粘彈性薄膜吸附的QCM傳感器響應(yīng)模型研究及驗證.pdf

1、石英晶體微天平（QCM）是一種超靈敏的質(zhì)量型傳感器，可以檢測到納克量級（10-9g）的微質(zhì)量變化。它具有快速實時、在線跟蹤、單次檢測成本低廉、可以給出定量分析結(jié)果等諸多優(yōu)點，是實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留、食品安全、重金屬污染、大氣污染、水質(zhì)分析、醫(yī)學診療檢測等高精密檢測分析的新技術(shù)、新方向，近幾年成為了生化檢測分析領(lǐng)域的研究熱點。
　　在經(jīng)典的QCM的數(shù)據(jù)分析響應(yīng)模型中，Sauerbrey模型只適用于氣相剛性膜均勻吸附應(yīng)用；Kanasaw

2、a模型只適用于液相純粘性液體應(yīng)用，并且它只能把未知液體的密度和粘度的乘積項當做一個參數(shù)來處理。QCM-D響應(yīng)模型通過QCM的頻率變化和能量耗散變化建立方程組來分析粘彈性介質(zhì)吸附現(xiàn)象。但是，該模型需要已知溶液的密度、粘度等信息，在應(yīng)用上有一定的局限性。同時，QCM-D響應(yīng)模型中能量耗散變化的獲得是采用瞬時測量法以脈沖激勵的方式讓 QCM傳感器振蕩，然后測量其衰減時間（一般是在10-6秒量級）計算得到。這種方法容易受到外界的微小干擾而影響分

3、析結(jié)果的準確度。
　　本文在傳輸線理論和聲波理論的基礎(chǔ)上，推導了不同介質(zhì)吸附下QCM傳感器響應(yīng)模型的顯性表示式，揭示了QCM傳感器的頻率變化以及耗散因子變化與所吸附的介質(zhì)特性之間的關(guān)系。進而通過驗證，定量分析和評估了多種材料的特性。本文主要工作和創(chuàng)新點包括：
　　1．應(yīng)用傳輸線理論以及負載聲波阻抗理論，推導了QCM傳感器在空載條件下的BVD(Butterworth- Van Dyke)等效電路模型，并與基于經(jīng)典本構(gòu)方程得到的

4、等效電路進行了比較，驗證了該推導方法的正確性。在此基礎(chǔ)上詳細推導了氣相彈性介質(zhì)吸附的Sauerbrey模型、液相粘性介質(zhì)吸附的Kanasawa模型以及Martin模型，進一步驗證了該推導方法的有效性。
　　2．對于粘彈性介質(zhì)，目前QCM傳感器的數(shù)據(jù)分析還存在著一定的缺陷和不足，為了解決這一問題，本文采用一種簡單的方法準確推導了響應(yīng)分析模型。同時，本文還結(jié)合該模型提出了一種穩(wěn)態(tài)測量方法，從頻率測量的角度，應(yīng)用頻率與耗散因子的轉(zhuǎn)換關(guān)系

5、，精確得到耗散因子，提高了QCM傳感器的數(shù)據(jù)分析的準確度。
　　3．分別從氣相和液相的應(yīng)用角度，推導了單層粘彈性薄膜吸附的QCM傳感器響應(yīng)模型，給出了明確的顯性表達式，得到了與QCM-D模型完全一樣的結(jié)論：氣相條件下，粘彈性薄膜的粘彈性模量會引入“額外質(zhì)量”效應(yīng)；液相條件下，粘彈性薄膜的粘彈性模量會引入“遺失質(zhì)量”效應(yīng)。實驗事實證明，本文推導的響應(yīng)模型對粘彈性薄膜特性分析具有一定指導意義，同時為QCM生化分析領(lǐng)域的深入研究提供了量