石英晶体微天平资料
石英晶体微天平的基本原理和具体应用
流体通过剪切模式的声波传感器装置示意图
Liquid flow cell
70 uL flow through reservoir 1 ml static reservoir O-ring seal Resists harsh chemicals Low stress design
Static cell
x轴(电轴):沿x轴方 向或沿y轴方向施加压力 (或拉力)时,在x轴方 向产生压电效应。
y轴(机械轴):沿y轴方 向或沿x 轴方向施加压力 (或拉力)时,在y轴方 向不产生压电效应,只 产生形变。
天然右旋石英晶体晶轴的分布
石英晶体有天然的和人工培育的。 天然石英晶体产量有限,而且大部分都存 在各种缺陷。 石英晶体常见的缺陷:
ΔF = - 2 F02ΔM/A(qq)1/2
ΔF:石英晶体的频率改变量,又称频移值 (Hz);F0:石英晶体的基频;ΔM:沉积在 电极上的物质的质量改变(g);A:工作电 极的面积; q:剪切参数(2.951010 kg·m-1·s-2); q:石英的密度(2648 kg·m-3)。
可以看出,频移值ΔF与质量改变ΔM之间有一简 单的线性关系,负号表示质量升高,频率降低。
AT- 和 BT-切割模式
四、石英晶体微天平(QCM)的 工作原理
石英晶体微天平由一薄的石英圆片和覆盖其表 面的电极组成 。 外加电压加到压电材料上引起一个内在的机械 振动。因为QCM是压电的,振荡电场横着通 过装置产生一个声学波。
1. Quartz crystal 2. 2. Electrode material
QCM crystal. Grey=quartz, yellow=metallic electrodes.
一、石英晶体的结构
石英微晶天平
一、石英晶体微天平的基本原理:石英晶体微天平最基本的原理是利用了石英晶体的压电效应:石英晶体内部每个晶格在不受外力作用时呈正六边形,若在晶片的两侧施加机械压力,会使晶格的电荷中心发生偏移而极化,则在晶片相应的方向上将产生电场;反之,若在石英晶体的两个电极上加一电场,晶片就会产生机械变形,这种物理现象称为压电效应。
如果在晶片的两极上加交变电压,晶片就会产生机械振动,同时晶片的机械振动又会产生交变电场。
在一般情况下,晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小,但当外加交变电压的频率为某一特定值时,振幅明显加大,这种现象称为压电谐振。
它其实与LC回路的谐振现象十分相似:当晶体不振动时,可把它看成一个平板电容器称为静电电容C,一般约几个PF到几十PF;当晶体振荡时,机械振动的惯性可用电感L 来等效,一般L 的值为几十mH到几百mH。
由此就构成了石英晶体微天平的振荡器,电路的振荡频率等于石英晶体振荡片的谐振频率,再通过主机将测的得谐振频率转化为电信号输出。
由于晶片本身的谐振频率基本上只与晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关,而且可以做得精确,因此利用石英谐振器组成的振荡电路可获得很高的频率稳定度。
二、石英晶体微天平的主要构造:QCM主要由石英晶体传感器、信号检测和数据处理等部分组成。
石英晶体传感器的基本构成大致是:从一块石英晶体上沿着与石英晶体主光轴成35015'切割(AT—CUT)得到石英晶体振荡片,在它的两个对应面上涂敷银层作为电极,石英晶体夹在两片电极中间形成三明治结构。
在每个电极上各焊一根引线接到管脚上,再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器,其产品一般用金属外壳封装,也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。
石英晶体微天平的其他组成结构在不同型号和规格的仪器中也不尽相同,可根据测量需要选用或联用。
一般附属结构还包括振荡线路、频率计数器、计算机系统等;电化学石英晶体微天平在此基础上还包括恒电位仪、电化学池、辅助电极、参比电极等;三、石英晶体微天平的分析化学应用QCM最早应用于气相组分、有毒易爆气体的检测。
美国Gamry石英晶体微天平简介
fp fs
Gamry石英一台仪器可以配多种频率的晶片
• 频率分辨率是0.02Hz
– 不论频率高低分辨率相同
• Gamry的QCM能同时 给出fs和fp的值
• 专业设计控温配件
QCM质量检出限
• Sauerbrey方程
∆f=Cf ∆m • 以5MHz和10MHz晶片为例
Crystal–Applied Potential
QCM原理
• 石英晶片上有其他材料
– 金,铂,碳,其他 – 附着方式如溅射,粘贴等
• 振动可以用BvD模型来 等效
