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展始于上世紀60年代初期，它是一種非常靈敏的質量檢測儀器，其測量精度可達納克級，比靈敏度在微克級的電子微天平高100 倍，理論上可以測到的質量變化相當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量變化轉化為石英晶體振蕩電路輸出電信號的頻率變化，進而通過計算機等其他輔助設備獲得高精度的數據。

　　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：石英晶體內部每個晶格在不受外力作用時呈正六邊形，若在晶片的兩側施加機械壓力，會使晶格的電荷中心發生偏移而極化，則在晶片相應的方向上將產生電場；反之，若在石英晶體的兩個電極上加一電場，晶片就會產生機械形變，這種物理現象稱為壓電效應。[2]如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會產生機械振動，同時晶片的機械振動又會產生交變電場。在一般情況下，晶片機械振動的振幅和交變電場的振幅非常微小，但當外加交變電壓的頻率為某一特定值時，振幅明顯加大，這種現象稱為壓電諧振。[3]它其實與LC振蕩電路的諧振現象十分相似：當晶體不振動時，可把它看成一個平板電容器稱為靜電電容C，一般約幾個皮法到幾十皮法；當晶體振蕩時，機械振動的慣性可用電感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，再通過主機將測得的諧振頻率收集并轉化為電信號輸出。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，而且可以做得準確，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定度。

　　1959 年德國科學家G. Sauerbrey 研究發現，如果在晶體表面上鍍一層薄膜，則晶體的振動就會減弱，而且還發現這種振動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量成正比的結論。

　　主要由石英晶體傳感器、信號收集、信號檢測和數據處理等部分組成。石英晶體傳感器則是其核心的構件，其基本構造是：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]在它的兩個對應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構。根據需要，還可以在金屬電極上有選擇地鍍膜來進一步拓寬其應用。例如，在電極表面加一層具有選擇性的吸附膜，可用來探測氣體的化學成分或監測化學反應的進行情況；不同金屬及金屬氧/氮化物鍍膜，以及合金鍍層可用來進行金屬腐蝕性能和人工關節的排異反應研究。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域的有著廣闊應用。

　　這項技術以其簡便、快捷、靈敏度高、在線跟蹤等優勢，必將與其他技術結合成為微觀過程與作用機理研究，微量、痕量物質的檢測等方面十分有效的手段，獲得廣泛應用。