石英晶體微天平傳感器：一種用于氣體檢測的石英晶體微天平傳感器的制作方法

本實用新型是一種用于氣體檢測的石英晶體微天平傳感器，屬于科學檢測儀器領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
石英晶體微天平是一種能夠檢測微小質(zhì)量變化的分析儀器。以特定的石英晶體振蕩器為換能器件，與在其上附著的敏感材料構(gòu)成質(zhì)量-頻率敏感元件；被分析物質(zhì)與敏感材料相互作用而引起的質(zhì)量變化即時導致石英晶體頻率變化，通過檢測頻率的變化，實現(xiàn)微小質(zhì)量的實時定量檢測分析。在臨床檢驗、環(huán)境檢測、食品安全檢測、生命科學、新藥篩選、材料科學等領(lǐng)域具有十分廣闊的應用前景。
針對氣體檢測對象的石英晶體微天平檢測儀器，其核心部件是裝有石英晶體片的傳感器。然而，現(xiàn)有的石英晶體傳感器安裝和更換石英晶體片操作繁瑣、精細，接觸壓力不易控制，常因產(chǎn)生安裝應力導致測定結(jié)果重現(xiàn)性差并影響測量精度，甚至造成石英晶體片的損毀。
在對氣體進行采樣時，通常需要進行對比采樣以消除系統(tǒng)誤差。現(xiàn)有的方法是采用多個傳感器進行平行采樣，此方法的弊端是各傳感器位于各自獨立系統(tǒng)，系統(tǒng)間的時間、物理、化學等變量的不同步及差異會使檢測結(jié)果產(chǎn)生誤差。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型提供一種用于氣體檢測的石英晶體微天平傳感器，要解決的技術(shù)問題是：第一，使安裝和更換石英晶體片的操作更加方便，并可避免出現(xiàn)安裝應力；第二，將測量和參比單元置于同一檢測環(huán)境中，使之可以同步檢測以消除系統(tǒng)誤差提高測量的準確度。
為實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本實用新型采取如下技術(shù)方案：一種用于氣體檢測的石英晶體微天平傳感器，包括傳感器殼體和兩個安裝在傳感器殼體內(nèi)的石英晶體片總成，所述傳感器殼體為立方體或其他幾何形狀，該殼體的前面和后面設(shè)置有貫通的氣體通道，該殼體的上面和下面分別對稱設(shè)置石英晶體片總成安裝孔，該安裝孔與氣體通道軸向垂直并通透；所述兩個石英晶體片總成具有相同結(jié)構(gòu)，分別為檢測單元總成和參比單元總成，所述兩個具有相同結(jié)構(gòu)的石英晶體片總成的一端為插接端，該插接端與傳感器殼體的石英晶體片總成安裝孔配合，在該插接端設(shè)置有石英晶體片插件，所述兩個具有相同結(jié)構(gòu)的石英晶體片總成的另一端設(shè)置有電磁輻射屏蔽引線接口。
本實用新型的有益效果是：第一，避免了對細小而脆弱的石英晶體片單體進行直接安裝操作，以石英晶體片總成的方式進行安裝，既使安裝操作簡單快速，又避免了因產(chǎn)生安裝應力導致測定結(jié)果重現(xiàn)性差并影響測量精度，也解決了因操作不當導致的石英晶體片損毀。第二，采用在同一氣體通道內(nèi)平行對稱設(shè)置兩片石英晶體片，分別做為檢測單元和參比單元，使兩個測量單元處于同一檢測環(huán)境中，避免了各石英晶體片位于各自獨立的傳感器系統(tǒng)中，因各系統(tǒng)間的時間、物理、化學等變量的不同步及差異使檢測結(jié)果產(chǎn)生誤差。
附圖說明
圖1是本實用新型的整體軸測圖，圖2是本實用新型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖視圖，圖3是本實用新型的各部件分解圖。圖中，1.傳感器殼體，2.檢測單元總成，2-1石英晶體片插件a，3.參比單元總成，3-1石英晶體片插件b，4.電磁輻射屏蔽引線接口，5.氣體通道，6.石英晶體片總成安裝孔。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本實用新型作進一步說明。
