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什么是石英晶体微天平(QCM)
2018-03-01 来源:瑞典百欧林 点击:117次

什么是石英晶体微天平(QCM)?

作者简介:

Malin Edvardsson

马琳,博士,主修物理专业,于2006年毕业于Chalmers University of Technology,此前她的研究主要集中在QCM-D技术方面。此后她也一直致力于QCM-D技术在世界范围内广泛应用。

测量纳克级别的质量变化的 “天平”

石英晶体微天平或QCM,就像它的名字一样,本质上是一个用于称量非常小的质量变化的天平。它不像我们日常生活中所用的测量磅或公斤级别的那种天平。石英晶体微天平(QCM)和它家族的兄弟们,可用来测量纳克级的质量变化,它所测量的质量是实时的,一旦质量增加或下降,用户便可以捕捉到这一微小的变化。也就是说,QCM可以检测出表面上增加或减少的及其微小的质量变化。

为什么要称量这么小的质量呢?

图1. QCM和它家族的兄弟们是用来测量非常小的质量的天平。不同于厨房秤那种测量磅或公斤级质量的天平,QCM可以用来测量纳克级的质量。

那么问题是,为什么会有人想要测量某种材料纳克级的质量变化呢?我们每天都要使用的许多物品中,如智能手机触摸屏,都有非常薄的涂层,知道它们到底有多薄或多厚,才能保持最佳功能是非常有必要的。此外,测量质量如何随时间变化,可以提供材料的某些非常有用的信息,例如眼泪中的蛋白质,能够随着时间的推移与隐形眼镜表面发生相互作用。QCM检测就可以针对这样的事实,当我们感兴趣的表面材料置于能够与其发生相互作用并最终能够成功吸附在其表面的分子之中时,QCM检测的结果将是表面质量的增加。质量的变化便可以证实相互作用的发生。或者,如果没有检测到质量的增加,确认没有相互作用发生,即没有分子粘附在表面上。因此,QCM是一种通过监测表面质量的实时变化,从而定性和定量的研究分子和表面间相互作用的方法。

你可以用QCM测量什么?

图2. 分子附着在QCM芯片表面的示意图(顶部)和所检测到的质量增加(底部)

 

图3. 分子从QCM芯片表面脱附的示意图(顶部)和因此检测到的质量的损失(底部)

依然使用上面提到的隐形眼镜的例子,我们想设计一种可以全年佩戴的新型隐形眼镜。便需要测试眼泪中的蛋白质是否会随时间的推移而在隐形眼镜表面上发生吸附作用。为实现这一目的,我们在QCM芯片表面镀上一层与隐形眼镜材料相同的薄膜,并引入流动的眼泪或眼泪中的蛋白质溶液到芯片表面上。然后我们可以评估是否发生了质量的变化,便可以说明蛋白质是否吸附在了在表面上。图2,并修改隐形眼镜的材料,直到某一种材料可以防止任意蛋白质的粘附。

 

如上所述,QCM不仅可以检测质量的增加,它还可以监测质量的损失。图3,一个说明测量质量损失也同样重要的例子是分析洗碗机洗涤剂如何清洁和去除污垢。比如说我们想开发一种新的洗碗机清洁剂,并评估它在去除玻璃表面油污方面的效果。我们开始将油污涂在QCM芯片表面上,接下来,引入一种新的洗碗清洁剂在芯片表面上流动,以确定是否有质量损失,这就相当于是被洗去的油污。QCM使我们能够实时监控清洗过程,当流动结束时,表面是否完全清洁或者表面也许还有油污残留。

 

下面是来自我们的一位用户的评价:

 “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