石英微天平分析仪(QCM)介绍

三、 KSV QCM500的工作原理

Pierre和Marie Curie在1880年指出在晶体的某个方向施加压力后，四水合酒石酸钾钠晶体会产生电压。后来他们还指出存在相反的效应，也即施加电压会产生应变。正是通过这些观察结果从而导致了压电效应的发现。起初压电效应无人问津，直到1917年发现石英可用作传感器和水中超声波接收机后，才开始对压电效应进行了许多详尽研究。到1919年开始出现了一些今天日常生活中所用的设备，例如扩音器、麦克风和拾音器，它们都是基于四水合酒石酸钾钠压效应的原理。到1921年出现了台石英晶控振荡器，它基于X切割晶体。它的缺点是对温度很敏感。因此，现在X切割晶体被用于那些即便很大的温度系数它的影响也极其微弱的领域，如空间声纳仪中的变频器。

1934年在引入了AT切割晶体后，在所有的频率控制应用中，石英晶体成为主流趋势。AT切割晶体的优点是在室温下，它对温度几乎没有频率漂移。自很早石英谐振器开始用作频率控制元件以后，在电极上划铅笔标记来增加谐振器的频率或者用橡皮擦去一些电极材料来减少频率已是普遍做法。这种对质量导致频率移动的理解仅仅建立在定性基础上的。然而在1959年，Sauerbrey发表论文指出石英谐振器频率的移动与增加的质量成正比例。他此发现通常被看作是一个突破，迈出了利用一种新的定量方法来测量微量物质的步，例如石英微天平。

因此，人们把QCM描述成一个超灵敏的质量传感器，它的核心部件是夹在一对电极中的AT切割石英晶体。在电极与振荡器连接并施加交流电压之后，石英晶体因为压电效应会以它的谐振频率振荡。因为高质量的振荡，所以振荡通常会很稳定。

根据Sauerbrey公式，如果在一个或两个电极上均匀地制备一个硬层，谐振频率的衰减与被吸附层的质量成正比。

△f：所要测定的频率变化量

f­­₀­­：石英的固有频率

△m：单位面积的质量变化量(g/cm²)

A： 压电活性面积

r­_­­_q­：石英的密度=2.648g/cm^3­_­

m _q：石英的剪切模量=2.947×10^11­­g/cm×s².

以下几种情况不适用于Sauerbrey公式：

1) 被吸附的物质在电极表面上呈非刚性状态；

2) 被吸附的物质在电极表面上滑动；

3) 被吸附的物质在电极表面上沉积的不均匀；

因此，Sauerbrey公式仅严格适用于均匀、同质、刚性薄膜的沉积。由于这个原因，很多年来，QCM仅仅被视为气相物质的检测器。直到二十世纪80年代，科学家们才认识到如果石英*浸入液体中，也能受激发产生稳定的振荡。Kanazawa及其合作者对QCM在液相中测量方面做了许多开拓性的工作，他们指出QCM从空气进入到液体时，它的谐振频率的变化是与液体的密度与粘度乘积的平方根成正比例的，如下式。

△f：所要测定的频率变化量

f­­_u­­：石英的固有频率

r­_­­_L­：与石英接触的液体的密度

h _L­­：与石英接触的液体的粘度

r­_­­_q­：石英的密度=2.648g/cm^3­_­

m _q：石英的剪切模量=2.947×10^11­­g/cm×s².

当人们发现过量的粘性载荷并不妨碍在液体中使用QCM，而且它对固-液态中质量的变化仍然非常灵敏，QCM就被用于直接与液体和/或粘弹性的薄膜进行接触来评估物质量和粘弹性特征的变化。甚至在空气或真空中，各层的振幅衰减可看为忽略不计或极其微小，因此它可用于探查石英上的耗散过程，尤其适用于沉积在石英表面的软性凝聚态物质，如厚的聚合物层。

