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石英晶体微天平基本工作原理
发布时间2017/7/7 11:30:57 阅读次数:894次
  石英晶体微天平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,再通过主机将测得的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。
  1959 年 Sauerbrey 在假定外加持量均匀刚性地附着于QCM 的金电极表面的条件下,得出了QCM 的谐振频率变化与外加质量成正比的结论。对于刚性沉积物,晶体振荡频率变化△F 正比于工作电极上沉积物的质量改变△M。通过这一关系式可得到QCM电极表面的质量变化。
  石英晶体微天平应用及展望
  QCM system
  QCM(Quartz Crystal Microbalance)作为微质量传感器具有结构简单、成本低、振动Q值大、灵敏度高、测量精度可以达到纳克量级的优点,被广泛应用于化学、物理、生物、医学和表面科学等领域中,用以进行气体、液体的成分分析以及微质量的测量、薄膜厚度的检测等。根据需要,还可以在金属电极上有选择地镀膜,进一步拓宽其应用。例如,若在电极表面加一层具有选择性的吸附膜,可用来探测气体的化学成分或监测化学反应的进行情况。随着生物科学的蓬勃发展,QCM作为基因传感器在生物领域的应用有着广阔前景。
  QCM具有在线跟踪检测微观过程的变化,获取丰富的在线信息的优点,是其他方法无法比拟的。这项技术以其简便、快捷、灵敏度高、在线跟踪等优势,必将与其他技术结合成为微观过程与作用机理研究,微量、痕量物质的检测等方面十分有效的手段,获得广泛应用,并从简单的浓度测定深入到动力学过程机理的研究。今后的发展方向集中在以下几个方面:
  1.对粘弹性层的理论处理
  2.采用其他表面技术,如表面红外光谱,对晶体表面的界面特性进行深入研究。
  3.微量物质的检测与作用的研究。如以生物组织作为分子识别元件,研究诸如微量元素作用等。
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