石英晶體微天平課件

1、石英晶體微天平2石英晶體微天平所謂石英晶體微天平(Quartz Crystal Microbalance， QCM)主要通過檢測物質(zhì)在石英晶片表面上吸附前后石英晶片共振頻率的變化以得到吸附物質(zhì)的量和一些物理性能。例如對共振頻率為5MHz的石英晶片， 1Hz的共振頻率變化相當于176ng/cm2的被吸附物質(zhì)質(zhì)量的變化（假設(shè)物質(zhì)的密度為1g/cm3），若石英晶片的有效檢測面積為50 mm2，則吸附物質(zhì)的有效質(zhì)量約為88ng。石英晶體微天平具有非常高的靈敏度，可以測到納克范圍內(nèi)的痕量物質(zhì)質(zhì)量的變化，因此被廣泛地應(yīng)用于生物、化學(xué)傳感器以及微量物質(zhì)在表面的吸附過程研究。石英晶體微天平的基本工作原理基準共

2、振頻率：f0高階共振頻率：f = nf0 (n=1,3,5,7)頻率變化：df 半峰寬變化：dG14.999014.999515.000015.000515.0010G基準頻率 MHzdf加載后G石英晶：壓電晶體UI電極載荷 石英晶片 周期性剪切振動有效檢測表面反面正面4石英晶體微天平儀器的類型1. Quartz Crystal Oscillator2. Network Analysis3. Impulse Excitation (Ring-down)只測量頻率，速度快，靈敏度最高同時得到頻率和半峰寬，速度較慢，靈敏度高阻抗儀公司： Stanford Research， Maxtek Inc.

3、公司： Resonance Probe GmbH公司： Q-Sense （QCMD）5石英晶體微天平A(t) = A0 e -2t cos(2f t + )Ring-down6石英晶體微天平Quality factor (品質(zhì)因子）:Dissipation: 7石英晶體微天平Equivalent circuit:Butterworth-van DykeL1: massC1: elastic componentR1: dissipation8(2) Sauerbrey equation: 測量薄膜質(zhì)量 mf 和厚度df 石英晶天平(QCM) (1) General equation:(3) Ka

4、nazawa equation: 測量牛頓流體的粘度 h石英晶體微天平的應(yīng)用基礎(chǔ)方程(4) 其他復(fù)雜情況：需能夠?qū)?yīng)力進行分析=2nf0 n : 階數(shù)Zload: 加載物質(zhì)的阻抗acoustic impedanceZq : 石英晶片的阻抗9石英晶體微天平的可能應(yīng)用薄膜厚度、質(zhì)量和力學(xué)性能吸附過程，傳感器膠體懸浮液粘度界面相互作用101. Rigid film (硬薄膜）2. Soft film-viscoelastic effect112. Soft film-viscoelastic effect123. Newtonian liquid 4. Soft film in liquid-vis

5、coelastic effect134. Soft film in liquid-viscoelastic effect145. Adsorption kinetic 吸附過程硫醇的吸附動力學(xué)過程Pan, W. et al. Langmuir 1996, 12, 4469155. Adsorption kinetic 吸附過程Poly(N-isopropylacrylamide) brush 的構(gòu)象轉(zhuǎn)變 科大張廣照小組DTB-PNIPAM：可逆加成-斷裂鏈轉(zhuǎn)移(RAFT)聚合合成PNIPAM，末端用dithiobenzoate groups終止；不與金表面發(fā)生化學(xué)接枝HS-PNIPAM： DT

6、B-PNIPAM水解后的產(chǎn)物，可以與金表面發(fā)生化學(xué)接枝；分別有短鏈s-PNIPAM 和長鏈l-PNIPAM水溶液中使用石英晶體微天平來研究聚合物鏈的動力學(xué) 石英晶體微天平在大分子的吸附，構(gòu)象和作用研究方面具有很高靈敏性，聚合物鏈經(jīng)-SH基團和金的強烈化學(xué)偶合作用化學(xué)接枝在鍍金的晶片表面，同時PNIPAM鏈段由于強烈的鏈段-界面作用也吸附在金表面，體系可以實現(xiàn)薄餅-刷子轉(zhuǎn)變165. Adsorption kinetic 吸附過程Poly(N-isopropylacrylamide) brush 的構(gòu)象轉(zhuǎn)變 科大張廣照小組 DTM-PNIPAM不與金表面有化學(xué)作用，鏈段強烈吸附于金表面，清洗后仍有

7、較大的頻率變化，說明鏈段-界面作用對接枝動力學(xué)的影響。清洗結(jié)果說明短鏈形成的厚實的刷子狀結(jié)構(gòu)，由于鏈段-鏈段排斥，難以插入新鏈，只是少量吸附，洗去后頻率變化很小。17HS-PNIPAM 短鏈在6300min金表面飽和，接枝停止。1快速；2減慢；3急劇降低，構(gòu)象轉(zhuǎn)變，分別對應(yīng)薄餅，蘑菇，刷子構(gòu)象1，快速接枝到裸露的金表面2，已接枝，阻止了進一步接枝3，構(gòu)象轉(zhuǎn)變，可以容納新的鏈。HS-PNIPAM 長鏈1快速接枝2穩(wěn)定薄餅狀 科大張廣照小組185. Adsorption kinetic 吸附過程Formation of Lipid Bilayer Richter et al.195. Adsorp

