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1、PPT模板下载： 如果在晶体两端加上电场，无中心物质的偶极子就会重新定位，引起原子位移，产生机械形变，从而将电能转化为机械能，这一现象叫做逆压电效应。当加在晶体上的电压为交变电压时，晶体就会在逆压电效应的驱使下产生机械振动，同时机械振动又产生交变电场。通常逆压电效应产生的机械振动的振幅很小，但是当交变电场的频率与晶体的基频率相同时晶体就会发生大幅度振动。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f与在晶体表面均匀吸附的刚性物的质量m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
2、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。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
3、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：式中f为晶体的固有谐振频率，n为谐波次数，l和l为流体的粘度和密度，q和q为石英晶体的剪切模量和密度。基本原理若QCM在牛顿流体中振荡，且其表面又有刚性吸附物质则需要将Sauerbrey 方程和Kanazawa-Gordon方程叠加使用：式中f为晶体的固有谐振频率，m为质量，l和l为流体的粘度和密度 为石英晶体的压电强化剪切模量。基本原理 在很多情况下，晶体表面的吸附膜为非严格刚性的，这时膜的粘弹性属性可以通过耗散因子D来测量。耗散因子的定义为：即在一个振荡周期内损耗的能量与存储的能量的相
4、对比值。当晶体表面的吸附膜较软时，耗散因子D会较大。将一个正在振荡的晶体突然断开时，晶体会工作在一种欠阻尼振荡方式上，晶体上电压或电流波形为指数衰减的正弦波。其振幅衰减符合下面方程：式中A，B和为常数，t为衰减时间，f为谐振频率，为衰减时间常数。通过拟合可以求得的值。基本原理 将值代入下面方程可以求得耗散因子。耗散因子D是表征晶体表面吸附膜物理属性的一个重要参量，D与晶体表面吸附层的粘度和弹性模量等有关，它直接指示着整个晶体体系的能量内耗。结构液体池在石英晶片的上方，用于装盛样品溶液，溶液与晶体的一个表面接触。样品由进液口加入，从出液口排出。晶体和液体池周围是温度控制系统，确保温度稳定在 0.
5、01以内。从晶体的电极引出的两根导线与 QCM 驱动电路相连接。QCM 数据采集电路负责将驱动电路产生的模拟信号数字化，再将数据送往 PC 机进行显示和处理等。QCM结构简图结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晶片结构简图结构 QCM支架温控系统和液体池的实物图：QCM晶片两面的实物图：应用免疫传感器：将特定的抗原(或抗体)固定于QCM的电极
6、表面，当试剂中含有与其对应的抗体(或抗原)时，两者之间就会相互结合，引起QCM表面电极质量的变化。通过质量变化引起的谐振频率变化就可判断待测试剂中是否含有与QCM电极表面的抗原(或抗体)相对应的抗体(或抗原)。抗体抗原 应用基因传感器：首先将DNA的单链固定于QCM的电极表面，当待测试剂中含有与其对应的另一条DNA单链时，两者就会结合在一起，引起QCM表面电极质量的变化，并通过QCM谐振频率的变化反映出来。这样通过谐振频率的变化就可定量测得待测试剂中含有的特定DNA单链的量。应用蛋白质传感器：可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
7、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。QCM免疫传感器即是蛋白质传感器的一种特例。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。应用气体传感器：将吸附特定气体的吸附膜附着于QCM电极表面，当空气中含有这种气体，其分子就会被吸附于吸附膜上。被吸附的气体分子会引起QCM电极表面质量的变化，使QCM的谐振频率产生变化。因此通过检测谐振频率的变化即可判断空气中有无该种气体和该种气体量的多少。QCM最早是应用于气相组分的分析
8、、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、氰化物等害气体进行探测研究。应用电化学传感器：QCM电化学传感器不仅具有操作简单、实时性好等QCM所固有的优势，而且是QCM的一个非常有特色的应用。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的这一优势是其作为电化学传感器所无可比拟的。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。应用流体传感器：由于 QCM谐振频率的变化与液体的浓度和密度的乘积的根值成正比，因而通过QCM谐振频率的变化即可检测液体的粘度和密度，通过连续监测谐振频率的变化还可监测液体的粘度和密度的变化。QCM的这一性质在工业上可以用于检测油品等的质量，在医学方面还可用于检测血液的流变特性等。谢谢PPT模板下载：