粘彈性薄膜吸附的QCM傳感器響應(yīng)模型研究及驗(yàn)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(cè)到納克量級(jí)（10-9g）的微質(zhì)量變化。它具有快速實(shí)時(shí)、在線跟蹤、單次檢測(cè)成本低廉、可以給出定量分析結(jié)果等諸多優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)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(xué)診療檢測(cè)等高精密檢測(cè)分析的新技術(shù)、新方向，近幾年成為了生化檢測(cè)分析領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
　　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(xiàng)當(dāng)做一個(gè)參數(shù)來(lái)處理。QCM-D響應(yīng)模型通過(guò)QCM的頻率變化和能量耗散變化建立方程組來(lái)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(shí)，QCM-D響應(yīng)模型中能量耗散變化的獲得是采用瞬時(shí)測(cè)量法以脈沖激勵(lì)的方式讓 QCM傳感器振蕩，然后測(cè)量其衰減時(shí)間（一般是在10-6秒量級(jí)）計(jì)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(zhǔn)確度。
　　本文在傳輸線理論和聲波理論的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)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(jìn)而通過(guò)驗(yàn)證，定量分析和評(píng)估了多種材料的特性。本文主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)包括：
　　1．應(yīng)用傳輸線理論以及負(fù)載聲波阻抗理論，推導(dǎo)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(jìn)行了比較，驗(yàn)證了該推導(dǎo)方法的正確性。在此基礎(chǔ)上詳細(xì)推導(dǎo)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(jìn)一步驗(yàn)證了該推導(dǎo)方法的有效性。
　　2．對(duì)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(wèn)題，本文采用一種簡(jiǎn)單的方法準(zhǔn)確推導(dǎo)了響應(yīng)分析模型。同時(shí)，本文還結(jié)合該模型提出了一種穩(wěn)態(tài)測(cè)量方法，從頻率測(cè)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(zhǔn)確度。
　　3．分別從氣相和液相的應(yīng)用角度，推導(dǎo)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(dá)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(huì)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(huì)引入“遺失質(zhì)量”效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)事實(shí)證明，本文推導(dǎo)的響應(yīng)模型對(duì)粘彈性薄膜特性分析具有一定指導(dǎo)意義，同時(shí)為QCM生化分析領(lǐng)域的深入研究提供了量