氣隔壓電傳感器響應(yīng)特性及監(jiān)測(cè)碘的傳質(zhì)過(guò)程.pdf

1、石英晶體微天平(QCM)作為一種高靈敏度的質(zhì)量型傳感器，在電化學(xué)、溶液化學(xué)、生物傳感器等領(lǐng)域中有關(guān)界面?zhèn)髻|(zhì)過(guò)程的監(jiān)測(cè)方面獲得廣泛的應(yīng)用。QCM傳感器的核心敏感元件為AT切的壓電石英晶體,為使其產(chǎn)生諧振，通常需在晶片表面噴鍍兩個(gè)“鑰匙孔”形的金膜或銀膜電極以施加高頻激勵(lì)電場(chǎng)，QCM傳感電極表面的質(zhì)量變化。當(dāng)研究對(duì)象非電極本身而是覆蓋在電極表面的修飾膜時(shí)，要求激勵(lì)電極具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，如果電極在使用過(guò)程中被腐蝕或溶解，QCM的諧振頻率隨

2、之發(fā)生變化，將造成QCM諧振頻率的基線漂移，影響傳感器的檢測(cè)靈敏度。當(dāng)QCM在腐蝕性較強(qiáng)的環(huán)境中使用時(shí)，電極腐蝕不僅影響傳感器的使用壽命，更造成頻率測(cè)定結(jié)果的失真。本論文提出一種氣隔電極式壓電傳感器的設(shè)計(jì)思路，有效地解決了電極腐蝕及其對(duì)質(zhì)量測(cè)定的影響，使QCM能夠在具有化學(xué)腐蝕性的環(huán)境中使用。主要工作包括以下兩方面的內(nèi)容：
　　1.氣隔電極式石英晶體微天平的阻抗特性研究
　　為消除電極腐蝕對(duì)QCM頻率穩(wěn)定性的影響，本論文設(shè)計(jì)

3、了氣隔電極式QCM，在其構(gòu)造中，激勵(lì)電極與QCM之間隔著幾毫米的空氣層，高頻激勵(lì)電壓借助于該空氣層的傳導(dǎo)施加在QCM上激發(fā)它諧振。為更好地了解氣隔QCM的響應(yīng)特性，采用阻抗分析法研究了該傳感器的等效參數(shù)，并推導(dǎo)了它們與氣隔電極、QCM等效電路之間的關(guān)系，討論了電極間距、電極面積、電極形狀和電極位置對(duì)該傳感器諧振頻率及等效電路參數(shù)的影響，為傳感器的實(shí)際應(yīng)用提供理論與技術(shù)指導(dǎo)。結(jié)果表明，氣隔QCM的諧振峰強(qiáng)度遠(yuǎn)低于常規(guī)QCM的諧振峰強(qiáng)度，但

4、有效品質(zhì)因子僅有小幅下降，即使空氣層厚度達(dá)到1cm，其值也在105水平。氣隔QCM的動(dòng)態(tài)電感、動(dòng)態(tài)電容、動(dòng)態(tài)電阻分別為QCM的(1+C0/C12)2，(1+C0/C12)-2，(1+C0/C12)2倍，其中，C0為QCM的靜態(tài)電容，C12為電極與QCM之間的空氣電容。電極之間雜散電容的旁路效應(yīng)造成氣隔QCM有效品質(zhì)因子的下降。在氣隔QCM的應(yīng)用中，氣隔電極與QCM處于同心圓有利于提高其品質(zhì)因子，但電極的位置具有很大的靈活性，可以根據(jù)需要

5、偏離QCM的中心設(shè)置在QCM的旁邊，氣隔電極上的質(zhì)量變化對(duì)QCM的諧振頻率沒(méi)有影響，徹底克服了常規(guī)QCM中存在電極腐蝕的不足。QCM甚至可以使用鉻酸洗液處理，氣隔QCM具有易于制備、耐腐蝕、使用壽命長(zhǎng)、透光性良好便于將質(zhì)量和光學(xué)測(cè)量組合聯(lián)用的優(yōu)點(diǎn)。
　　2.氣隔電極式石英晶體微天平監(jiān)測(cè)碘在MOFs上的吸附
　　金屬有機(jī)框架配合物(Metal–organic frameworks，MOFs)是近年來(lái)廣受關(guān)注的多孔晶體材料，具有

6、超大的比表面積和孔容積、可調(diào)的孔徑和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，在氣體存貯、催化劑、藥物可控釋放、吸附與分離等領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景。
　　ZIF-8是一種典型的MOFs，它由Zn2+與2-甲基咪唑配位構(gòu)成，其孔徑結(jié)構(gòu)與高比表面積使它成為優(yōu)良的I2分子吸附劑，鑒于I2對(duì)金屬電極具有很強(qiáng)的腐蝕性，在所設(shè)計(jì)的氣隔QCM中，激勵(lì)電極置于吸附池之外不與I2分子接觸。利用兩個(gè)并聯(lián)組合的氣隔QCM傳感器同時(shí)監(jiān)測(cè)了ZIF-8膜和石