8、tion kinetic 吸附過程Formation of Lipid Bilayer Richter et al.205. Adsorption kinetic 吸附過程Formation of Lipid Bilayer Richter et al.QCM與其它技術(shù)的結(jié)合216. 原位聚合過程研究北大馬宏偉小組226. 原位聚合過程研究北大馬宏偉小組236. 原位聚合過程研究北大馬宏偉小組246. 原位聚合過程研究北大馬宏偉小組256. 界面相互作用Point-contact modelDiethelm Johannsmanns group266. 界面相互作用Point-contact

9、modelDiethelm Johannsmanns group276. 界面相互作用Point-contact modelDiethelm Johannsmanns group286. 界面相互作用Sheet-contact modelDiethelm Johannsmanns group296. 界面相互作用Sheet-contact modelDiethelm Johannsmanns groupContact between a gel lens and a quartz crysal resonatormaterial: 25 wt% Kraton gel in mineral oi

10、l30UI電極 石英晶片 周期性剪切振動有效檢測表面反面正面7.石英晶體微天平化學(xué)傳感器“檢測部件” 石英晶片及其表面的選擇性檢測涂層；“電子部件”用于頻率測量的阻抗儀或電路板和控制電腦組成。 (1) 濕敏傳感器 (2) 氣敏傳感器(3) 水中重金屬離子傳感器 (4) 水中有機污染物傳感器31(1). 濕敏傳感器根據(jù)水在石英晶片電極表面或涂層的吸附所引起的共振頻率變化，石英晶體微天平傳感器可以測量環(huán)境中的相對濕度。32(2).氣敏傳感器 空氣中的氣體污染物可以分為無機小分子氣體和有機溶劑蒸氣，氣敏傳感器可對大氣中所含的各種不同氣體進行有效的檢測和監(jiān)控。L. Feng, Y. J. Liu, X

11、. D. Zhou, et al. J.Colloid & Interf. Sci. 2005, 284, 378.采用分子烙印法在石英晶片上制備了具有甲醛分子尺寸孔洞的甲基丙烯酸凝膠薄膜，用石英晶體微天平可以檢測到濃度為1.25-14.25微摩爾(M)的大氣中的甲醛含量。 33L. Feng, Y. J. Liu, X. D. Zhou, et al. J.Colloid & Interf. Sci. 2005, 284, 378.傳感器裝置示意圖34L. Feng, Y. J. Liu, X. D. Zhou, et al. J.Colloid & Interf. Sci. 2005, 2

12、84, 378.傳感器噪聲水平測試35L. Feng, Y. J. Liu, X. D. Zhou, et al. J.Colloid & Interf. Sci. 2005, 284, 378.對甲醛氣體的吸附36L. Feng, Y. J. Liu, X. D. Zhou, et al. J.Colloid & Interf. Sci. 2005, 284, 378.傳感器對甲醛氣體的檢測靈敏性測試37L. Feng, Y. J. Liu, X. D. Zhou, et al. J.Colloid & Interf. Sci. 2005, 284, 378.傳感器對甲醛氣體的選擇性測試38

13、(3).水中重金屬離子傳感器S. C. Ng, X. C. Zhou, Z. K. Chen,et al. Langmuir 1998, 14, 1748.將聚噻吩(Polythiophene)薄膜吸附到石英晶片上，用于對水溶液中微量重金屬離子的測定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)能夠選擇性的吸附水中的汞離子，其濃度靈敏度可以達到0.1ppm，而且水中其他重金屬離子如鉛、鈷（Co）和鉻（Cr）等的存在并不會干擾汞離子的準確檢測。39S. C. Ng, X. C. Zhou, Z. K. Chen,et al. Langmuir 1998, 14, 1748.0.1ppm Hg 2+ 溶液40(4).水中有機污染物傳感器目前，人們對水中有機污染物的關(guān)注相對較少，而且對其進行檢測的難度也比較大，雖然在九十年代后期就開始了這一方面?zhèn)鞲衅鞯难芯?，但并沒有受到應(yīng)有的重視，發(fā)展比較緩慢。 418.石英晶體微天平生物傳感器Zhihong Sheng et al.428.石英晶體微天平生物傳感器Zhihong Sheng et al.438.石英晶體微天平生物傳感器Zhihong Sheng et al.448.石英晶體微天平生物傳感器Zhihong Sheng et al.458.石英晶體微天平生物傳感器Zhihong Sheng et al.468.石英晶體微天平生物傳感器Zhihong Sheng et a