二、QCM的应用

QCM是一款主要的质量感测设备，它能够在石英晶体上实时地测量极微小的质量变化。它的灵敏度是0.001mg，几乎比灵敏度是0.1mg的电子微天平高100倍。这意味着它所能测到的质量变化相当于单分子层或单个原子层的几分之一。QCM所具有的高灵敏度以及在石英晶体上可实时测量质量变化的特点，使它在很多领域的应用上成为一种吸引力的技术。特别是，QCM系统在用于流体和粘弹性沉积技术上的发展，使它受到强烈的关注。在液体系统方面，QCM技术的主要优势在于它能允许不做标记的分子测量。QCM的部分应用领域如下所列，似乎也只是我们的匮乏的想象力才限制了它的应用领域。

· Thin Film thickness monitoring in thermal, e-beam, sputtering, magnetron, ion and laser deposition. 在热，电子束，溅射，磁控，离子和激光沉积中，用做厚度监测

· Electrochemistry of interfacial processes aectrode surfaces 电极表面的界面过程的电化学

· Biotechnology 生物技术

o Interactions of DNA and RNA with complementary strands 互补链的DNA和RNA的相互作用

o Specific recognition of protein ligands by immobilized receptors, immunological reactions

免疫反应，静止受体的蛋白质键的辩识

o Detection of virus capsids, bacteria, mammalian cells 测定病毒微囊、细菌、哺乳动物细胞o Adhesion of cells, liposomes and proteins 细胞、磷脂和蛋白质的粘接

o Biocompatibility of surfaces 表面的生物相容性

o Formation and prevention of formation of biofilms 生物薄膜的生成和阻长

· Functionalized surfaces 功能表面

o Creation of selective surfaces 创造选择性表面

o Lipid membranes 磷脂膜

o Polymer coatings 聚合物涂层

o Reactive surfaces 反应性涂层

o Gas sensors 气体传感器

o Immunosensors 免疫传感器

· Thin film formation 薄膜的制备

o Langmuir and Langmuir-Blodgett films Langmuir膜和LB膜

o Self-assembled monolayers 自组装单分子层

o Polyelectrolyte adsorption 聚电解质的吸附

o Spin coating 旋状涂层

o Bilayer formation 双层膜

o Adsorbed monolayers 吸附的单分子层

· Surfactant research 表面活性剂研究

o Surfactant interactions with surfaces 表面活性剂与表面的相互作用

o Efectiveness of surfactants 表面活性剂的效果

· Drug Research 药物研究

o Dissolution of polymer coatings 聚合物包衣的溶解

o Molecular interaction of drugs 药物分子的相互作用

o Cell response to pharmacological substances 医药物质的细胞响应

o Drug delivery 药物传递

· Liquid Plating & Etching 电镀和刻蚀

· In situ monitoring of lubricant and petroleum properties 在线监测润滑剂和石油的性能

三、KSV-QCM500的工作原理

KSV-QCM500的测试原理主要是基于石英的阻抗分析。据此，石英并非总能产生谐振，通过在石英上施加一系列频率不同但又接近共振频率的扰动电压的扫描，记录施加的电压(U)以及产生的电流(I)。电压(U)和电流(I)的比值就是阻抗，该扫描曲线就叫做阻抗曲线(它的逆曲线叫做电导曲线)。阻抗曲线或者电导曲线都能够提供关于石英特性及在其上的沉积层的所有信息(参见图2a)。

该扫描曲线可以是时间的函数，它既可用于测量石英电极表面上的质量变化情况，也能用于稳定状态的研究。通常，类似图2b中的电路模型符合阻抗曲线，并且所得到的参数可用于计算石英的谐振频率和质量因子(Q)或者耗散(D)，比如沉积层的质量和粘弹性能等。总之，当曲线上电导达到大值时，所得到的频率即是石英的固有频率，反之，曲线上电导波形越宽，值越低，质量因子(Q)值就越低，发生的耗散就越多。图2a也说明了刚性沉积层或粘性液体是怎样影响电导曲线的。因此，KSV-QCM500可以测量石英的不同谐波，为测定涂层的粘弹系数提供了额外的有价值信息。在多数情况下，对于微量称重应用而言，石英谐振器是与振荡电路集成在一起来构成QCM的。尽管这种只测量石英谐振频率的方式很廉价而且很方便，但它却不能提供任何有关谐振质量方面的信息(Q值)，而这恰恰对粘-弹性方面的分析很有用。测定阻抗或电导曲线有如下优点：

