石英晶體微量天平是一種基于壓電效應的超高靈敏度質量檢測儀器，能夠實時、原位地測量納克（ng）甚至皮克（pg）級的質量變化，廣泛應用于物理、化學、生物傳感、材料科學、環(huán)境監(jiān)測及薄膜研究等領域。

　　其核心原理是石英晶體的壓電特性：當在石英晶片兩側施加交變電壓時，晶體會產生穩(wěn)定的厚度剪切振動，其共振頻率與晶體質量密切相關。根據Sauerbrey方程，在剛性、均勻且薄層吸附的條件下，晶體表面質量的微小增加會導致共振頻率線性下降，從而通過精確測量頻率變化（Δf）即可反推出吸附或沉積物質的質量變化。典型QCM系統(tǒng)的質量靈敏度可達0.1–1 ng/cm²，遠高于傳統(tǒng)天平。

　　石英晶體微量天平其應用范圍廣泛，涵蓋材料科學、環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)學、化學傳感、工業(yè)過程控制等多個領域。以下是具體應用范圍及實例：

　　1、材料科學

　　薄膜沉積與表征：

　　QCM可實時監(jiān)測真空鍍膜、化學氣相沉積（CVD）、物理氣相沉積（PVD）等過程中薄膜的質量增長速率、厚度及均勻性，適用于半導體、光學涂層、防腐涂層等領域。

　　材料吸附與解吸研究：

　　分析材料表面（如金屬氧化物、聚合物）對氣體（如水蒸氣、CO?、VOCs）或液體的吸附/解吸動力學，評估材料的吸濕性、透氣性或選擇性吸附性能。

　　納米材料合成：

　　監(jiān)測納米顆粒（如金屬、氧化物）在溶液中的生長過程，通過質量變化推斷顆粒尺寸、形貌及聚集狀態(tài)。

　　2、環(huán)境監(jiān)測

　　大氣污染物檢測：

　　QCM傳感器可涂覆特定敏感膜（如金屬有機框架材料、聚合物），實時檢測空氣中的PM2.5、NO?、SO?、臭氧等污染物濃度，具有高靈敏度和快速響應特點。

　　水質分析：

　　監(jiān)測水體中重金屬離子（如Pb²?、Hg²?）、有機污染物（如農藥、多環(huán)芳烴）或微生物的吸附/沉積過程，用于水質評估或污染治理。

　　土壤污染監(jiān)測：

　　結合土壤采樣裝置，分析土壤中揮發(fā)性有機物（VOCs）或重金屬的釋放動力學，評估土壤修復效果。

　　3、生物醫(yī)學

　　生物分子相互作用研究：

　　QCM是研究蛋白質-蛋白質、蛋白質-DNA、抗原-抗體等生物分子相互作用的重要工具，通過質量變化定量分析結合常數、親和力及動力學參數。

　　細胞行為監(jiān)測：

　　實時監(jiān)測細胞在培養(yǎng)基中的黏附、增殖、遷移或凋亡過程，用于細胞生物學研究或藥物篩選（如抗癌藥物對細胞生長的影響）。

　　疾病標志物檢測：

　　開發(fā)高靈敏度生物傳感器，檢測血液、尿液或唾液中的疾病標志物（如癌癥標志物、炎癥因子），實現(xiàn)早期診斷。

　　4、化學傳感

　　氣體傳感：

　　QCM傳感器可檢測揮發(fā)性有機化合物（VOCs）、爆炸物、神經毒劑等，用于安全監(jiān)控或環(huán)境監(jiān)測。

　　濕度傳感：

　　通過涂覆吸濕性材料（如聚酰亞胺、硅膠），QCM可實現(xiàn)高精度濕度測量，適用于氣象站、工業(yè)過程控制或電子設備防潮。

　　離子傳感：

　　檢測溶液中特定離子（如H?、Na?、K?）的濃度變化，用于水質分析或生物體內離子平衡研究。

　　5、工業(yè)過程控制

　　涂層工藝優(yōu)化：

　　在汽車、航空或電子行業(yè)，QCM實時監(jiān)測涂層厚度及均勻性，優(yōu)化噴涂參數，減少材料浪費。

　　催化反應監(jiān)測：

　　分析催化劑表面反應物（如氣體、液體）的吸附/脫附過程，評估催化活性及穩(wěn)定性，指導催化劑設計。

　　食品加工監(jiān)控：

　　監(jiān)測食品包裝材料中添加劑（如抗氧化劑、防腐劑）的釋放速率，確保食品安全及保質期。

　　6、能源領域

　　電池研究：

　　QCM用于研究鋰離子電池電極材料在充放電過程中的結構變化（如SEI膜形成、電極膨脹），優(yōu)化電池性能。

　　燃料電池：

　　監(jiān)測燃料電池催化劑層中氣體（如H?、O?）的吸附/解吸行為，評估催化劑效率及耐久性。

　　7、航空航天

　　材料耐腐蝕性測試：

　　在模擬太空或航空環(huán)境中，QCM監(jiān)測材料表面腐蝕產物的質量變化，評估材料耐久性。

　　潤滑劑性能分析：

　　實時監(jiān)測航空發(fā)動機潤滑劑在高溫高壓下的蒸發(fā)或分解過程，優(yōu)化潤滑劑配方。