聚合物界面吸附行為及吸附膜屬性的石英晶體微天平響應(yīng)分析.pdf

1、石英晶體微天平(quartz crystal microbalance with dissipation，QCM-D)是一種靈敏度極高的傳感器，其共振頻率的變化(△f)可以精確測量石英晶體表面溶液或吸附膜納克量級的質(zhì)量變化，D因子表征能量在其中的耗散。兩者的結(jié)合，可以測量石英晶體表面物質(zhì)的質(zhì)量、粘度、剪切模量等參數(shù)，因此被廣泛應(yīng)用于化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)、物理等領(lǐng)域，如生物材料的表面分析、生物大分子的相互作用、生物大分子／細(xì)胞的吸附和解吸附、

2、納米尺度吸附膜的粘彈性、原子尺度下的摩擦力等方面的研究。由于測量結(jié)果只有共振頻率的變化和D因子兩個參數(shù)，而實(shí)驗(yàn)中所涉及的各種物理參數(shù)又比較多，因此定量分析比較困難，多用于定性研究。圍繞測量中涉及的各種因素對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，本論文開展了大量的研究，取得的主要成果如下： 1，在Voight模型的基礎(chǔ)上，利用數(shù)學(xué)歸納法，推導(dǎo)出無窮層吸附膜△f和△D的表達(dá)式，使得研究密度分布對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響成為可能；給出多種條件下△f和△D的表達(dá)式。

3、 2，在單層吸附膜的情況下，假定質(zhì)量恒定，研究吸附膜粘彈性和密度分布對△f和△D的影響，并研究密度分布對film resonance的影響。結(jié)果顯示：△f的變化隨粘度的增加而迅速變化，然后達(dá)到一個穩(wěn)定值；剪切模量與粘度、角頻率的乘積之比值小于0.1時，剪切模量對△f無影響；剪切模量繼續(xù)增加，共振頻率的變化略有增加；D因子的數(shù)值正比于剪切模量；密度分布對△f有巨大的影響，且界面處的粘度越大，密度分布對△f的影響越大；film res

4、onance可以通過形態(tài)的變化而減弱。 3，在Langmuir吸附模型下，分析溶液、吸附常數(shù)、粘度／剪切模量-濃度關(guān)系等參數(shù)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。結(jié)果指出，濃溶液對測量結(jié)果的干擾巨大，因此吸附行為的研究只能在低濃度下進(jìn)行；△f的變化與吸附等溫線有相似的變化規(guī)律；相同濃度下，粘度、剪切模量、吸附常數(shù)越大，共振頻率的變化數(shù)值越早到達(dá)穩(wěn)定值；D因子先增加后減小，表明隨著吸附分子數(shù)目的增加，吸附膜趨于剛性，且D因子的最大值，與吸附膜的剪切模

5、量有關(guān)。 4，在BET吸附模型下，分析粘彈性、吸附層數(shù)對△f和△D的影響。結(jié)論如3，△f與吸附等溫線有相同的變化規(guī)律；每一層吸附的開始階段，△D迅速增大；隨吸附逐漸完成，△D迅速減小。3、4的結(jié)果表明，石英晶體微天平可以用于各種分子的吸附行為、相互作用、形態(tài)變化等的研究。 5，對比分析了QCM-D和表面等離子體共振儀(Surface Plasmon Resonance，SPR)在測量吸附膜性質(zhì)方面的應(yīng)用。計算結(jié)果驗(yàn)證了這

6、樣的事實(shí)：QCM-D適用于含水較多的、伸展的吸附膜的研究，給出的是質(zhì)量、粘彈性的綜合結(jié)果，因此一般來說QCM-D給出的質(zhì)量偏大；SPR適用于緊湊、密集的吸附膜的研究，精確給出質(zhì)量。因此，QCM-D的測量結(jié)果更復(fù)雜，包含了更多的信息，如吸附過程中吸附膜形態(tài)的變化、吸附膜的粘度、剪切模量等。因此QCM-D測量結(jié)果的定量分析比較困難。 6，在上述計算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分析了PNIPAM分子的吸附行為，以及界面處PEG溶液的粘彈性隨濃