬氧/氮化物鍍膜，以及合金鍍層可用來進(jìn)行金屬腐蝕性能和人工關(guān)節(jié)的排異反應(yīng)研究。而表面修飾生物材料如多肽，生物素等可以讓QCM作為基因傳感器在生物領(lǐng)域的有著廣闊應(yīng)用。

　　這項(xiàng)技術(shù)以其簡(jiǎn)便、快捷、靈敏度高、在線跟蹤等優(yōu)勢(shì)，必將與其他技術(shù)結(jié)合成為微觀過程與作用機(jī)理研究，微量、痕量物質(zhì)的檢測(cè)等方面十分有效的手段，獲得廣泛應(yīng)用。