++++++++++++++++++++ ----------------------
QCM原理
• 商业化依赖于锁 相放大器的 QCM,手动抵 消fp,只给出串 联相应频率fs
放o圈
放晶片
固定晶片
连接仪器BNC
溶液槽
控温夹套
•具体操作大图见附件文件
嵌入安装
铁片固定
Gamry石英晶体微天平的安装
• 控温配件和仪器通过BNC连接 • 仪器两根线
– 电源线 – 电脑usb通信线
Gamry石英晶体微天平晶片
Gamry QCM软件
Gamry QCM软件
• Description – 对样品进行说明,备注
– 5MHz的校正因子Cf为56.6Hzcm2/ug
0.02Hz 56.6Hz cm2
/
ug
1cm2
0.35ng
– 10MHz的校正因子Cf为226Hzcm2/ug
石英晶体微天平原理
石英晶体微天平原理石英晶体微天平(Quartz Crystal Microbalance,简称QCM)是一种利用石英晶体的振荡频率变化来测量微量物质质量的分析仪器。
其工作原理是基于石英晶体微振器在质量变化时引起谐振频率的变化。
石英晶体是一种具有垂直电极和涂有一层金属电极的薄膜石英技术器件。
在标准条件下,石英晶体具有特定的谐振频率,当质量发生变化时,石英晶体的谐振频率也会发生相应的变化。
这个质量的变化可以是溶质吸附、膜生长、能量转换等引起的。
石英晶体微天平的主要部分包括石英晶体和振荡电路。
石英晶体被放置在真空或气体环境中,通过电极与振荡电路相连。
当外加交流电场施加到石英晶体上时,晶体将发生机械振荡,并产生电荷分布,从而使晶体表面产生一定的驱动力。
这种驱动力可以通过检测电路检测出来,并转换成电信号。
石英晶体微天平利用石英晶体的材料特性和电极结构,通过测量振荡频率的变化来定量分析溶液中微量物质的吸附、反应和生长过程。
当溶液中存在微量物质时,这些物质会在石英晶体的表面上吸附或反应,并改变晶体的质量。
质量的变化将引起石英晶体的共振频率的改变,这个频率的变化与溶液中微量物质的质量变化成正比。
QCM主要分为自由振动和受控振动两种模式。
在自由振动模式下,石英晶体将自由振动,而在受控振动模式下,通过将交流电场施加到电极上,通过调节频率和振幅来控制石英晶体的振荡。
这样可以通过控制石英晶体的振荡来监测微量物质的吸附和反应过程。
石英晶体微天平在生物医学、环境监测、材料科学等领域具有广泛的应用。
例如,它可以用于研究蛋白质的吸附、细胞的生长、药物的吸附和释放等过程。
由于其高灵敏度、快速响应和无需标记的特点,石英晶体微天平已经成为一种非常重要的表征和分析技术。
总之,石英晶体微天平利用石英晶体的振荡频率变化来测量微量物质质量的分析技术。
它的工作原理是基于石英晶体在质量发生变化时引起谐振频率的变化。
通过测定谐振频率的变化,可以定量分析溶液中微量物质的吸附、反应和生长过程。
石英晶体微天平物质结构
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• Quartz crystal • 2. Electrode material
ΔF= - 2 F02ΔM/A(q q)1/2
ΔF: Frequency Change of Quartz Crystal; ΔM: Mass Change of the Substance on Electrode
石英晶体微天平(quartz crystal microbalance)是一种非常灵敏的质量检 测器,能够快速、简便和实时检测反应过 程中的质量变化,检测限可达到纳克级 水平,已被广泛应用于基因学、诊断学等 各方面,成为分子生物学和微量化学领域 最有效的手段之一。
1
QCM crystal. Grey=quartz, yellow=metallic electrodes.
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当晶体被浸入到溶液中,振荡频率取决于 所使用的溶剂。当覆盖层比较厚时,频率 f 和质量变化 Dm 之间是非线性的,需要 修正。
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当石英晶体振荡与流体接触时,晶体表面 对流体的耦合极大地改变振荡频率,并在 晶体与流体接触面附近产生一剪切振动。 振动表面在流体中产生平流层,它导致 频率与(h)1/2成比例降低,这里和h分别 是流体的密度和粘度。
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而当石英晶体受到电场作用时,在它的某些 方向出现应变,而且电场强度与应变之间 存在线性关系,这种现象称为逆压电效 应。逆压电效应是在电场的作用下,在电 偶极距发生变化的同时产生形变.
