单通道石英晶体微天平频率灵敏度的研究

       单通道石英晶体微天平(QCM)是一种新型的高灵敏度质量传感器,具有结构简单、制作方便、成本低和测量精度高达纳克级等优点,在生物、化学分析领域得到广泛应用。

       基于流动注射技术的高频小型便携式QCM系统,由液体注射泵、进样阀、流通池(含QCM芯片在内)和检测振荡电路组成。单通道石英晶体微天平的质量频率灵敏度与其基本频率的平方成正比,增大基频可以提高灵敏度；其基频与厚度成反比,所以提高基频必须减小石英晶片的厚度。而厚度的减小会降低晶片的机械强度,在夹持及表面修饰处理中容易造成芯片破碎。为克服这一障碍,设计了一种“反台阶”式QCM结构：芯片的外围保持晶片原来的厚度以维持必要的机械强度,中心区域减薄以实现高频谐振。

       采用廉价的湿法石英腐蚀微加工工艺完成芯片的制作,并利用阻抗分析仪对制作的芯片进行性能测试。测试结果证明,对于40-50MHz的高频芯片,空气中的Q值高达两万以上,纯水中约为一千。流动注射技术作为一种新兴的分析技术,具有实时、快速和节省样品量等优点。提出并设计了基于弹簧针接触电极三层结构式流通池,具有结构简单、装卸方便和可重复使用等优点。

       为高频单通道石英晶体微天平传感器设计了简单振荡电路,其增益和相位均可调节,为QCM系统增强了操作性和便携性。在完成流动注射型高频QCM系统的搭建后,本文测量了传感器在液相环境下工作时的输出频率及等效电路参数。结果表明,在振荡电路的激励下,文中制作的QCM芯片不仅能够正常工作于液相中,并且频率的稳定性也较高。Z 后,利用抗原抗体免疫反应验证了构建的流动注射型单通道石英晶体微天平系统在线监测的可行性。