Das QCM-I System ist ein hochempfindlicher Massensensor, der die Resonanz-frequenzänderung und die Resonanzfrequenzqualität eines Quarzkristallresonators misst und dadurch als Biosensor ohne zusätzliche Marker ermöglicht, „feuchte Massen“ nahe der Sensoroberfläche zu messen und hinsichtlich Dichte, Schermodul und Viskosität der adsorbierten Schicht für eine akkurate Schichtdickenbestimmung incl. Schichteigenschaften der biologischen Probe oder Proben-Polymers für verschiedenste Anwendungsbereiche zu charakterisieren.
Das Messprinzip basiert auf der Impedanzanalyse des Quarzkristalls. Die Resonanzfrequenz und die Bandbreite bzw. Resonanzfrequenzqualität werden bestimmt. Die Bandbreite oder auch Halbwertsbreite (FWHM) steht in direkter Korrelation zum Qualitätsfaktor (Q), der per Definition der Kehrwert der aus der QCM-D Technik bekannten Dissipation (D) bzw. Verlustleistung ist.
Bei biologischen Proben oder Proben-Polymeren hat man es nicht mit rigide an dem Quarzkristallresonator haftenden Materialien zu tun, sondern mit Proben die einen Teil der Scherbewegung des Quarzes nicht folgen können und demzufolge als Verlustleistung oder Dissipation (D) verlorengeht. Dadurch werden unter der Annahme einer rigiden Schicht und der damit angewendeten Sauerbrey´schen Annäherung, dass Beschichtungsmaterial und Sensor in etwa die gleiche Dichte haben, fehlerhafte Ergebnisse erzielt.
Um diese Lücke zu schließen, wurde mit der QCM-D Technik, bei der die Amplitude des aufgezeichneten Abklingens der Oszillation aus der Abklingzeit (t) und Frequenz (ƒ) die dimensionslose Dissipation (D) oder Verlustleistung erhalten.
Viskoelastische Eigenschaften von Polymerschichten können mit diesem Wert D beschrieben werden, der dem Kehrwert des Qualitätsfaktors Q entspricht. Dieser Qualitätsfaktor Q wiederum entspricht vereinfacht einem Quotienten aus der Energie, die einerseits im oszillierenden System gespeichert werden konnte gegenüber der Energie, die verlorenging.
Durch die Möglichkeit nicht nur die Fundamentalfrequenz zusammen mit D messen zu können, sondern auch bei höheren Harmonischen der Fundamentalfrequenz ermöglicht nicht nur die Masse der Beschichtung, sondern auch deren viskoelastische Eigenschaften mit einem mechanischen Kontinuumsmodell (Voigt-Kelvin Model) zu berechnen.
Im Gegensatz zum QCM-D Messprinzip verwendet das QCM-I Messprinzip die Impedanzanalyse als Auslesetechnik. In diesem Fall werden Impedanzspektren für Grund- und Obertonfrequenzen aufgezeichnet. Diese Spektren werden mit den Parametern FWHM (Full Width at Half Maximum) und Resonanzfrequenz ƒ gefittet. Durch das von Johannsmann entwickelte Modell des Ersatzschaltbildes konnte gezeigt werden, dass die Formel DFWHM/Dƒ mit den viskoelastischen Eigenschaften des Kristalls und seiner Deckschichten in Verbindung gebracht werden kann, so dass auch eine viskoelastische Analyse durch Impedanzmesstechnik möglich ist. Die Dissipation kann durch den aus der Impedanzanalyse abgeleiteten FWHM-Parameter ausgedrückt werden.
Außerdem konnte gezeigt werden, dass das Impedanzspektrum des QCM-I Messprinzips von der Ozillations-Abklingkurve des QCM-D Messprinzips durch Fourier-Transformation erhalten werden kann, was die beiden aus den unterschiedlichen Messprinzipien erhaltenen Parameter von D gleichbedeutend macht.
Es konnte sogar gezeigt werden, dass vom QCM-D Messprinzip erhaltene Daten durch Ersatzschaltbilder genauso zu viskoelastischen Eigenschaften führen können wie die mit dem QCM-I Messprinzip erhaltene Daten durch das Voigt-Kelvin Model.