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三、石英谐振器的振动模式
石英谐振器是由石英 晶片、电极、支架及 外壳等部分构成。
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1、伸缩振动模式 2、弯曲振动模式 3、面切变振动模式 4、厚度切变振动模式
2、光双晶:同时存在左旋和右旋两个部分连 生在一起。
QCM
石英晶体微天平是一种新型的高精度谐振式测量仪器,测量精度 可以达到纳克级,由于具备测量精度高,结构简单,成本低廉等 优点,越来越被科研工作者关注和重视。
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。
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:
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。
石英晶体微天平
提高样机的灵敏度。
国创答辩 研究内容
1. 设计电路,达到电路对石英晶体稳定的自 适应控制降低对 QCM晶体厚度的高要求。 2. 搭载使QCM产生稳定频率的电路,根据工 作原理逐步提高 QCM 的测量精度。 3.做出实现低成本的同时提高石英晶体微天平 控制精度的 QCM样机。
研究方案 研究目标
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建立电路输入文件确 定分析类型
石物 理英 学晶 体院 微 国天 平创 项 (QCM) 原目 理 及参 赛样 作机 设品 计
小组成员介绍
武晓佳
段璎宸
董丽君 国创答辩
刘静
董振余
展示内容
选题依据
创新点、关键技术
作品简介 研究方案
预期目标
国作创品答简辩介
石英晶体微天平( Quartz crystal microbalance ) 是一种非常灵敏的质量检测仪器,其测量精度可达纳 克级,比灵敏度在微克级的电子微天平高 100 倍,理 论上可以测到的质量变化相当于单分子层或原子层的 几分之一。
如果可以降低芯片的厚度 同时提高QCM的灵敏度将会 在学术领域产生巨大的影响。
主要是用来进行微质量的测量,精度 可以达到纳克级,具有灵敏度高 ,稳定性好、 通用性高、工作温度范围宽、尺寸小、耐 振动性能强等优点。目前,随着研究的不 断深入,QCM 已经被广泛应用于液相、固 相、气相中进行各种物质成分的研究和分 析。在生物医学,化学,环境监测,航天 航空等领域有着广泛的应用和广阔的前景 和较高的科研价值。
创新点、特色
1.精确构建数学模型和电子线路仿真模型, 不忽略任何影响产品精确度的微小因素, 使样机的设计制作变得容易,为实际产品 的开发提供可靠的理论依据。 2.做出可以测量微小质量的QCM样机,。 3.电路设计,实现晶体电路的自适应控制。
石英晶体微天平原理
石英晶体微天平原理石英晶体微天平是一种高精度的质量测量仪器,它的原理是利用石英晶体的压电效应来测量物体的质量。
石英晶体是一种具有压电效应的晶体,当施加外力时,会产生电荷,这种电荷的大小与施加的力成正比。
因此,通过测量石英晶体的电荷变化,就可以得到物体的质量。
石英晶体微天平的结构非常简单,它由一个石英晶体片和一个电极组成。
石英晶体片通常是一个长方形的薄片,厚度只有几毫米,宽度和长度分别为几毫米到几厘米不等。
电极则是两个金属片,分别固定在石英晶体片的两端。
当物体放在石英晶体片上时,物体的重力会使石英晶体片产生微小的弯曲,从而改变石英晶体片的压电效应,产生电荷。
这些电荷被电极收集起来,通过放大器放大后,就可以得到物体的质量。
石英晶体微天平的精度非常高,可以达到微克级别。
这是因为石英晶体具有非常好的稳定性和重复性,可以在长时间内保持稳定的压电效应。
此外,石英晶体的压电效应与温度、湿度等环境因素的影响非常小,因此可以在各种环境下进行精确的质量测量。
石英晶体微天平广泛应用于化学、生物、医学等领域的研究中。
例如,在化学实验中,可以用石英晶体微天平来测量化学反应中物质的质量变化,从而研究反应的动力学和热力学性质。
在生物学和医学中,石英晶体微天平可以用来测量细胞、蛋白质等生物分子的质量,从而研究它们的结构和功能。
除了石英晶体微天平,还有其他类型的微天平,如电容微天平、磁悬浮微天平等。
这些微天平的原理和应用都有所不同,但它们都具有高精度、高灵敏度的特点,可以用于各种精密测量和研究。
石英晶体微天平是一种非常重要的质量测量仪器,它的原理简单、精度高,应用广泛。
随着科技的不断发展,微天平的精度和应用范围还将不断扩大,为科学研究和工业生产带来更多的便利和发展机遇。
2010石英晶体微天平(物质结构).
当晶体被浸入到溶液中,振荡频率取决于 所使用的溶剂。当覆盖层比较厚时,频率 f 和质量变化 Dm 之间是非线性的,需要 修正。
当石英晶体振荡与流体接触时,晶体表面 对流体的耦合极大地改变振荡频率,并在 晶体与流体接触面附近产生一剪切振动。 振动表面在流体中产生平流层,它导致 频率与(h)1/2成比例降低,这里和h分别 是流体的密度和粘度。
1.
Quartz crystal
2. Electrode material
ΔF= - 2 F02ΔM/A(q q)1/2
ΔF: Frequency Change of Quartz Crystal; ΔM: Mass Change of the Substance on Electrode
Biochemical and Biophysical Research Communications 313 (2004) 3–7
Fig. 1. Schematic illustration of the sensing process of the amplifyingsystem based on Au nanoparticle-covered QCM surface.
(a) Sensor without surface modification by nanogold. (b) Sensor with surface modification by nanogold.
