石英晶体微天平传感器

应用
气体传感器：
将吸附特定气体的吸附膜附着于QCM电极表面，当空气中含有这种气体， 其分子就会被吸附于吸附膜上。被吸附的气体分子会引起QCM电极表面 质量的变化，使QCM的谐振频率产生变化。因此通过检测谐振频率的变 化即可判断空气中有无该种气体和该种气体量的多少。 QCM最早是应用于气相组分的分析、有毒易爆气体的检测。已对SO2 、 H2S、HCI 、NH3、NO2、Hg、CO、及其他碳氢化合物、氰化物等害气 体进行探测研究。
结构
QCM支架温控系统和液体 池的实物图：
QCM晶片两面的实物图：
应用
免疫传感器： 将特定的抗原(或抗体)固定于QCM的电极表面，当试剂中含有与其对应 的抗体(或抗原)时，两者之间就会相互结合，引起QCM表面电极质量的变 化。通过质量变化引起的谐振频率变化就可判断待测试剂中是否含有与Q CM电极表面的抗原(或抗体)相对应的抗体(或抗原)。
抗原 抗体
应用
基因传感器： 首先将DNA的单链固定 于QCM的电极表面， 当待测试剂中含有与其 对应的另一条DNA单 链时，两者就会结合在 一起，引起QCM表面 电极质量的变化，并通 过QCM谐振频率的变 化反映出来。这样通过 谐振频率的变化就可定 量测得待测试剂中含有 的特定DNA单链的量。
应用
基本原理
QCM定量基础： 德国物理学家Sauerbrey通过大量的研究发现厚度剪切压电石英晶体的谐振频率 变化Δf与在晶体表面均匀吸附的刚性物的质量Δm之间存在着比例关系， 他在 1959年给出了Sauerbrey 方程：
式中f为晶体的固有谐振频率，又叫基频率, ( Hz), m 为晶体表面涂层质量(g), △ f 为晶体谐振频率的变化量，A为涂层面积(cm2)。 该方程的适用前提是晶体表面的吸附层必须为刚性吸附层，既在晶体发生谐振 时该吸附层可随晶体本体发生无形变无相对位移的同步振动。 以此为理论依据，QCM最早只能应用与真空或气相环境中。
基本原理
在上世纪六十年代初，压电石英晶体作为质量传感器的应用一直局限在气相中。 无合适的液相定量方程是其中的原因之一，但更主要的原因是其在液相中的振荡Байду номын сангаас一直未获得成功。因为晶体在液相中振荡导致的能量损耗远大于气相中的损耗。 直至八十年代，Nomura和Konash等实现了石英晶体在溶液中的振荡，从而开拓压 电传感器应用的全新领域。随后Kanazawa等提出了著名的Kanazawa-Gordon方程， 即在牛顿流体中晶体的谐振频率变化满足：
式中A，B和ψ为常数，t为衰减时间， f为谐振频率，τ为衰减时间常数。 通过拟合可以求得τ的值。
基本原理
将τ值代入下面方程可以求得耗散因子。
耗散因子D是表征晶体表面吸附膜物理属性的一个重要参量，D与晶体 表面吸附层的粘度和弹性模量等有关，它直接指示着整个晶体体系的能 量内耗。
结构
QCM结构简图
液体池在石英晶片的上方，用于装盛样品溶液，溶液与晶体的一个表面接触。样 品由进液口加入，从出液口排出。晶体和液体池周围是温度控制系统，确保温度 稳定在 0.01℃以内。从晶体的电极引出的两根导线与 QCM 驱动电路相连接。 QCM 数据采集电路负责将驱动电路产生的模拟信号数字化，再将数据送往 PC 机 进行显示和处理等。
1.基本原理 2.结构 3.相关应用
基本原理
相关概念： 晶体的各向异性：
沿晶格的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不尽相同，由此导致晶体在 不同方向的物理化学特性也不同。 压电效应： 对某些电介质施加机械力从而引起它们内部的正负电荷中心发生相对位移，产 生极化，进而导致介质两端表面内出现符号相反的束缚电荷的现象。 牛顿流体： 指在受力后极易变形，且切应力与变形速率成正比的低粘性流体。 切应力： 物体由于外因而变形时，在物体内部各部分之间所产生的用于抵抗这种外因的 作用，并力图使物体从变形后状态回复到变形前状态的内力。
蛋白质传感器：
可将两种相互反应的蛋白质，一种固定于QCM电极表面，另一种则存在 于待测试剂中，通过连续检测QCM输出的变化即可得到试剂中待测蛋白 质的含量或两种蛋白质的相互反应的活性。QCM免疫传感器即是蛋白质 传感器的一种特例。此外当蛋白质在QCM表面存在的结构不同时，蛋白 质吸附层的致密程度不同，QCM的振动情况也会有所不同。因此通过 QCM的振动情况不但可推测蛋白质在QCM表面的结构，还可实时分析各 种因素对蛋白质结构的影响。
结构
QCM晶片结构简图
晶片是从高纯度石英晶体上按一定的方位角（AT）切下的薄片，然后在晶片的两 面镀金并对金电极进行严格的光学抛光处理。晶片两面的金电极尺寸不等，A为工 作电极与液体接触并吸附薄膜，B为激励电极与空气接触并保持高度清洁，将AB两 电极接线点引致一侧，B电极之所以要小于A电极是为了消除边缘效应。
基本原理
1880年居里兄弟发现在各向异性的晶体表面上施加一定的压力，就会在晶体两表 面间产生电压，电压值大小与压力成正比。原因是由于各向异性的晶体在结构上 属于非中心对称的空间群物质，当有外力作用时会发生形变，晶体内部原子发生 位移，产生极化现象，同时使晶体表面上产生电荷，从而将机械能转化为电能， 这一现象叫做正压电效应。
式中f为晶体的固有谐振频率，n为谐波次数，ηl和ρl为流体的粘度和密度，ρq和 μq为石英晶体的剪切模量和密度。
基本原理
若QCM在牛顿流体中振荡，且其表面又有刚性吸附物质则需要将Sauerbrey 方程和Kanazawa-Gordon方程叠加使用：
式中f为晶体的固有谐振频率，m为质量，ηl和ρl为流体的粘度和密度 为 石英晶体的压电强化剪切模量。
基本原理
在很多情况下，晶体表面的吸附膜为非严格刚性的，这时膜的粘弹性属性 可以通过耗散因子D来测量。耗散因子的定义为：
即在一个振荡周期内损耗的能量与存储的能量的相对比值。当晶体表面的 吸附膜较软时，耗散因子D会较大。将一个正在振荡的晶体突然断开时， 晶体会工作在一种欠阻尼振荡方式上，晶体上电压或电流波形为指数衰减 的正弦波。其振幅衰减符合下面方程：
基本原理
如果在晶体两端加上电场，无中心物质的偶极子就会重新定位，引起原 子位移，产生机械形变，从而将电能转化为机械能，这一现象叫做逆压电效 应。
当加在晶体上的电压为交变电压时，晶体就会在逆压电效应 的驱使下产生机械振动，同时机械振动又产生交变电场。通常逆 压电效应产生的机械振动的振幅很小，但是当交变电场的频率与 晶体的基频率相同时晶体就会发生大幅度振动。