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石英晶体微天平基本原理
发布时间2017/7/7 11:30:56 阅读次数:721次
一、 石英晶体微天平的基本原理:     
 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早应用于气相组分、有毒易爆气体的检测。已对SO2、H2 S、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。日本的S. Iijima博士首次发现了碳纳米管(CNTs) ,其结构是由单层(单壁碳纳米管) 或两层(MWCNTs)以上、极细小的圆筒状石墨片而形成的中空碳笼管.利用MWCNTs 作为气敏材料,将其均匀地涂覆在QCM表面形成一敏感薄膜.利用MWCNTs 敏感薄膜对16 mg/m3甲醛和9. 64 mg/ m3 水蒸汽的吸附作用,把甲醛和19. 64 mg/ m3水蒸汽的浓度信号转化为频率信号从而对16 mg/ m3 甲醛和9. 64mg/ m3 水蒸汽进行检测. 
四、石英晶体微天平在生物医学中的应用       
生物医学方面,在QCM探头电极上修饰具有生物活性的特异选择功能膜即作了压电晶体生物传感器,因其对质量变化的高敏感性,传感器具有特异性好、灵敏度高、成本低廉和操作简便等优点。现已广泛应用于分子生物学、病理学、医学诊断学、细菌学等研究领域,今年来在研究和检测蛋白质、微生物、核酸、酶、细胞等方面都发挥了重要的作用,具有广阔的发展前景。 
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