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QCM-D
鎖定
- 中文名
- 耗散型石英晶體微天平
- 外文名
- Quartz Crystal Microbalance with Dissipation, QCM-D
QCM-D結構原理
傳統石英晶體微天平(QCM)最初被應用在空氣或者真空中檢測物質在表面的吸附,現代科技的發展也使得它擁有在液相中檢測物質吸附的能力。該系統的核心是石英晶體傳感器。當傳感器兩端施加電壓時,石英晶體會在共振頻率處引發一個小的剪切振動。如果在晶體表面上吸附一層薄膜,晶體的振動就會減弱,並且這種振動的減弱或者頻率的降低隨着薄膜的厚度和密度變化。如圖1所示,當芯片表面有物質吸附時,芯片的頻率會降低。
1959 年QCM 的諧振頻率變化與外加質量成正比的結論被正式提出。通過Sauerbrey方程,吸附在晶體傳感器上的物質質量就可以和頻率的改變建立以下關係:
耗散型石英晶體微天平(QCM-D)可以同時測量石英晶體頻率(Δf)和耗散值(ΔD)的改變。與傳統石英晶體微天平工作原理不同,QCM-D通過間歇的打開/斷開電路,記錄芯片頻率改變,以及基頻從振盪到完全靜止時變化快慢。如圖2所示,當表面吸附剛性物質時(紅色),頻率降低為0需要較長的時間;而表面吸附柔軟/粘彈性物質時(綠色),頻率降低需要的時間會大幅減少。一般地認為,當ΔD〈10-6時,吸附的是剛性物質,而ΔD〉10-6時,吸附的則是粘彈性物質。而通過對耗散值的觀測,物質內部的粘彈性以及結構變化可以被實時的監測,進而精確的測量吸附粘彈性物質的質量。耗散(ΔD)是指當驅動石英晶體振盪的電路斷開後,晶體頻率降低到0的時間相對快慢。
通過結合使用ΔF/ΔD值和Kelvin-Voigt模型,粘彈性物質的吸附量則可以準確的被計算出來。Kelvin-Voigt模型,又被簡稱為Voigt模型,是一種使用在具有彈性和粘性兩種特殊性能材料的模型。該模型由牛頓粘壺(η)和胡克彈性彈簧(E)並聯組成, 如圖3所示:
該模型可以如下表達:
其中σ是應力,E是材料的彈性模量,ε是發生在給定應力下的應變,n是材料的粘彈性。這種模型代表了一種可逆的粘彈性吸附膜變化。當施加一個恆定的壓力時,材料的變形以遞減的速率變化,並趨於穩定狀態;當應力被釋放時,材料可以逐漸鬆弛到未變形狀態。在恆應力蠕變時,該模型也可以非常好的表達吸附的粘彈性物質,因為它預測應變隨着時間的變化而σ/ E發生的改變。簡單的,該方程可以如下表達:
通過該公式衍生出來的QCM-D技術則可以精確的給出由耗散導致的頻率損失,從而可以進一步瞭解材料內部性質。耗散值(D)可以從以下方程得到:
QCM-D發展歷史
從1880年居里兄弟發現壓電效應,到1959年Sauerbrey公式的提出,到1980年第一台可進行液相實驗的QCM儀器,再到1996年QCM-D理論被使用於實際測量。石英晶體微天平技術經歷了翻天覆地的變化和重大的科技革新。z越來越多的具有不同功能表面的芯片被用於生物材料、藥物研發、環境科學、石油&天然氣、表面清潔劑、塗料等領域,用以檢測表面所發生的吸附、解吸、交聯、溶脹、降解等化學物理反應。使用AT切割方法使得製備的石英晶體芯片具有頻率高(500K~350M Hz)、壓電活力高、温寬範圍內頻率温度特性好等優點,而表面不同的塗層可以使得QCM-D技術應用到更多的領域。例如在金表面修飾特定多肽可以用來捕捉DNA片段,金屬/合金塗層可以模擬檢測金屬表面腐蝕情況,具有對氣體選擇性吸附的塗層可以被使用到特殊氣體檢測。