石英晶體微天平（Quartz Crystal Microbalance，簡稱QCM）是一種基于壓電效應(yīng)的高靈敏度質(zhì)量檢測技術(shù)，核心通過測量石英晶體振動頻率的變化，精準(zhǔn)量化其表面微小質(zhì)量的吸附、脫附或沉積，檢測精度可達納克級甚至皮克級，相當(dāng)于能感知 “單分子層厚度" 的質(zhì)量變化，廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測、真空鍍膜等領(lǐng)域。
一、核心工作原理：從 “壓電效應(yīng)" 到 “質(zhì)量 - 頻率關(guān)聯(lián)"
QCM 的核心是AT 切型石英晶體，*常用切型，頻率穩(wěn)定性高，其工作邏輯基于兩個關(guān)鍵物理現(xiàn)象：
1.壓電效應(yīng)：石英是典型壓電材料
• 逆壓電效應(yīng)：對晶體施加交變電場時，晶體會沿特定方向產(chǎn)生周期性機械振動；
• 正壓電效應(yīng)：若晶體表面吸附質(zhì)量，或受機械應(yīng)力，振動頻率會變化，同時晶體表面產(chǎn)生交變電荷。
當(dāng)外加電場頻率與晶體 “固有共振頻率" 一致時，晶體進入諧振狀態(tài)，振動幅度最大、能量損耗最小，此時頻率信號*穩(wěn)定。
• Sauerbrey 方程（定量核心）：1959 年由物理學(xué)家 Günter Sauerbrey 推導(dǎo)，明確了 “晶體共振頻率變化（Δf）" 與 “表面吸附質(zhì)量變化（Δm）" 的線性關(guān)系，是 QCM 定量分析的基礎(chǔ)
二、QCM 的核心結(jié)構(gòu)：4 大模塊協(xié)同實現(xiàn) 質(zhì)量→信號 轉(zhuǎn)換
典型 QCM 系統(tǒng)由以下關(guān)鍵部分組成，共同完成 “質(zhì)量變化→頻率變化→電信號→數(shù)據(jù)輸出" 的全過程：
結(jié)構(gòu)模塊 | 核心功能 |
石英晶體芯片 | 傳感核心，表面通常鍍有金屬電極（如 Au、Ag，用于傳導(dǎo)電場 + 提供吸附基底）；部分芯片帶凹槽、涂層或陣列，適配液體、真空等不同場景。 |
振蕩電路 | 為晶體提供交變電場，維持其諧振狀態(tài)；同時實時采集晶體的共振頻率信號，將頻率變化轉(zhuǎn)化為可檢測的電信號。 |
信號檢測與處理單元 | 將振蕩電路輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過算法計算頻率變化量（Δf），再結(jié)合 Sauerbrey 方程反推質(zhì)量變化（Δm），最終以數(shù)據(jù)或曲線形式輸出。 |
環(huán)境控制模塊（可選） | 根據(jù)應(yīng)用場景配置：如恒溫 / 控溫模塊（溫度會影響晶體頻率，需補償）、流動池（液體環(huán)境檢測，如生物分子相互作用）、真空腔（真空鍍膜監(jiān)測）、濕度控制單元（氣相吸附實驗）等。 |
三、典型應(yīng)用場景：從科研到工業(yè)的多領(lǐng)域覆蓋
• 材料科學(xué)：監(jiān)測薄膜沉積速率，如真空鍍膜中金屬、氧化物薄膜的生長過程、涂層附著力與厚度均勻性。
• 生物醫(yī)學(xué)：分析生物分子相互作用，如抗原 - 抗體結(jié)合、蛋白質(zhì) - DNA 結(jié)合、細胞黏附與增殖、藥物篩選-檢測藥物與靶點的結(jié)合能力。
• 環(huán)境監(jiān)測：實時檢測空氣中的顆粒物，如 PM2.5、揮發(fā)性有機物（VOCs）吸附量，或水中重金屬離子、污染物濃度。
• 能源領(lǐng)域：研究電池電極材料的充放電過程，如鋰離子嵌入 / 脫嵌導(dǎo)致的質(zhì)量變化、燃料電池催化劑的穩(wěn)定性。
• 食品工業(yè)：快速檢測食品中的微生物，如大腸桿菌、過敏原，如牛奶蛋白，或監(jiān)測食品包裝的氣體透過率。
四、常見品牌及型號
美國 SRS（Stanford Research Systems）的QCM200 是一款性價比高、易用且文檔完善的臺式 QCM，適合教學(xué)與常規(guī)科研；若需要更高頻率穩(wěn)定度或 “頻率 + 耗散（QCM-D）"，建議優(yōu)先評估 QCM200 的擴展方案或同級競品。國內(nèi)可通過授權(quán)代理渠道采購，支持現(xiàn)貨與配套服務(wù)。
1.核心參數(shù)與適用場景
1. 基礎(chǔ)配置：內(nèi)置頻率計與電阻計，RS-232，Win/Mac 軟件，可與恒電位儀聯(lián)動（Analog out）。
2. 靈敏度與下限：5 MHz AT-cut 晶體，納克級質(zhì)量分辨率，適合單分子層量級吸附 / 沉積的實時監(jiān)測。
3. 穩(wěn)定性：可外接 10 MHz 高精度時基（如銣鐘）提升長期穩(wěn)定度，適配長時間實驗。
4. 負載與溶液：可在高甘油等高損耗體系中維持振蕩，適合黏彈性膜 / 高黏液體場景。
5. 應(yīng)用覆蓋：免疫傳感、蛋白質(zhì)吸附、自組裝膜、薄膜生長、腐蝕 / 氧化、LB 膜等。
2.購買渠道：
美國 SRS（Stanford Research Systems）授權(quán)代理 / 經(jīng)銷商：先鋒科技提供現(xiàn)貨、報價、安裝培訓(xùn)與售后，縮短貨期與溝通成本。
