石英晶體微天平（Quartz Crystal Microbalance，簡(jiǎn)稱QCM）是一種基于壓電效應(yīng)的高靈敏度質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)，核心通過(guò)測(cè)量石英晶體振動(dòng)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(cè)精度可達(dá)納克級(jí)甚至皮克級(jí)，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(cè)、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(gè)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(duì)晶體施加交變電場(chǎng)時(shí)，晶體會(huì)沿特定方向產(chǎn)生周期性機(jī)械振動(dòng)；
• 正壓電效應(yīng)：若晶體表面吸附質(zhì)量，或受機(jī)械應(yīng)力，振動(dòng)頻率會(huì)變化，同時(shí)晶體表面產(chǎn)生交變電荷。
當(dāng)外加電場(chǎng)頻率與晶體 “固有共振頻率" 一致時(shí)，晶體進(jìn)入諧振狀態(tài)，振動(dòng)幅度最大、能量損耗最小，此時(shí)頻率信號(hào)*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(shí)現(xiàn) 質(zhì)量→信號(hào) 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(hào)→數(shù)據(jù)輸出" 的全過(guò)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(chǎng) + 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(chǎng)景。 |
振蕩電路 | 為晶體提供交變電場(chǎng)，維持其諧振狀態(tài)；同時(shí)實(shí)時(shí)采集晶體的共振頻率信號(hào)，將頻率變化轉(zhuǎn)化為可檢測(cè)的電信號(hào)。 |
信號(hào)檢測(cè)與處理單元 | 將振蕩電路輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)算法計(jì)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(chǎng)景配置：如恒溫 / 控溫模塊（溫度會(huì)影響晶體頻率，需補(bǔ)償）、流動(dòng)池（液體環(huán)境檢測(cè)，如生物分子相互作用）、真空腔（真空鍍膜監(jiān)測(cè)）、濕度控制單元（氣相吸附實(shí)驗(yàn)）等。 |
三、典型應(yīng)用場(chǎng)景：從科研到工業(yè)的多領(lǐng)域覆蓋
• 材料科學(xué)：監(jiān)測(cè)薄膜沉積速率，如真空鍍膜中金屬、氧化物薄膜的生長(zhǎng)過(guò)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(xì)胞黏附與增殖、藥物篩選-檢測(cè)藥物與靶點(diǎn)的結(jié)合能力。
• 環(huán)境監(jiān)測(cè)：實(shí)時(shí)檢測(cè)空氣中的顆粒物，如 PM2.5、揮發(fā)性有機(jī)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(guò)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(cè)食品中的微生物，如大腸桿菌、過(guò)敏原，如牛奶蛋白，或監(jiān)測(cè)食品包裝的氣體透過(guò)率。
四、常見(jiàn)品牌及型號(hào)
美國(guó) SRS（Stanford Research Systems）的QCM200 是一款性價(jià)比高、易用且文檔完善的臺(tái)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(píng)估 QCM200 的擴(kuò)展方案或同級(jí)競(jìng)品。國(guó)內(nèi)可通過(guò)授權(quán)代理渠道采購(gòu)，支持現(xiàn)貨與配套服務(wù)。
1.核心參數(shù)與適用場(chǎng)景
1. 基礎(chǔ)配置：內(nèi)置頻率計(jì)與電阻計(jì)，RS-232，Win/Mac 軟件，可與恒電位儀聯(lián)動(dòng)（Analog out）。
2. 靈敏度與下限：5 MHz AT-cut 晶體，納克級(jí)質(zhì)量分辨率，適合單分子層量級(jí)吸附 / 沉積的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
3. 穩(wěn)定性：可外接 10 MHz 高精度時(shí)基（如銣鐘）提升長(zhǎng)期穩(wěn)定度，適配長(zhǎng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)。
4. 負(fù)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(chǎng)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(zhǎng)、腐蝕 / 氧化、LB 膜等。
2.購(gòu)買(mǎi)渠道：
美國(guó) SRS（Stanford Research Systems）授權(quán)代理 / 經(jīng)銷商：先鋒科技提供現(xiàn)貨、報(bào)價(jià)、安裝培訓(xùn)與售后，縮短貨期與溝通成本。
