石英微量天平/热传导量热仪

　　人们只需环顾四周就可以发现到处都是表面。众多实用化学品已经被研究与开发，用于制备具有理想性质的薄层膜。薄层膜可以通过涂敷或者修饰制备。大自然有时会产生一些不理想的薄层膜，例如牙齿上的牙斑等生物膜，它们可以通过涂敷或者修饰的方法得到改善。

　　在工业化生产及薄膜的使用过程中，许多重要的化学和生物过程发生在薄膜上。固体薄膜暴露于气体中，气体会吸附或者渗入到薄膜中，催化反应也可能在其表面上进行。在含有挥发性物质的涂层中，随着组分吸收热量之后的挥发，薄膜质量减少，黏性薄膜可以变成玻璃体形态的固体。此外，细菌也可以在富有营养物质的表面生长。所有的这些过程，将伴随热量的放出或者吸收，薄层表面质量的增加或减少，以及固体表面膜的黏弹性质的改变，而所需要的理想性质会得到加强或削弱。

　　石英微量天平/热传导量热仪(QCM/HCC)可用于研究发生在薄膜表面上的化学和生物过程^[1-3] 。热传导量热仪已经被广泛用于固体的吸收热力学测量，而用于气体吸附和热重量分析仪器中可以测量固体中质量的释放

　　剪切弹性模量和损耗模量(Lossmodulus)的测量通常使用动态力学分析仪器在低频率和大量样品上进行。在 Q C M / H C C 出现之前，还没有一种仪器可以同时测量不足毫克的固体薄膜样品所产生的热量、质量以及黏弹性质的改变。

　　1 QCM/HCC 技术

　　第一台商品化的QCM/HCC，MasscalTMG1(MasscalCorp.,Chatham,MA)是使用专利权技术的质量/热量流体传感器^[4] ，具有足够的灵敏度用于检测所有信号通道中单分子层的形成。在Masscal G1中使用的质量传感器是由石英制成的剪应力振荡器，称之为石英微量天平。当振荡器在其固有频率处受电力驱动时，共振频率的减少与沉淀在其表面单位面积上质量的增加相对应。吸附在QCM的表面薄膜上的物质可以是聚合物、蛋白、染料或其他涂层，包括化学品、催化剂或金属。QCMs 作为薄膜厚度的监控器在真空淀积工业领域中的使用已经有十余年的历史，近年来在电化学领域也有应用(t h eEQCM) ^{[ 5]} 。Masscal 质量测量传感器是一个5-MHz 的QCM，直径为2.54 cm，价格便宜，容易更换。QCM 表面每平方厘米沉积1 μg的样品可降低频率56.6 Hz，这一响应很容易被检测到。薄膜暴露于大气压力下的气体混合物中，由于吸收或反应造成气体分压的改变可以反映为相应的质量变化^[6] 。

　　没有涂层的QCM 具有严格的固有共振频率ν 0 。共振频率的范围δν只有几个Hz, 石英内的机械阻尼导致共振频率范围的加宽可以通过测量QCM 的电量(谐振阻抗R )得到(对于典型的 Q C M s ，R ～1 0Ω)。刚性的薄膜沉淀在 Q C M 表面上时，R 值的增加量很小，但是软而厚的膜(例如：厚度为5~10 μm 的弹性聚合物膜)可以造成R值成百倍甚至成千倍的增加。这说明了涂层和不涂层QCM的谐振阻抗R的差别与剪切损耗柔量J″对应^[7] 。对于有机膜中挥发性组分量的变化引起的J″值改变可以很方便地测得，并且可以解释薄膜的可塑范 围 。