组成图示
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传感器类型
综述或非传感器论文
检测对象
挥发性有机化合物（VOCs，如乙醇、甲苯、二氯甲烷、己烷）、氨气（ammonia）、水蒸气/湿度（humidity/water vapor）、小气体分子（He、N2、O2、Ar、SF6）、牛血清白蛋白（BSA）、亲和素（avidin）、酵母细胞（yeast cells）；样品基质包括气相/空气、水溶液流动注射、液体生物样品。
检测原理
MQCM 基于 AT 切石英的厚度剪切压电谐振。当目标物被通道上的识别膜（聚合物、MIP、SAM、抗体等）选择性吸附或结合时，电极表面质量增加或粘弹性改变。刚性质量负载按 Sauerbrey 方程使谐振频率下降，Δf 与沉积质量成正比；液体或非刚性吸附还引起耗散因子 ΔD 和等效电阻 ΔR 变化。不同通道因受体选择性不同产生特征频率偏移模式，参考通道扣除温度、粘度、密度影响。通过 mesa/凸面/x 轴反转结构抑制声学耦合，通过不同石英厚度或电极面积实现多灵敏度/多动态范围。最终由阻抗/频率仪读出 Δf、ΔD、ΔR，并用 PCA/LDA/神经网络进行识别或定量。
检测灵敏度
已报道灵敏度/范围：氨气/湿度：∼1、∼0.1 Hz ppm−1，范围 0–1000、0–20000 ppm；苯/醇：0.05–0.09、0.01–0.02 Hz ppm−1，范围 0–5000 ppm；乙醇/CH2Cl2/己烷/湿度：0.2–1、2–6、0.1–1、0.1–0.5 Hz %−1，范围 10%；小气体分子：50–100 Hz amu−1，范围 4–100 amu；甲苯：10–100 Hz ppm−1，范围 400 ppm；BSA/avidin：30–70 Hz (mg mL)−1，范围 0–1 mg mL−1；酵母细胞：∼1 cell mL−1，范围 5 × 10^5 cell μL−1。
效应效果
综述指出 MQCM 具有实时、无标记、多通道和环境补偿优势，但常规结构存在声学干扰、伪模态和灵敏度限制。mesa、凸面和 x 轴反转结构可降低通道耦合；球形双凸 QCM 的 Q 值约 80000，为 100 μm 平面 QCM 的约 2 倍，最大有效粘度约为平面 QCM 的 5 倍。电子鼻最成熟，已用于堆肥 VOC 监测并经 GC–MS 验证；生物传感器阵列展示 BSA/avidin（10 mg/mL BSA 和 1 mg/mL avidin 分别产生 460 Hz 和 76 Hz 频移）及酵母细胞 MIP 选择性检测。免疫传感器因复杂响应和通道干扰尚未成功，电子舌、多 EQCM 仍处早期，需进一步解决干扰与数据分析。
传感器的构成
- 基底/换能器：AT-cut quartz crystal plate，厚度剪切模式压电谐振，提供质量/粘弹性传感界面
- 电极：Au electrode pairs，沉积于石英表面，形成 QCM 谐振器并作为传感电极
- 结构改性层：mesa/plano-inverted-mesa/convex/x-axis inversion quartz structure，改变厚度或晶轴方向以抑制声学干扰并提高 Q 值
- 识别/传感层：gas-sensitive polymers (PS, PPy, PVF)、ionic liquids (BMICS, BMIBF4)、mesoporous silica hybrids、SW-CNTs、MIPs、SAM alkanethiols (ODT, DTSSP)，选择性吸附或结合目标物
- 参考通道：uncoated QCM channel，用于温度、粘度、密度等环境因素补偿
- 读出系统：impedance/frequency measurement (BVD model, QCM-D/QCM-R)，监测 Δf、ΔD、ΔR
中文摘要
单片多通道石英晶体微天平（MQCM）是面向先进传感与测量应用的新兴技术。本文系统综述 MQCM 技术。首先介绍基本 MQCM 的设计、仿真与表征，重点讨论通道间声学干扰问题。随后总结基于石英基底结构改性的多种 MQCM 方案，包括 mesa、凸面和 x 轴反转结构，用于降低干扰并提高灵敏度。接着讨论三类重要 MQCM 传感平台及其应用：静态多通道检测器、用于流动注射分析的串联 MQCM 多通道检测器、用于多灵敏度/多动态范围检测的多频 QCM。最后展示潜在应用，包括电子鼻、生物传感器阵列和光催化测量，并展望电子舌与电化学测量等前景。
英文摘要
Monolithic multichannel quartz crystal microbalance (MQCM) is an emerging technology for advanced sensing and measurement applications. In this report, a comprehensive review of MQCM technology is presented. Firstly, basic MQCM's design, simulation and characterization with emphasis on acoustic interference are described. Next, various MQCM schemes to minimize interference and enhance sensitivity of conventional MQCM devices based on modification of quartz substrate structure are digested. These include mesa, convex and x-axis inversion structures. Three important MQCM sensing platforms and their application areas are then discussed. These comprise MQCM as a static multichannel detector, series MQCM as a multichannel detector for the flow injection analysis and multi-frequency QCM for multi-sensitivity/multi-dynamic range detection. Finally, potential MQCM applications including electronic noses, bio-sensor arrays, and photocatatalytic measurement are illustrated and prospective MQCM applications including electronic tongues and electrochemical measurement are suggested.