1. 可以得到频率(f)、谐振质量(Q 因子)或者是耗散值；

2. 可以逐一测量不同的谐波；

3. 可以直接检测到那些我们不希望得到的反常情况，包括螺旋状的谐振或者失真的谐振，而这些都是由非简谐频带的干扰引起的；

a）

b)

图2. a) 石英电极表面上不同沉积层的电导曲线；

b) 测定石英f 和Q的等价电路模型

· Impedance analysis, high sensitivity 阻抗分析，高灵敏度

· Gas and liquid phase measurements 气、液相测定

· Direct measurements at air/water interfaces 可在气/液界面上直接测定

· Continuous flow measurements 可连续流动测定

· Crystals easily mounted in measuring chamber or crystal holder

在测量室或晶体固定器上很容易地安装晶体

· Flexible choice of surfaces 可灵活选择表面

· Not fixed to any resonant frequency, crystals in the range

不固定任一谐振频率，适合一系列晶体

· 3-50 MHz can be used 频率范围3-50 MHz

· Multi-frequency and temperature controlled measurements 多频和控温测量

· Mass and viscoelastic parameters simultaneously 可同时测量质量和粘-弹性参数

· Real time measurements (seconds) 实时测定

· Easy to use Windows based software 基于视窗系统的软件，易于使用

· Straightforward operation 操作简便

· Mass sensitivity (5 MHz crystal) 质量灵敏度 (例：5 MHz 晶体)

o ~ 1 ng/cm­­­­­­­² in air/gas ~ 1 ng/cm­­­­­­­² (空气/气体环境)

o ~ 5 ng/cm² in liquid ~ 5 ng/cm² (液体环境)

· D-factor sensitivity D因子灵敏度

o ~ 2x10^-8 in air ~ 2x10^-8 (气体环境)

o ~ 3x10^-8 in liquid ~ 3x10^-8 (液体环境)

· Max film thickness ~ 5 mm­­­­_­ 大膜厚：约5mm

· Active sensor area ~ 20 mm^{2 ­­} 活性传感器面积：约20 mm ²

· Frequency range 3-50 MHz 频率范围：3-50 MHz

因为QCM-Z500采用阻抗分析，所以非常适用于在高粘度负荷下的测定。标准测量室既支持气、液环境下的测定，也可以提供用于液体测量的单电极。而这一点对于兼容QCM电化学测定是一个*条件。图3显示了固有频率分别为5和10MHz的抛光镀金石英与不同浓度的甘油溶液接触后的频率变化。而这已被证明是与理论非常一致的。另一方面，图4 显示了电导的曲线相位和振幅曲线，测量电极是抛光镀金的10MHz石英，其数据可以用图3中相同频率的电极的测量结果计算出来的。结果证明QCM-Z500在评估流体性能方面是一个性能非常的工具。

Figure 3. △f versus glycerol weight percentage (in water) as measured with the QCM-Z500 (circles and squares) and predicted by theory (dashed lines) for two different quartz crystals with different fundamental resonance frequency.

Figure 4. Admittance Magnitude and Admittance Phase of a polished, gold coated 10 MHz crystal in contact with different glycerol solutions measured with the QCM-Z500.

任何有质量的东西在QCM传感器上都会产生反应。这也正是它能被应用在众多领域的重要原因。近年来，QCM在生物技术领域的应用有了非常显著的增加。它常常被用来获取有关蛋白质吸附/解吸、细胞粘附、蛋白质间的相互作用、聚合物降解、生物除臭、生物膜制备、药物分析和DNA生物传感器等方面的信息。

图5 显示经过表面处理的5 MHz石英对人类血清的白蛋白（HAS）有不同的吸附特性。测定用的是QCMZ500标准测量室，在憎水- Au、亲水- Au以及LB层表面上的频率变化分别是83、39和36 Hz。该结果与在线椭圆偏振仪对蛋白质在经过不同表面处理的SiO2表面上的吸附所测得的结果一致(参考17)。表格1是对由QCM-Z500和椭圆偏振仪所得到的结果比较，由此可看到这两个结论非常一致。

Figure 5. Frequency changes during adsorption of HSA to 5 MHz crystals with

Different properties.

表1. HAS在不同表面上的吸附量