實施例1：如圖1至圖3所示，一種用于氣體檢測的石英晶體微天平傳感器，包括傳感器殼體和兩個石英晶體片總成，所述傳感器殼體1為立方體，該傳感器殼體1的前面和后面設(shè)置貫通的氣體通道5，該傳感器殼體1的上面和下面分別對稱設(shè)置石英晶體片總成安裝孔6，該安裝孔6與氣體通道5軸向垂直并通透；所述兩個石英晶體片總成具有相同結(jié)構(gòu)，分別為檢測單元總成2和參比單元總成3，所述檢測單元總成2和參比單元總成3的一端為插接端，該插接端與傳感器殼體1的石英晶體片總成安裝孔6配合，在該插接端設(shè)置有石英晶體片插件a2-1和石英晶體片插件b3-1，所述檢測單元總成2和參比單元總成3的另一端設(shè)置有電磁輻射屏蔽引線接口4。
本實用新型一種用于氣體檢測的石英晶體微天平傳感器的安裝操作步驟：將石英晶體片插件a2-1和石英晶體片插件b3-1，分別安裝于檢測單元總成2和參比單元總成3，將檢測單元總成2和參比單元總成3固定在傳感器殼體1的石英晶體片總成安裝孔6，連線與電磁輻射屏蔽引線接口4連接，使氣體經(jīng)過檢測通道5。
完成上述安裝并檢查無誤即可引入試樣：使氣體經(jīng)過檢測通道5即可。
技術(shù)特征：
1.一種用于氣體檢測的石英晶體微天平傳感器，包括傳感器殼體和兩個石英晶體片總成，其特征是，所述傳感器殼體（1）為立方體幾何形狀，該傳感器殼體（1）的前面和后面設(shè)置貫通的氣體通道（5），該傳感器殼體（1）的上面和下面分別對稱設(shè)置石英晶體片總成安裝孔（6），該安裝孔（6）與氣體通道（5）軸向垂直并通透；所述兩個石英晶體片總成具有相同結(jié)構(gòu)，分別為檢測單元總成（2）和參比單元總成（3），所述檢測單元總成（2）和參比單元總成（3）的一端為插接端，該插接端與傳感器殼體（1）的石英晶體片總成安裝孔（6）配合，在該插接端設(shè)置有石英晶體片插件a（2-1）和石英晶體片插件b（3-1），所述檢測單元總成（2）和參比單元總成（3）的另一端設(shè)置有電磁輻射屏蔽引線接口（4）。
技術(shù)總結(jié)
本實用新型提供一種用于氣體檢測的石英晶體微天平傳感器，屬于科學檢測儀器領(lǐng)域。它包括傳感器殼體和兩個石英晶體片總成，所述傳感器殼體為立方體，該殼體設(shè)置有貫通的氣體通道和分別對稱設(shè)置石英晶體片總成安裝孔，該安裝孔與氣體通道軸向垂直并通透；所述兩個石英晶體片總成具有相同結(jié)構(gòu)，其一端為插接端，該插接端與傳感器殼體的石英晶體片總成安裝孔配合，在該插接端設(shè)置有石英晶體片插件，其另一端設(shè)置有電磁輻射屏蔽引線接口。本實用新型使安裝和更換石英晶體片的操作更加方便，并可避免出現(xiàn)安裝應力；使兩個測量單元處于同一檢測環(huán)境中，使之可以同步檢測以消除系統(tǒng)誤差提高測量的準確度。
技術(shù)研發(fā)人員：封雷;崔學晨;崔實;許文儉
受保護的技術(shù)使用者：崔學晨
技術(shù)研發(fā)日：2019.09.23
技術(shù)公布日：2020.04.28
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石英晶體微天平
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石英晶體微天平（Quartz Crystal Microbalance，QCM）的發(fā)展始于上世紀60年代初期，它是一種非常靈敏的質(zhì)量檢測儀器，其測量精度可達納克級，比靈敏度在微克級的電子微天平高1000 倍，理論上可以測到的質(zhì)量變化相當于單分子層或原子層的幾分之一。石英晶體微天平利用了石英晶體的壓電效應，將石英晶體電極表面質(zhì)量變化轉(zhuǎn)化為石英晶體振蕩電路輸出電信號的頻率變化，進而通過計算機等其他輔助設(shè)備獲得高精度的數(shù)據(jù)。
中文名
石英晶體微天平
外文名
Quartz Crystal Microbalance
目錄
1
基本原理
2
主要構(gòu)造及應用
3
應用及展望
石英晶體微天平基本原理
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語音