Static cell
• 5-10 uL liquid sample reservoir • Holes for electrochemical electrodes • O-ring seal • Resists harsh chemicals Additional holes for purge or s出,石英晶体振荡 频率的变化与晶体的质量堆积密切相关。 因此,对于气相中分析物的检测,频率变 化与质量变化有一简单的相关:
石英晶体微天平原理
石英晶体微天平是一种精密的称重仪器。
它的工作原理主要基于石英晶体的特殊性质和微机电系统(MEMS)技术。
石英晶体微天平的核心部件是石英晶体,它是一种具有压电效应的材料。
压电效应是指在施加外力或电场时,晶体会产生电荷或电势差的现象。
石英晶体的压电效应非常稳定和灵敏,因此被广泛应用于天平中。
石英晶体微天平的工作原理基于质量和频率之间的关系。
石英晶体的频率与其质量成正比,即频率越高,晶体质量越大。
在称重时,待称物体被放置在石英晶体上,晶体会受到质量的增加而频率降低。
通过测量晶体频率的变化,可以间接计算出待称物体的质量。
为了提高石英晶体微天平的灵敏度和稳定性,常常使用MEMS技术制造微小的石英晶体天平。
MEMS技术是将微型电子元件和机械结构集成到芯片上的一种方法。
通过精密加工和微细组装,可以制造出高度精密的微天平。
石英晶体微天平的工作过程可以概括为以下几个步骤:1.初始状态:石英晶体天平处于自由悬挂的状态,即未受到任何外力的作用。
2.放置待称物体:待称物体被放置在石英晶体上,使之产生质量的增加。
3.晶体振动:通过施加激励电场,晶体被激发成振动状态。
振动频率与晶体的质量成正比。
4.频率测量:利用频率计或计数器等设备测量振动晶体的频率。
由于质量的增加,频率降低。
5.质量计算:根据频率的变化,利用预先测定的标定曲线,可以计算出待称物体的质量。
石英晶体微天平具有很高的精度和稳定性,可以用于测量微量物质的质量。
它具有灵敏度高、响应速度快、重复性好等优点。
因此,被广泛应用于化学分析、生物医学、材料研究等领域。
除了石英晶体微天平的工作原理,还有一些相关的内容需要考虑。
例如,如何进行标定和校准,以确保测量结果的准确性;如何对称重过程中的环境干扰进行抑制和补偿;如何设计和制造高性能的石英晶体和微天平结构等等。
这些内容在实际应用中都是非常重要的,可以通过不同的技术和方法来解决。
总结起来,石英晶体微天平是一种基于石英晶体压电效应和MEMS技术的精密称重仪器。
石英晶体微天平原理
石英晶体微天平原理石英晶体微天平是一种利用石英晶体自振的频率变化来测量微小质量变化的仪器。
石英晶体是一种具有特殊振动特性的晶体,其晶格结构稳定、机械强度高、表面平整,并且具有强烈的谐振现象。
因此,石英晶体被广泛应用于计时、频率控制、传感器等领域。
利用石英晶体微天平可以实现对微量物质的检测和分析,具有高灵敏度、高分辨率、高精度等优点。
石英晶体微天平原理基于质量和频率之间的关系。
石英晶体在电场作用下会发生谐振振动,其频率和振幅取决于晶体的尺寸和弹性常数。
当晶体上附着物质使其质量发生微小变化时,晶体振动频率会发生变化。
根据爱因斯坦质能方程,质量和能量是等价的,因此质量变化会导致振动频率的变化。
将石英晶体作为微天平的敏感元件,利用电子衍射、电子束蒸发、溅射沉积等技术在其表面制备一层薄膜,当薄膜表面有生物分子与它相互作用时,其质量就会发生变化,导致晶体振动频率的变化,进而测量出样品的质量。
石英晶体微天平可以应用于生物学、化学、生物医学、环境保护等领域的研究。
其应用范围包括:生物传感、分子识别、药物筛选、蛋白质互作等。
在生物传感领域中,石英晶体微天平可以对细胞膜、酶、抗体等生物大分子进行检测;在分子识别领域中,可以对蛋白质、DNA、RNA等分子进行识别;在药物筛选领域中,可以对药物分子的作用和效果进行评估;在蛋白质互作领域中,可以对蛋白质的相互作用进行研究。
石英晶体微天平的优点还包括操作简单、仪器成本低、样品需求少等。
但是,石英晶体微天平也存在一些问题。
例如,其灵敏度受到环境和温度的影响,需要进行定期校准。
此外,石英晶体微天平也存在着一定的误差和不确定性,需要在实际应用中进行验证和校准。
总之,石英晶体微天平是一种优秀的微量质量检测仪器,其原理是基于石英晶体自振频率与质量之间的关系,利用表面制备的薄膜与生物分子的相互作用实现对样品的检测和分析。
虽然石英晶体微天平存在着一些问题,但其优点远远超过缺点,具有广泛的应用前景。
QCM
用
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。 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。
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。
应
电化学传感器:
用
