石英晶体微天平的原理发现

在上世纪60年代初期，石英晶体微天平开始发展，其为一种灵敏度十分高的质量检测仪器，其测量精度能够达到纳克级，高于灵敏度在微克级的电子微天平1000 倍。从理论上来说，能够测到的质量变化和单分子层或原子层的几分之一相当。石英晶体微天平通过石英晶体的压电效应，使石英晶体电极表面质量变化向着石英晶体振荡电路输出电信号的频率变化转化，从而利用计算机等其他辅助设备使得高精度的数据获得。

发现

1959年，德国科学家G. Sauerbrey经过研究发现：若镀一层薄膜在晶体表面上，那么就会减弱晶体的振动，并且还发现了薄膜的厚度和密度决定了种振动或者频率的减少。在对在QCM 的金电极表面均匀刚性地附着外加持量的假定的条件下，使QCM 的谐振频率变化和外加质量成正相关的结论得出。利用Sauerbrey方程，吸附在晶体传感器上的物质质量就能够与频率的改变建立如下关系：对于刚性吸附沉积，晶体振荡频率变化△f和工作电极上沉积物的质量改变△m成正比。其中μq与ρq为石英晶体的剪切模量与密度，m与A为电极的质量与有效工作面积。f0为芯片固有的振荡频率。一个直观的参考通过Sauerbrey方程被给予了表面吸附的物质。因为芯片的剪切模量、密度、工作面积以及基频的值均已知，方程能够直接将吸附的质量计算出来。但是对芯片在空气中的振荡进行计算为该方程设计的初衷，并且吸附的物质为刚性的。因此当液体中在芯片表面吸附粘弹性物质时，较大的误差值会由该方程给出。原因是因为吸附物质的粘弹性会造成部分频率的衰减，而质量和吸附膜的粘弹性共同作用促使了测量得到的频率值的改变。