EQCM電化學石英晶體微天平
前言：
本應用說明將示範如何將 QCM922A 石英晶體微天平 (Quartz Crystal Microbalance, QCM) 與 VersaSTAT 系列電化學工作站 (Potentiostat/Galvanostat) 結合，用於電化學 EQCM in-situ 實驗，包括正確的連接方式與數據轉換，藉此在進行電化學實驗的同時測量並繪製共振器質量變化。
實驗內容為在金電極表面的 9 MHz 晶體 上，以 10 mM CuSO₄ 進行循環伏安法 (cyclic voltammetry, CV)，測量電位與電流變化的同時，追蹤頻率變化，並將頻率變化轉換為共振器表面的質量變化。
儀器連接：
QCM922A可搭配任何PAR的電化學儀，連接僅需一條BNC，操作也只需用VersaStudio完成。其連接如圖 1 所示。
QCM922A 後面板的 「∆ Freq Out」BNC 接頭 提供與頻率變化成正比的電壓輸出。
此直流電壓可透過 BNC 線接入 VersaSTAT 後面板的 「Sync ADC Input」，與電池電流與電壓讀值同步擷取。
實驗開始時建議將輸出電壓設為零（在 QCM922 前面板設定標準頻率即可）。之後電壓會依頻率變化而成比例增加或減少（±10 V 全刻度），比例與所設定的頻率範圍 (200 Hz、2 kHz、20 kHz 或 200 kHz) 有關。
電壓輸出公式為：
Vout=Δf×10/ Freq Range (式1)
注意：在某些工作站上，QCM922A連接後可能會觀察到電壓與電流雜訊。可透過將 WE/SE 端子接至 QCM922-10 的「W」接點（串聯 50 µH 電感）並將 QCM 與工作站接地端短路來降低雜訊。但若電流 >1 mA 或進行快速掃描，建議直接接至共振器端子，以避免 iR 降或震盪。
頻率變化轉換為質量變化:
我們真正關心的不是晶體頻率變化，而是 電極/溶液界面的質量變化。根據 Sauerbrey 方程式可得：
其中：
Δm = 質量變化
Δf = 共振頻率變化
A = 電極活性面積 (0.198 cm²)
μq = AT-cut 石英常數 (2.947×10¹¹ g/cm·s²)
ρq = 石英密度 (2.65 g/cm³)
Fq = 基準頻率 (9.00 MHz)
對於 QCM922A 的 9 MHz 晶體：
頻率變化 1 Hz ≈ 1.068 ng 或 5.682 ng/cm²
注意：液相中的共振頻率通常比氣相略低，因此雖然標稱為 9 MHz 晶體，但實際頻率會隨電解液而有所差異。
下表列出不同輸出範圍下，將 QCM922A 輸出電壓 (V) 轉換為頻率 (Hz)、質量密度 (ng/cm²)、質量 (ng) 的轉換常數：
| 輸出範圍 | 轉換至Hz | 轉換至ng/cm2 | 轉換至ng |
| 200KHz | 20,000 | 113,640 | 21,360 |
| 20KHz | 2,000 | 11,364 | 2,136 |
| 2KHz | 200 | 1,136.4 | 231.6 |
| 200Hz | 20 | 113.64 | 21.36 |
這些轉換常數可直接輸入在VersaStudio 軟體中，自動轉換電壓至相應的物理量。無須再用上方複雜的公式自己換算出質量變化，VersaStudio全幫您算好，直接出電壓-電流-質量EQCM圖譜。
實驗:
工作電極：金 (Au) 9 MHz 晶體，表面積 0.198 cm²
電解液：10 mM CuSO₄ + 0.1 M H₂SO₄
對電極：鉑 (Pt) 線
參考電極：Ag/AgCl (KCl 飽和)
電解槽：PAR QCMCELL（K0264 微電池組 + RG100 底座 + QA-CL4 晶體座）
QCM922 設定：±2 kHz 範圍 (±10 V 輸出)
電化學工作站：VersaSTAT 3
結果：
實驗採用循環伏安法觀察 銅在金上的過電位沉積 (OPD)：
起始電位：0.5 V，平衡 10 秒
掃描範圍：0.5 V → –0.5 V → 0.5 V
掃描速率：100 mV/s
觀察結果：
還原峰：–140 mV，Cu²⁺ 還原為金屬 Cu 並沉積於金表面 → 頻率快速下降 (~750 Hz)
氧化峰：+310 mV，沉積的 Cu 被剝離回溶液 → 頻率恢復
結果同時顯示 循環伏安圖 (電流–電壓) 與 質量變化圖 (質量–時間/電位)，可直觀對比電化學反應與質量改變。
在 VersaStudio 中：
如下圖可將 Y₂ 軸 設為頻率或質量變化（透過轉換常數 *213.6 輕鬆轉換）。即可繪製 電位-電流-質量變化 或 質量–時間...等曲線，以更清晰觀察電極過程。
參考文獻：
D.A. Buttry, “Applications of the Quartz Crystal Microbalance to Electrochemistry.” Electroanalytical Chemistry, A.J. Bard (Ed.), Vol. 17, Marcel Dekker, NY, 1991.
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