（精）08石英晶体微天平[1]

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1、医学实验学05级本科生王卓然90513102李妍90513105尚维90513106石英晶体微天平的基本原理及其在生物医学研究中的应用摘要：本文综述了石英晶体微天平（QuartzCrystalMicrobalance－QCM）的基本原理、组成结构、适用范围和特点，以及它在化学和生物医学中的应用及发展前景，并对于其突出优点和局限性进行比较分析。关键词：石英晶体微天平；压电效应；电化学；生物医学；应用引言：石英晶体微天平（QuartzCrystalMicrobalance－QCM）的发展始于上世纪60年代初期，它是一种非常灵敏的质量检测仪器

2、，其测量精度可达纳克级，比灵敏度在微克级的电子微天平高100倍，理论上可以测到的质量变化相当于单分子层或原子层的几分之一。石英晶体微天平利用了石英晶体谐振器的压电特性，将石英晶振电极表面质量变化转化为石英晶体振荡电路输出电信号的频率变化，进而通过计算机等其他辅助设备获得高精度的数据。QMC所具有的高灵敏度和实时测量质量改变的特点使其在化学和生物医学研究领域的应用备受关注。一、石英晶体微天平的基本原理：石英晶体微天平最基本的原理是利用了石英晶体的压电效应：石英晶体内部每个晶格在不受外力作用时呈正六边形，若在晶片的两侧施加机械压力，会使晶格

3、的电荷中心发生偏移而极化，则在晶片相应的方向上将产生电场；反之，若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形，这种物理现象称为压电效应。如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，这种现象称为压电谐振。它其实与LC回路的谐振现象十分相似：当晶体不振动时，可把它看成一个平板电容器称为静电电容C，一般约几个PF到几十PF；当晶体振荡时，机械振动的惯性可用电感L来等效，一般L的值为

4、几十mH到几百mH。由此就构成了石英晶体微天平的振荡器，电路的振荡频率等于石英晶体振荡片的谐振频率，再通过主机将测的得谐振频率转化为电信号输出。由于晶片本身的谐振频率基本上只与晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关，而且可以做得精确，因此利用石英谐振器组成的振荡电路可获得很高的频率稳定度。1医学实验学05级本科生王卓然90513102李妍90513105尚维905131061959年Sauerbrey在假定外加持量均匀刚性地附着于QCM的金电极表面的条件下，得出了QCM的谐振频率变化与外加质量成正比的结论。对于刚性沉积物，晶体振荡频率变化△

5、F正比于工作电极上沉积物的质量改变△M。只要(1)△F小于2％F0；(2)溶剂的粘弹性不变；(3)沉积物的厚度基本均匀则有Sauerbrey公式成立：（1）F0：石英品振的基频(MHz)；△F：石英品振的额率改变量又称频移值(Hz)；△M：2沉积在电极上的物质质量改变(g)；A：工作电极的面积(cm)；ρ为石英晶体密度；µ为剪切系数。1985年Kanazawa和Gordon推出了QCM在牛顿流体中振荡时其谐振频率变化与液体的粘度和密度的关系式[1]，即：（2）从式（1）、（2）可以看出，QCM谐振频率的变化量Δf是关键的待测量。二、石英

6、晶体微天平的主要构造：QCM主要由石英晶体传感器、信号检测和数据处理等部分组成。石英晶体传感器的基本构成大致是：从一块石英晶体上沿着与石英晶体主光轴成35015'切割(AT—CUT)得到石英晶体振荡片，在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，石英晶体夹在两片电极中间形成三明治结构。在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。石英晶体微天平的其他组成结构在不同型号和规格的仪器中也不尽相同，可根据测量需要选用或联用。一般附属结构还包括振荡线路、频率计数器、计

7、算机系统等；电化学石英晶体微天平在此基础上还包括恒电位仪、电化学池、辅助电极、参比电极等；另外经常加装一些辅助输出设备，例如显示器、打印机等。三、石英晶体微天平的适用范围和特点1.质量测定：测试表面形成的分子层的质量，测量精度理论上可以达到纳克级。例如，可检测到1%或更低浓度蛋白质单分子层的质量变化。2医学实验学05级本科生王卓然90513102李妍90513105尚维905131062.结构变化：同步测试，通过质量改变信号反映结构变化，因此可以区分两个相似的键合反应或观察到吸附层上发生的相转变。3.实时分析：可以进行实时记录和动力学评

8、估4.无须标记：无须对分子做标记，仪器测定的是分子本身5.表面选择广泛：适用于任何能形成薄膜的表面如金属、高分子、化学表面等四、石英晶体微天平的电化学应用1.金电极上单分子层氧的吸附机理研究Bruckens