当QCM用作电化学传感器时,其表面的电极具有QCM工作 电极和电化学工作电极双重身份。即QCM可以同时追踪电 化学反应中的质量变化和电荷变化。 QCM电化学传感器可以用于研究电极表面的各种氧化还原 反应,监测电极物质的淀积和溶解,还可用于分析导电聚 合物在QCM电极表面的反应情况等。
结
QCM结构简图
构
结
QCM晶片结构简图
构
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。
QCM石英晶体微天平的使用
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应用之分析化学领域
大气飘尘测定
B
有毒易爆气体 的检测
A
分析化学
C
液体中杂质测 定
大气腐蚀研究
E
D
分析溶液中金 属离子的浓度
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QCM应用于气相检测
QCM最早应用于气相组分、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、氰化物等有毒易爆气体进行 探测研究,至今仍是热门
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小结
通过频率变化反映质量变化 (1)△F小于2%F0 (2)溶剂的粘弹性不变 (3)沉机的厚度基本均匀 则有 Sauerbrey公式成立 广泛的表面选择 任何表面都可以被涂上一个同质层(少于5μm) 例如:金属、陶瓷、聚合体、化学改进表面等 QCM 提供结构信息
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应用于电化学
1 2 3 4
金电极上单分子层氧的吸附机理研究
氧化还原过程离子和溶剂在聚合物膜中的传输
高分子膜及金属电沉积和膜的生长
溶解动力学研究
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不同溶剂体系中氢氧化物电沉积的EQCM研究
QCM 结构及特性
• QCM检测系统具有如下显著特点: • (1)实时性 能够对生物大分子的反应动力过程进行监测,系 统每秒都可以收集数个数据点当发生变化时可 直接观测,除了分子吸附, QCM 提供结构信息。 • (2)高效性 一般完成一个基本的测试用时在15min以内。 • (3)简便性 生物分子无需标记,设备简单;成本低,电极可以再 生和反复使用.任何表面都可以被涂上一个同质 层(少于5μm)例如:金属、陶瓷、聚合体、化 学改进表面等 .
石英晶体微天平
科大张广照小组
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HS-PNIPAM 短链 在6300min金表面饱和,接枝停止 。1快速;2减慢;3急剧降低,构 象转变,分别对应薄饼,蘑菇,刷 子构象 1,快速接枝到裸露的金表面 2,已接枝,阻止了进一步接枝 3,构象转变,可以容纳新的链。
HS-PNIPAM 长链 1快速接枝2稳定薄饼状
科大张广照小组
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石英晶体微天平传感器的优点与缺点
石英晶体微天平传感器的主要优点: (1)稳定性好,检测信噪比高; (2)灵敏度高; (3)响应速度快; (4)容易操作,有利于在线实时检测和远程监控; (5)石英晶片价格适当,利于大规模生产。
石英晶体微天平传感器的主要缺点: (1)由于石英晶体微天平传感器的检测机理是物质在石英晶片表
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5. Adsorption kinetic 吸附过程 Formation of Lipid Bilayer
Richter et al1.8
5. Adsorption kinetic 吸附过程 Formation of Lipid Bilayer
Richter et al1.9
5. Adsorption kinetic 吸附过程 Formation of Lipid Bilayer
科大张广照小组
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5. Adsorption kinetic 吸附过程 Poly(N-isopropylacrylamide) brush 的构象转变
DTM-PNIPAM不与金表面有化学作用,链段强 烈吸附于金表面,清洗后仍有较大的频率变化, 说明链段-界面作用对接枝动力学的影响。清洗结
果说明短链形成的厚实的刷子状结构,由于 链段-链段排斥,难以插入新链,只是少量吸 附,洗去后频率变化很小。
石英晶体微天平原理
石英晶体微天平原理# 石英晶体微天平原理石英晶体微天平(Quartz Crystal Microbalance,QCM)是一种常用的质量测量仪器,广泛应用于物理、化学、生物和材料科学等领域。
