石英晶體微天平測試方法

石英晶體微天平（QCM, Quartz Crystal Microbalance）是一種高靈敏度的質量檢測工具，廣泛應用于材料科學、化學分析和生物傳感領域。QCM測試方法通過監測石英晶體的共振頻率變化來精確測量樣品的質量變化，尤其適用于研究納米級別的質量變化。本文將深入探討石英晶體微天平的工作原理、常見的測試方法以及應用實例，幫助科研人員和工程師更好地理解和使用這一重要的測量工具。

石英晶體微天平的工作原理

石英晶體微天平的核心原理基于石英晶體的壓電效應。當電場作用于石英晶體時，晶體會發生形變并產生電荷，反之，施加機械壓力時，石英晶體也會產生電信號。QCM利用這一特性，通過施加交流電信號使石英晶體在特定頻率下振蕩。當有質量附著在晶體表面時，會改變晶體的振蕩頻率，從而推算出附著物的質量變化。

QCM測試的靈敏度極高，能夠檢測到極微小的質量變化，通常達到微克（μg）級別，甚至納克（ng）級別。這使得它在分析薄膜、涂層、分子吸附以及生物分子相互作用等研究中具有不可替代的優勢。

石英晶體微天平的測試方法

1. 頻率變化法 頻率變化法是QCM中常見的測試方法。它通過監測晶體頻率的變化來推算樣品的質量變化。根據愛因斯坦的科學定律，質量附著在晶體表面時，會導致晶體的共振頻率下降。通過精確測量頻率的變化，可以計算出質量的增減。這種方法適用于測量氣體、液體或者固體的附著量。

   

2. 穩態法與動態法 在QCM的實驗中，穩態法和動態法是兩種常見的操作方式。穩態法是在樣品達到穩定附著量后，測量其頻率變化，而動態法則是在樣品附著過程中實時監控頻率的變化，分析附著速率和過程中的變化。動態法適用于實時監測反應過程，如化學反應、生物分子結合等。

3. 溫度和壓力控制法 在某些應用中，溫度和壓力對測量結果有顯著影響，因此需要精確控制實驗條件。通過控制石英晶體微天平的工作環境，如溫度、濕度、壓力等，可以進一步提高測試的精確度。例如，在生物傳感器的應用中，溫度變化可能會導致生物分子活性的改變，因此穩定的溫度控制是至關重要的。

4. 電化學QCM 電化學QCM是結合了QCM和電化學技術的一種先進方法。它通過在石英晶體表面施加電流或電壓，使樣品在電化學反應中發生變化。這種方法常用于研究電化學反應、腐蝕過程以及電極表面上的吸附和脫附現象。

石英晶體微天平的應用領域

石英晶體微天平的應用領域非常廣泛。在生物傳感器中，QCM可以用來研究分子相互作用、抗原與抗體的結合、DNA與RNA的雜交等生物化學過程。通過精確測量分子附著的質量變化，研究人員能夠實時監控生物分子反應，提供無標記檢測方案。

在材料科學中，QCM廣泛用于薄膜沉積、涂層厚度監測以及材料表面的化學改性等實驗。QCM能夠幫助科研人員實時跟蹤薄膜生長過程，提供準確的質量增量數據。

QCM在環境監測、食品安全、藥物研發等領域也有著重要的應用。例如，它可以用于檢測空氣中的有害氣體或食品中的添加劑，通過質量變化的檢測提供實時監控。

總結

石英晶體微天平作為一種高靈敏度的質量傳感器，具有廣泛的應用潛力和發展前景。通過不同的測試方法和實驗技巧，科研人員能夠在納米尺度上精確測量質量變化，并從中獲得有關分子相互作用、薄膜沉積及反應動力學等重要信息。在未來，隨著技術的不斷進步和優化，QCM將進一步推動各個科學領域的發展，成為更加重要的實驗工具。

試驗方法

概述

一般方法給出了可被普遍用于各類材料的測量方法，對于一個特定類型的材料，應使用本部分規定的特定的試驗方法.

體積電阻和體積電阻率的測量應考慮測量電路的特性以及該材料的特有電性能。

試驗時，所施加的試驗電壓很高，應注意防止觸電。

試驗施加電壓所產生的極化效應會影響下一次的測量結果，因此連續兩次測量期間應保證足夠長 的時間間隔，以消除極化效應.

注：對于體積電阻不大于io" n的材料，i h的時間間隔是足械的.

電源與電壓

所施加電壓源應為穩定的直流電壓源，可由蓄電池或整流穩壓電源提供.對于電源的穩定度，由電 壓不穩所引起的電流變化應足夠小，而不影響測量的有效性.

注1：電壓源的紋波特性是十分具有參考價值的，電源電壓為100 V時,紋波系數小于5X10-*.

試驗電壓通常規定為10 V、100 V、500 V、1 000 V和10 000 V.如無特殊規定，推薦采用100 V 電壓。

注2：超過規定的起始電壓會引起局部放電，可能導致測量誤差.若在空氣中進行試驗時,試驗電壓低于340 V,不 會引起局部放電.

微水儀采用卡爾－菲休庫侖法測定性質不同的固體、液體、氣體中微量水分的含量。具有測量精度高、速度快、測定數據穩定可靠等優點　

　　微水儀的測試方法：

　　1.連接設備

　　將測量管道上螺紋端與開關接頭連接好，用扳手擰緊，關閉測量管道上另一端的針型閥；再把測試管道上的快速接頭一端插入儀器上的采樣口；將排氣管道連接到出氣口。后將開關接頭與電氣設備測量接口連接好，用扳手擰緊；

　　2.檢查電量

　　本儀器推薦優先使用交流電。使用直流電時，請查看右上角顯示的電池電量，如果電量低于，請關機充電后繼續使用。

　　3.開始測量

　　首先全部打開儀測量管道上的針型閥，然后用面板上的流量閥調節流量，把流量調節到左右，開始測量。一設備測量時間需要5～10分鐘，其后每臺設備需要3～5分鐘。

　　4.存儲數據

　　設備測量完成后，可以將數據保存在儀器中，按“確定”鍵調出操作菜單，具體操作方式見下節內容。

　　5.測量其他設備

　　一臺設備測量后，關閉測量管道上的針型閥和儀器上的調節閥。將轉接頭從電氣設備上取下。如果需要繼續測量其他設備，按照上面步驟繼續測量下一臺設備。