石英晶体微天平(eQCM)在电化学方面的应用 1 前言 石英晶体微天平是以石英晶体为换能元件，利用石英晶体的压电效应，将待测物质的质量信号转换成频率信号输出，从而实现质量、浓度等检测的仪器，测量精度可以达纳克量级。Bruckenstein 等人又将QCM 引入电化学研究，将QCM技术与电化学技术联用组成电石英晶体微天平系统 (eQCM)。由于 eQCM 能在获得电化学信息的同时又能得到电极表面质量变化的信息。因此 eQCM 迅速引起了科学家的兴趣。 2 石英晶体微天平简介 2.1 定义 石英晶体微天平（Quartz Crystal Microbalance－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，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。 2.2 基本原理与构造 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 的值为几十m H 到几百m H。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，再通过主机将测得的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。 eQCM 主要是由石英晶体传感器(换能器)、传感器接口电路(主要振荡检测电路)和信号检测与数据处理(核心是微处理器或微控制器)等部分组成[1]，图 1 是eQCM 组成结构图。...
