什么是石英晶體微天平（QCM）？

作者簡介：

Malin Edvardsson

馬琳,博士，主修物理專業(yè)，于2006年畢業(yè)于Chalmers University of Technology，此前她的研究主要集中在QCM-D技術(shù)方面。此后她也一直致力于QCM-D技術(shù)在世界范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用。

測量納克級別的質(zhì)量變化的 “天平”

石英晶體微天平或QCM，就像它的名字一樣，本質(zhì)上是一個用于稱量非常小的質(zhì)量變化的天平。它不像我們?nèi)粘Ｉ�活中所用的測量磅或公斤級別的那種天平。石英晶體微天平（QCM）和它家族的兄弟們，可用來測量納克級的質(zhì)量變化，它所測量的質(zhì)量是實時的，一旦質(zhì)量增加或下降，用戶便可以捕捉到這一微小的變化。也就是說，QCM可以檢測出表面上增加或減少的及其微小的質(zhì)量變化。

為什么要稱量這么小的質(zhì)量呢？

圖1. QCM和它家族的兄弟們是用來測量非常小的質(zhì)量的天平。不同于廚房秤那種測量磅或公斤級質(zhì)量的天平，QCM可以用來測量納克級的質(zhì)量。

那么問題是，為什么會有人想要測量某種材料納克級的質(zhì)量變化呢？我們每天都要使用的許多物品中，如智能手機(jī)觸摸屏，都有非常薄的涂層，知道它們到底有多薄或多厚，才能保持最佳功能是非常有必要的。此外，測量質(zhì)量如何隨時間變化，可以提供材料的某些非常有用的信息，例如眼淚中的蛋白質(zhì)，能夠隨著時間的推移與隱形眼鏡表面發(fā)生相互作用。QCM檢測就可以針對這樣的事實，當(dāng)我們感興趣的表面材料置于能夠與其發(fā)生相互作用并最終能夠成功吸附在其表面的分子之中時，QCM檢測的結(jié)果將是表面質(zhì)量的增加。質(zhì)量的變化便可以證實相互作用的發(fā)生。或者，如果沒有檢測到質(zhì)量的增加，確認(rèn)沒有相互作用發(fā)生，即沒有分子粘附在表面上。因此，QCM是一種通過監(jiān)測表面質(zhì)量的實時變化，從而定性和定量的研究分子和表面間相互作用的方法。

你可以用QCM測量什么？

圖2. 分子附著在QCM芯片表面的示意圖(頂部)和所檢測到的質(zhì)量增加(底部)

圖3. 分子從QCM芯片表面脫附的示意圖（頂部）和因此檢測到的質(zhì)量的損失（底部）

依然使用上面提到的隱形眼鏡的例子，我們想設(shè)計一種可以全年佩戴的新型隱形眼鏡。便需要測試眼淚中的蛋白質(zhì)是否會隨時間的推移而在隱形眼鏡表面上發(fā)生吸附作用。為實現(xiàn)這一目的，我們在QCM芯片表面鍍上一層與隱形眼鏡材料相同的薄膜，并引入流動的眼淚或眼淚中的蛋白質(zhì)溶液到芯片表面上。然后我們可以評估是否發(fā)生了質(zhì)量的變化，便可以說明蛋白質(zhì)是否吸附在了在表面上。圖2，并修改隱形眼鏡的材料，直到某一種材料可以防止任意蛋白質(zhì)的粘附。

如上所述，QCM不僅可以檢測質(zhì)量的增加，它還可以監(jiān)測質(zhì)量的損失。圖3，一個說明測量質(zhì)量損失也同樣重要的例子是分析洗碗機(jī)洗滌劑如何清潔和去除污垢。比如說我們想開發(fā)一種新的洗碗機(jī)清潔劑，并評估它在去除玻璃表面油污方面的效果。我們開始將油污涂在QCM芯片表面上，接下來，引入一種新的洗碗清潔劑在芯片表面上流動，以確定是否有質(zhì)量損失，這就相當(dāng)于是被洗去的油污。QCM使我們能夠?qū)崟r監(jiān)控清洗過程，當(dāng)流動結(jié)束時，表面是否完全清潔或者表面也許還有油污殘留。

下面是來自我們的一位用戶的評價：

 “I can tell you that for every electron moved, this amount of mass changed. That’s powerful. You can’t really get that with any other system”

/ Jodie Lutkenhaus, Associate Professor, Texas A&M University