石英晶體微天平最基本的原理是利用了石英晶體的壓電效應：石英晶體內(nèi)部每個晶格在不受外力作用時呈正六邊形，若在晶片的兩側(cè)施加機械壓力，會使晶格的電荷中心發(fā)生偏移而極化，則在晶片相應的方向上將產(chǎn)生電場；反之，若在石英晶體的兩個電極上加一電場，晶片就會產(chǎn)生機械形變，這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應。如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會產(chǎn)生機械振動，同時晶片的機械振動又會產(chǎn)生交變電場。在一般情況下，晶片機械振動的振幅和交變電場的振幅非常微小，但當外加交變電壓的頻率為某一特定值時，振幅明顯加大，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振。它其實與LC振蕩電路的諧振現(xiàn)象十分相似：當晶體不振動時，可把它看成一個平板電容器稱為靜電電容C，一般約幾個皮法到幾十皮法；當晶體振蕩時，機械振動的慣性可用電感L來等效，一般值為幾十毫亨利到幾百毫亨利。由此就構(gòu)成了石英晶體微天平的振蕩器，電路的振蕩頻率等于石英晶體振蕩片的諧振頻率，再通過主機將測得的諧振頻率收集并轉(zhuǎn)化為電信號輸出。由于晶片本身的諧振頻率基本上只與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸有關(guān)，而且可以做得精確，因此利用石英諧振器組成的振蕩電路可獲得很高的頻率穩(wěn)定度。1959 年德國科學家G. Sauerbrey 研究發(fā)現(xiàn)，如果在晶體表面上鍍一層薄膜，則晶體的振動就會減弱，而且還發(fā)現(xiàn)這種振動或者頻率的減少是由薄膜的厚度和密度決定的。在假定外加持量均勻剛性地附著于QCM 的金電極表面的條件下，得出了QCM 的諧振頻率變化與外加質(zhì)量成正比的結(jié)論。通過Sauerbrey方程，吸附在晶體傳感器上的物質(zhì)質(zhì)量就可以和頻率的改變建立以下關(guān)系：
對于剛性吸附沉積，晶體振蕩頻率變化△f正比于工作電極上沉積物的質(zhì)量改變△m。其中f0是指芯片固有的振蕩頻率，A和m是電極的有效工作面積和質(zhì)量，ρq和μq是石英晶體的密度和剪切模量。Sauerbrey方程對于表面吸附的物質(zhì)給予了直觀的參考。由于芯片的基頻，工作面積，密度和剪切模量都是已知值，方程可以直接算出吸附的質(zhì)量。然而該方程設(shè)計的初衷是計算芯片在空氣中的振蕩，并且吸附的物質(zhì)是剛性的。所以當粘彈性物質(zhì)在液體中吸附在芯片表面時該方程會給出較大的誤差值。原因是由于吸附物質(zhì)的粘彈性會導致部分頻率的衰減，而測量得到的頻率值的改變則是質(zhì)量和吸附膜的粘彈性共同作用而成。而通過Kelvin-Voigt模型，粘彈性物質(zhì)的吸附量則可以被準確的計算出來。該模型由粘壺和胡克彈性彈簧并聯(lián)組成，可以用來分析聚合物等的蠕變行為。簡單的，該模型可以如下表達：
G1是儲能模量，G2是損耗模量，j代表虛部。通過該公式衍生出來的石英晶體微天平耗散技術(shù)(Quartz Crystal Microbalanc with Dissipation，QCM-D)可以精確的給出由耗散導致的頻率損失，從而可以進一步了解材料內(nèi)部性質(zhì)。耗散型石英晶體微天平可以同時測量石英晶體頻率和耗散值的改變。耗散因子（D）是指當驅(qū)動石英晶體振蕩的電路斷開后，晶體頻率降低到0的時間快慢。D值可以從以下方程得到：
是指晶體在一次振蕩周期中能量損耗，
是指晶體在一次振蕩周期中存儲的全部能量。
石英晶體微天平主要構(gòu)造及應用
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語音
石英晶體微天平芯片
不同功能的QCM樣品池
QCM 主要由石英晶體傳感器、信號收集、信號檢測和數(shù)據(jù)處理等部分組成。石英晶體傳感器則是其最核心的構(gòu)件，其基本構(gòu)造是：從一塊石英晶體上沿著與石英晶體主光軸成35°15'切割(AT-CUT)得到石英晶體振蕩片。在它的兩個對應面上涂敷金層作為電極，石英晶體夾在兩片電極中間形成三明治結(jié)構(gòu)。根據(jù)需要，還可以在金屬電極上有選擇地鍍膜來進一步拓寬其應用。例如，在電極表面加一層具有選擇性的吸附膜，可用來探測氣體的化學成分或監(jiān)測化學反應的進行情況；不同金屬及金屬氧/氮化物鍍膜，以及合金鍍層可用來進行金屬腐蝕性能和人工關(guān)節(jié)的排異反應研究。而表面修飾生物材料如多肽，生物素等可以讓QCM作為基因傳感器在生物領(lǐng)域的有著廣闊應用。