QCM和椭圆偏振光技术检测质量的差异

一层分子有多重?

质量是人类几千年来一直感兴趣的物质属性。从称量珍稀的黄金开始，人类就一直试图量化包括从电子到星系等，跨越各个尺寸范围的物体质量。众所周知，称重的方法要取决于被称量的物体的大小。对于纳米尺度的薄膜质量，可以通过椭圆偏振光法和石英晶体微天平技术（QCM）这两种常用的、能够测量极小质量的表面敏感技术来测量。然而，这两种技术测量出的质量值往往不相同。那么，这些质量之间的区别是什么，为什么它们不一致?

测量原理既是答案

椭圆偏振光法测量的质量和QCM技术测量的质量为什么会不一样？我们可以从它们测量的原理中找到答案。椭圆偏振光法是一种光学技术，而石英晶体微天平技术（QCM）是一种声学技术。椭圆偏振光法监测光波的变化，而QCM监测声波的变化。那么，薄膜的质量是如何与光波相互作用的?它又是如何与声波相互作用的?

椭圆偏振光法测量光波的变化

简而言之，光由电磁波构成，它可以穿过介质传播。光在传播时受到传播介质特性变化而带来的影响，采用光学方法则会检测到这些特性的变化。这些变化通常是相对于背景介质测量得到的。例如，使用椭圆偏振仪可以检测到当分子吸附到传感器表面时折射率的变化。

QCM测量声波的变化

声波是一种可以穿透介质的机械波，它的传播方式与光波不同。当声波传播时，介质中的分子将会产生位移。介质的力学性质将决定声波传播的难易程度。声学方法可以检测到相对于参照物的移动介质的力学性质的变化。例如，QCM可以检测分子吸附到传感器表面的时间，以及吸附分子构象改变的时间。

“干质量”与“湿质量”

如上所述，椭圆偏振仪和QCM都能检测到分子质量的变化。椭圆偏振仪测量的是单纯的吸附物质的质量，而QCM测量的是吸附物质的质量，加上其所结合溶剂的质量。这就是为什么光学质量通常被称为“干质量”，声学质量通常被称为“湿质量”的原因。

示例：表征水合层时，光学和声学方法测量出来的质量之间的差异

举个例子：让我们看一看图1，当分子躺在表面上时，它们会耦合少量溶剂，而它们在直立时会耦合更多的溶剂。事实上，表面上的分子数在两种情况下是相同的，只是排列方式不同，因此耦合溶剂的数量也不同。测量“干”质量而“看不到”液体的光学技术将在两种情况下记录相同的质量。另一方面，声学技术可以同时“看到”分子和溶剂，也就是“湿的”质量，在膨胀状态下记录的质量数据就会比坍塌状态下的大。