QCM基于石英晶体的共振频率变化与其上质量变化之间的关系,可用于测量微量物质的吸附、膜的形成、表面的自组装以及液体的粘度等。
## 原理概述石英晶体微天平由一块厚度约为0.3-3 mm的石英晶体组成,其表面覆盖有金属电极。
晶体通常为圆形或矩形,尺寸在1-10 mm之间。
电极上施加交流电压,将晶体带入共振状态。
当外界有质量吸附在晶体表面时,这会导致晶体质量的微小增加,同时引起共振频率的变化。
通过测量频率变化的大小,我们可以推断出质量变化的大小。
## 共振频率与质量变化的关系晶体的共振频率与其质量和弹性系数有关。
晶体的共振频率与质量成反比,与弹性系数成正比。
当外界质量吸附在晶体表面时,晶体质量增加,导致共振频率下降。
因此,通过测量频率变化的大小,可以确定质量变化的量级。
## 实验操作在进行QCM实验时,首先将清洁的石英晶体放置在实验盒中。
然后,涂覆待测物质的样品溶液或气体在晶体表面,使其吸附。
当样品吸附在晶体表面时,通过电极施加交流电压,使晶体进入共振状态。
由于吸附物质的质量变化,导致晶体质量增加,共振频率下降。
频率变化可以通过专用的频率计或示波器进行测量和记录。
## 应用领域石英晶体微天平在各个领域得到了广泛的应用,如下所示:- 物理学:用于研究表面粗糙度、材料的弹性性质等。
- 化学:用于研究溶液中物质的吸附、反应等。
- 生物学:用于研究生物膜的形成、蛋白质的结构变化等。
- 材料科学:用于研究材料表面的涂层、薄膜的形成等。
## 优势与局限性石英晶体微天平具有以下优势:- 高精度:能够测量微量的质量变化。
- 高灵敏度:能够检测到纳克级的质量变化。
- 实时性:可以实时监测质量的变化。
- 非破坏性:无需破坏样品,可反复使用。
电化学石英晶体微天平
由于仪器集成了多种常用的电化学测量技术,使 得仪器可用作通用电化学测量,也可单独用作石 英晶体微天平的测量(不同时进行电化学测量)。
仪器的使用
• 开机:按下开关,听到仪器风扇声后,双击桌面软件图标, 弹出软件的界面。 • 硬件测试:Setup→Hardware Test
检测正常后会弹出右边对话框 点OK进行实验技术选择
↓Байду номын сангаас
选定实验技术和参数后,便可进行实验。 实验结束后保存数据即可
• 数据处理: DataProc里有很多数据处 理方法,可根据需要进行 选择 Analysis 可以分析数据
•
关机:先关闭软件再将仪器关闭
注意事项
• 电极夹千万不能接触高于10V的高压电,否 则容易造成仪器的损坏。
感受电极用于四电极体系用时不工作电极的夹头夹在一起四电极对于大电流100ma以上或低阻抗电解池1欧姆例如电池十分重要可消除由于电缆和接触电阻引起的测量误差当用于三电极体系时感受电极应荡空丌用
电化学石英晶体微天平原理及使用
原理及应用
• 电化学石英晶体微天平(electrochemical quartzcrystal microbalance)简称EQCM,是压电传感与电化学方法相结 合发展起来的技术。 • 其原理是基于石英晶体振荡片上吸附或沉积时,晶体振荡 频率发生变化,它与晶片上沉积物的质量变化有简单的线 性关系。 • 它能在电化学反应过程中同时获得质量变化的信息,检测 灵敏度可达ng级。是研究液/固界面最有效的工具之一, 可用于金属电沉积与腐蚀、吸附与脱附、成核与晶体成长、 电化学聚合与溶剂效应、膜的掺杂与去掺杂等基本电化学 行为的研究。
• 含石英晶体振荡器,频率计数器,快速数字信号发生器, 高分辨高速数据采集系统,电位电流信号滤波器,信号增 益,iR降补偿电路,以及恒电位仪/恒电流仪 。 • 仪器可工作于二,三,或四电极的方式。四电极对于大电 流或低阻抗电解池(例如电池)十分重要,可消除由于电 缆和接触电阻引起的测量误差。
电化学石英晶体微天平
原理及应用
• 电化学石英晶体微天平(electrochemical quartzcrystal microbalance)简称EQCM,是压电传感与电化学方法相结 合发展起来的技术。 • 其原理是基于石英晶体振荡片上吸附或沉积时,晶体振荡 频率发生变化,它与晶片上沉积物的质量变化有简单的线 性关系。 • 它能在电化学反应过程中同时获得质量变化的信息,检测 灵敏度可达ng级。是研究液/固界面最有效的工具之一, 可用于金属电沉积与腐蚀、吸附与脱附、成核与晶体成长、 电化学聚合与溶剂效应、膜的掺杂与去掺杂等基本电化学 行为的研究。
由于仪器集成了多种常用的电化学测量技术,使 得仪器可用作通用电化学测量,也可单独用作石 英晶体微天平的测量(不同时进行电化学测量)。
仪器的使用
• 开机:按下开关,听到仪器风扇声后,双击桌面软件图标, 弹出软件的界面。 • 硬件测试:Setup→Hardware Test
检测正常后会弹出右边对话框 点OK进行实验技术选择
• 含石英晶体振荡器,频率计数器,快速数字信号发生器, 高分辨高速数据采集系统,电位电流信号滤波器,信号增 益,iR降补偿电路,以及恒电位仪/恒电流仪 。 • 仪器可工作于二,三,或四电极的方式。四电极对于大电 流或低阻抗电解池(例如电池)十分重要,可消除由于电 缆和接触电阻引起的测量误差。
