一種單面無極激勵石英晶體諧振頻率檢測系統(tǒng)

盧 陽 ，杜 明，廖玉枝，司士輝

（中南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，湖南 長沙 410083）

0 引 言

在過去的20年，單面無極石英晶體微天平（Quartz Crystal Microbalance，QCM）已經(jīng)在生物和化學(xué)研究中獲得了越來越多的關(guān)注。由于AT切型QCM可通過共振頻率的變化檢測其表面質(zhì)量和粘度變化[1]，因此常見的5～20 MHz石英晶體被開發(fā)應(yīng)用于商業(yè)用途[2-4]。傳統(tǒng)的有極石英晶體一般以金作為電極鍍在石英晶體兩側(cè)，不僅對工藝提出了很高要求，且價格昂貴、測量系統(tǒng)復(fù)雜，檢測精度達不到幾個ppm。由于金的密度遠大于石英，會降低QCM的質(zhì)量靈敏度，且隨著基頻的增加影響加劇。此外，有源傳感區(qū)被限制在電極的中心區(qū)附近，其他表面區(qū)域基本不活動，降低了靈敏度，因此優(yōu)選無電極QCM[5]。目前，QCM測量儀采用的測量方法主要為以下3種類型：振蕩電路法，頻譜分析法和QCM-D耗散因子法[6]。使用傳統(tǒng)的晶體振蕩電路無法同時滿足晶體在氣相和液相的測量要求，所以選擇掃頻方法進行QCM的測量[7]。本研究以QCM作為諧振體（激勵電極采用金電極，石英面觸液采用無極），提出一種新型傳感檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于DDS工作原理的AD9851，以單片機為控制核心。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

實驗使用的試劑與儀器情況，如表1所示。

1.2 實驗過程

在25 ℃條件下，按照標(biāo)準(zhǔn)分別配制0.001 M、0.01 M、0.1 M、1 M的KCl溶液，以測量不同電導(dǎo)率下QCM的頻率。

配制緩沖氧化物刻蝕液，49%HF水溶液：40%NH4F水溶液=1:6（體積比）。稀釋為1%、2%、5%、10%、20%的溶液，檢測QCM被腐蝕的質(zhì)量響應(yīng)。

1.3 檢測系統(tǒng)的原理及構(gòu)造

檢測系統(tǒng)由AD9851控制，采用直接數(shù)字合成（DDS）技術(shù)代替體積龐大的DDS信號發(fā)生器。經(jīng)由單片機控制，以掃頻方式在QCM基頻一定范圍內(nèi)進行激勵振蕩，電壓為15 V，并以石墨電極接收QCM頻率響應(yīng)電信號。接收到的電信號經(jīng)由前段放大電路放大，再由相敏檢波處理，顯示在LED上。整個檢測裝置由檢測和軟件兩部分構(gòu)成。檢測部分包括激勵電源、QCM、檢測池、石墨電極和數(shù)據(jù)采集卡。軟件部分包括相敏檢波、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)保存。裝置原理如圖1所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 單面無極石英晶體頻率變化與電導(dǎo)率的關(guān)系

QCM在液相中的等效模型，除了無負載和質(zhì)量負載外，還有與液體粘度和密度有關(guān)的Ll、Rl及與液體介電常數(shù)及導(dǎo)電率有關(guān)的Cl和Gl[8-9]（Ll是電解質(zhì)溶液電感、Rl是動態(tài)電阻、Cl是靜態(tài)電容、Gl是電解質(zhì)溶液電導(dǎo)）。實驗結(jié)果如圖2所示。根據(jù)圖2實驗結(jié)果可知，在0.001～1 M的KCl標(biāo)準(zhǔn)溶液中，QCM的頻率隨電導(dǎo)率的增大減小，呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系，且誤差控制在10-7，保證了測量的準(zhǔn)確性。

表1 試劑與儀器情況

圖1 裝置原理

2.2 QCM的頻率變化與氫氟酸腐蝕石英體的質(zhì)量響應(yīng)

表2顯示出相同時間段內(nèi)不同濃度酸溶液腐蝕單面無極石英晶體的頻率響應(yīng)。根據(jù)Sauerbrey方程，該關(guān)系表示為，其中f0為石英晶體固有的諧振頻率，ρ為石英晶體的密度，μ為石英晶體的切變模量，Δm為石英晶體表面的質(zhì)量變化。計算QCM的質(zhì)量響應(yīng)，測量精度均在0.1 ng級別，達到了測量目的。

3 結(jié) 論

通過實驗探討了研制的用于化學(xué)生物傳感的單面無極石英晶體諧振頻率檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高精確度，給無極石英晶體的應(yīng)用提供了一種便利方式。

圖2 實驗結(jié)果

表2 相同時間段內(nèi)不同濃度酸溶液腐蝕單面無極石英晶體的頻率響應(yīng)