隨著科技日新月異的發(fā)展，QCM儀器也進行了大幅的更新。而與其他儀器的聯(lián)用使得QCM在更多領(lǐng)域發(fā)揮其特長。傳統(tǒng)的QCM儀器流動樣品池可以進行水相/油相等液相實驗；新式的窗口流動池可以與光學顯微鏡聯(lián)合，同時觀測諸如細胞等在芯片表面繁殖的過程；電化學樣品池可以實時檢測吸附樣品阻抗等電化學性質(zhì)的變化；光學樣品池可以讓光化學反應實驗在QCM儀器上變?yōu)榭赡埽欢鴻E偏樣品池，基于橢偏儀原理，可以精確的測量吸附層的含水量。石英晶體微天平的其他組成結(jié)構(gòu)在不同型號和規(guī)格的儀器中也不盡相同，可根據(jù)測量需要選用或聯(lián)用。一般附屬結(jié)構(gòu)還包括振蕩線路、頻率計數(shù)器、計算機系統(tǒng)等；另外經(jīng)常加裝一些輔助輸出設(shè)備，例如顯示器、打印機等。
石英晶體微天平應用及展望
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語音
QCM作為微質(zhì)量傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、靈敏度高、測量精度可以達到納克量級的優(yōu)點，被廣泛應用于化學、物理、生物、醫(yī)學和表面科學等領(lǐng)域中，用以進行氣體、液體的成分分析以及微質(zhì)量的測量、薄膜厚度及粘彈性結(jié)構(gòu)檢測等。它的在線跟蹤檢測微觀過程的變化，獲取豐富的在線信息的優(yōu)點，是其他方法無法比擬的。這項技術(shù)以其簡便、快捷、靈敏度高、在線跟蹤等優(yōu)勢，必將與其他技術(shù)結(jié)合成為微觀過程與作用機理研究，微量、痕量物質(zhì)的檢測等方面十分有效的手段，獲得廣泛應用。B
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石英晶體微天平傳感器：石英晶體微天平傳感器及其在生物檢測中應用的研究進展

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石英晶體微天平傳感器：石英晶體微天平傳感器的膜厚敏感性

摘要：

近幾年,石英晶體微天平(QCM)作為一種簡易,靈敏的實時監(jiān)測手段,廣泛地應用于研究生物活性分子之間的相互作用,其中包括蛋白質(zhì)吸附動力學,抗原/抗體相互作用,DNA雜交,適配體-蛋白相互作用等領(lǐng)域.但是QCM作為商業(yè)化的生物傳感器一直發(fā)展不順利.主要因為QCM在液態(tài)環(huán)境中的非理想行為導致了對QCM數(shù)據(jù)分析困難.我們利用阻抗分析法對QCM的數(shù)據(jù)進行分析,分離出質(zhì)量和粘彈性兩種因素引起的頻率改變,解決粘彈性的困擾問題.同時,我們提出了"固化水層"模型,合理地處理了溶劑的影響.在該模型的基礎(chǔ)上發(fā)展了一種基于QCM的分子尺技術(shù),該技術(shù)能夠簡便,有效地測量出固定在固-液界面的生物大分子的納米尺寸.我們的主要工作是將"固化水層"模型拓展到三維結(jié)構(gòu)的高分子基質(zhì)中.我們聯(lián)合QCM和表面等離子共振(SPR)技術(shù)研究基于高分子基質(zhì)的蛋白質(zhì)的固定,抗原/抗體識別的過程,進一步采用"固化水層"模型解釋高分子的溶脹行為,羧基活化,抗體固定,抗原,抗體識別等過程.理論分析表明,結(jié)合生物分子勢必排出相同體積的溶劑,由于溶劑的密度接近于蛋白質(zhì)溶液的密度.從而導致"固化水層"質(zhì)量增加不明顯.實驗上也證實了石英晶體微天平的響應主要取決于"固化水層"的厚度變化(T2-T1),而并非固定的生物分子的質(zhì)量.我們利用QCM實時監(jiān)測在高分子基質(zhì)中IgG的固定以及IgG與anti-IgG識別的過程,并將石英晶體微天平監(jiān)測的頻率變化與相應的厚度變化直接關(guān)聯(lián).這一方法的建立在一定的應用范圍內(nèi)簡化了QCM的定量分析模型,有望實現(xiàn)QCM作為傳感器在界面物理與化學等相關(guān)領(lǐng)域研究中的應用.

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