上海辰华CHI440B 电化学石英晶体微天平
• 仪器包括一个特殊设计的电解池,如图1(a)所示。电解池 由三块圆形的聚四氟乙烯组成。直径为35mm,总高度为 37mm。最上面的是盖子,用于安装参比电极和对极。中 间的是用于放溶液的池体。石英晶体被固定于中间和底下 的部件之间,通过橡胶圈密封,并用螺丝固定。石英晶体 的直径为13.7mm,晶体两面的中间镀有5.1mm直径的金 盘电极(其它电极材料需特殊定做)。新晶体的谐振频率是 7.995 MHz。
石英晶体微天平电化学
新高考下高中选课走班制实践研究随着新高考的推出,高中学生的选课方式也发生了变化。
传统的固定课程表在新高考下已经不再适用,取而代之的是走班制选课。
走班制选课是指学生可以根据自己的兴趣和发展需求,自由选择学习内容和学习方式,使其能够更好地发展个性化的学习模式。
本文将对新高考下的高中选课走班制进行实践研究,探讨其优缺点及应用方法。
高中选课走班制的优点之一是能够满足学生个性化发展的需求。
传统的固定课程表无法满足每个学生的兴趣和发展需求,而走班制可以让学生根据自己的兴趣和特长选择课程,从而更好地发展自己的优势。
学生可以选择自己感兴趣的科目进行深入学习,培养自己的兴趣爱好,提高学习积极性和主动性。
走班制也可以满足学生未来发展的需求,比如某些学生可能希望将来进入艺术、体育、科技等领域,他们可以选择相关的学科进行学习和实践。
高中选课走班制也可以提高教学质量。
传统的固定课程表对学生的学习进度和需求都很难进行个性化的调整,而走班制可以根据学生的学习能力和需求进行差异化教学。
学生可以根据自己的学习情况选择适合自己的学习进程和学习方式,使教学更加有针对性,提高学生的学习效果。
走班制也可以引入更多外部教育资源,比如请专业的教师来进行特殊课程的授课,提供更全面、专业的教学内容和方式。
高中选课走班制也存在一些挑战和不足之处。
走班制会给学校教学管理带来一定的困难。
传统的固定课程表可以通过固定的教学安排来进行管理,而走班制则需要学校设计更加复杂的课程规划和教学管理方案,增加了学校管理的难度和工作量。
走班制也会增加学生选课的难度,需要学生在众多课程中进行选择,需要一定的自主学习和判断能力。
对于一些学习能力较弱或者缺乏自主学习能力的学生来说,选择适合自己的课程可能会存在困难。
针对高中选课走班制的应用方法,可以采取以下措施。
学校应该建立一个完善的选课指导系统,为学生提供选课的指导和帮助,包括提供详细的课程介绍和课程设置信息,给予学生选择的建议和意见。
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1.精确构建数学模型和电子线路仿真模型, 不忽略任何影响产品精确度的微小因素, 使样机的设计制作变得容易,为实际产品 的开发提供可靠的理论依据。 2.做出可以测量微小质量的QCM样机,。 3.电路设计,实现晶体电路的自适应控制。
关键技术
1.本小组为此次科研活动准备了充足的资料,包括国内重点院校的研究成果, 本校专业老师的指导和耐心讲解,以及本项目的研究生学长的介绍和样机展示。 对石英晶体微天平的工作原理及结构设计有了一定的了解,对研究方向、步骤 都有了很好的把握。 2.指导老师在电路研究方面有多年的经验,是本学院电子电气专业带头人、具 有较强的专业性,曾指导过的许多科研国创小组都取得了优秀的科研成果,作 为第一作者发表了许多专业的学术论文并编写过电子线路等大学物理专业课教 材。 3.我们已经通过实验测得了粉尘质量和振荡频率的关系,为接下来的研究奠定 了良好的基础。
石物 理英 晶学 体院 微 国天 平创 项 原目 (QCM) 理 及参 赛样 作机 设品 计
小组成员介绍
武晓佳
段璎宸
董丽君 国创答辩
刘静
董振余
展示内容
选题依据
创新点、关键技术
作品简介 研究方案
预期目标
国作创品答简辩介
石英晶体微天平(Quartz crystal microbalance) 是一种非常灵敏的质量检测仪器,其测量精度可达纳 克级,比灵敏度在微克级的电子微天平高100 倍,理 论上可以测到的质量变化相当于单分子层或原子层的 几分之一。
可行性分析
选题依据
创新点、关键技术
项目简介 研究方案 预期目标
预期目标
1.本小组为此次科研活动准备了充足的资料,包括国内重点院校的研究成果, 本校专业老师的指导和耐心讲解,以及本项目的研究生学长的介绍和样机展示。 对石英晶体微天平的工作原理及结构设计有了一定的了解,对研究方向、步骤 都有了很好的把握。 2.指导老师在电路研究方面有多年的经验,是本学院电子电气专业带头人、具 有较强的专业性,曾指导过的许多科研国创小组都取得了优秀的科研成果,作 为第一作者发表了许多专业的学术论文并编写过电子线路等大学物理专业课教 材。 3.我们已经通过实验测得了粉尘质量和振荡频率的关系,为接下来的研究奠定 了良好的基础。
执行PSPICE仿真程 序
结果是否正 确?
分析结 束
修改输入 文件
修改电路 元件及参
数值
研究方案 研究方案
15
选题依据
创新点、关键技术
作品简介
研究方案
预期目标
创国新创点答、辩关键技术
1.避开了降低石英晶体厚度来提高测量灵敏 度的方法,另辟蹊径,通过计算机技术进行 电路调整,实现晶体电路自适应控制来提高 石英晶体微天平的灵敏度,为实际产品的开 发降低成本。 2.从QCM工作基本原理入手,使研究过程 精细、全面,保证系统的、可行性、测量的 可靠性,有效防止了沿用其他人研究成果导 致的理论知识不扎实,测量精度不够也无从 改进的结果。
创新点、关键技术
作品简介
研究方案
预期目标
课选题背依景据
国内: 起步阶段 跟踪成果
研究分散 稳定性不好
PowerPoit 2003
国外:相当成熟、商品化、美国的QCM.Research公司的 产品用于NASA火星探测车“Sojourner”的太阳能电池板的 灰尘厚度,从而及时清理灰尘以免影响太阳能电池板的效率; 也有用于检查太空舱的气密性,宇宙射线强度等的产品。
国选内题z的QCM芯片而言, 产生1Hz的响应需要的质量为20ng, 即它的理论质 量灵敏度>20ng。而对于基频为27MHz的芯片,产生 1Hz 的响应需要的质量为 0.7ng。显而易见,27MHz 比5MHz具有更高的灵敏度,提高了29倍。其前提条 件是芯片厚度变得更薄。 虽然“降低芯片的厚度, 提高芯片的基频”是提高QCM灵敏度的方法之一, 但这对芯片的制备工艺要求极高, 目前仅有日本 Okahata小组在使用。主流还是基频为5MHz的QCM 芯片。
提高样机的灵敏度。
国创答辩 研究内容
1. 设计电路,达到电路对石英晶体稳定的自 适应控制降低对QCM晶体厚度的高要求。 2. 搭载使QCM产生稳定频率的电路,根据工 作原理逐步提高QCM的测量精度。 3.做出实现低成本的同时提高石英晶体微天平 控制精度的QCM样机。
研究方案 研究目标
14
建立电路输入文件确 定分析类型
石英晶体微天平利用了石英晶体谐振器的压电 特性,将石英晶振电极表面质量变化转化为石英晶体 振荡电路输出电信号的频率变化,进而通过计算机等 其他辅助设备获得高精度的数据。
作品简介 石英晶体微天平
4
样
品
Q
C
M
的
微
质
量
和
温
度
测
符7石.合9英9要M空求H间的z 结Q振C构荡M波样形品
试
国创答辩 前期基础
选题依据
如果可以降低芯片的厚度 同时提高QCM的灵敏度将会 在学术领域产生巨大的影响。
主要是用来进行微质量的测量,精度 可以达到纳克级,具有灵敏度高,稳定性好、 通用性高、工作温度范围宽、尺寸小、耐 振动性能强等优点。目前,随着研究的不 断深入,QCM已经被广泛应用于液相、固 相、气相中进行各种物质成分的研究和分 析。在生物医学,化学,环境监测,航天 航空等领域有着广泛的应用和广阔的前景 和较高的科研价值。
选题依据 应用价值
10
选题依据
创新点、关键技术
作品简介 研究方案 国研创究答方辩案
预期成果
从石英晶体内部结构,压电效应,频率特性, QCM的原理和应用,晶体的振荡电路等进行研 究,全面扎实地掌握石英晶体特质对QCM工作 的影响。
研究方案 研究内容
12
研 究 方 案
型 进 论 研 进及 行 。 行究压 Q的 面 对构C电实石电Q电 振 扎M建C路验英路效荡实从M的数仿验晶结应电地石原工学真证体构,路掌英理作模模同微,频等握晶和的型型时天率进石搭体应影()寻平特行英载内用响构进找样性研晶电部,。建行并机,究体路结晶Q理 丰 设,特并构体C论 富 计全 质进,M仿 原 ,行工真 有 逐试作。 理 步验模,
选题依据 国内外现状分析
选题依据 学术价值
QCM 作为一种新型的介
微称重技术,能够用于高压等 极端实验条件,如果可以降低 芯片的厚度同时提高QCM的 灵敏度将会在学术领域产生巨 大的影响。
对于快速测量化合物在 高压流体中的静态和动态行 为过程、大气与环境污染物 的监测、金属腐蚀与防护、 高分子相变、气相反应动力 学的研究等都具有重要意义。