壓電傳感器對非剛性膜的響應(yīng)及其應(yīng)用研究.pdf

1、以石英晶體微天平為代表的壓電傳感器,是一類對表面質(zhì)量負載變化高度敏感的電化學(xué)傳感器.在應(yīng)用Sauerbery方程計算表面質(zhì)量負載變化時,要求負載層滿足剛性、均勻、薄膜的條件.當在傳感器表面沉積非剛性膜時,傳感器的響應(yīng)不能采用Sauerbery方程,研究傳感器在非剛性膜條件下的響應(yīng)特性既有利于傳感器的數(shù)據(jù)解析,也能開拓傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域.在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上,我們開展了以下研究工作.1.接觸角度對單面觸液石英晶體微天平諧振頻率的影響

2、 日本學(xué)者Yoshimoto等自2002年以來,先后在Anal.Chem.,Anal.Chim..Acta.上發(fā)表了6篇文章,重復(fù)報道了接觸角度(θ,石英晶體表面與水平方向的夾角)對單面觸液石英晶體微天平(QCM)諧振頻率的影響,不僅涉嫌一稿6投,而且所報道的實驗結(jié)果在我們實驗室不能重復(fù),所提理論公式也是錯誤的.本章報道了與Yoshimoto完全不同的有關(guān)接觸角度對單面觸液QCM諧振頻率影響的實驗結(jié)果.我們的實驗結(jié)果表明,接觸角度是可能

3、影響QCM傳感器頻率的一個額外的因素,這種影響是由QCM傳感器和檢測池壁之間產(chǎn)生的縱波的反射條件引起的,由改變e角度測得的頻移與所用的QCM傳感器有關(guān).如果使用縱波效應(yīng)弱的QCM傳感器,則其諧振頻率基本上與θ角無關(guān);但是,如果使用的QCM傳感器具有強的縱波效應(yīng),接觸角的變化就會成為影響QCM傳感器測量的一個潛在的誤差來源.當縱波的反射效率減少,θ對QCM傳感器諧振頻率的影響是可以忽略的.對于一個有較強縱波效應(yīng)的QCM傳感器,在低粘度液體

4、的單次測量中,它的頻移(△F)對溶液的密度(P)和粘度(η)平方根(Pη)<'1/2>作圖的曲線斜率可能受θ危影響,然而這種影響可以通過多次測量求平均得到有效的削弱.在溶液中一個大的(pη)<'1/2>范圍內(nèi)(如0-50﹪蔗糖,P值從1.00變至1.26g.cm<'-3>,η值從0.01變至0.22g.cm<'-1>.s<'-1>),即使所用QCM傳感器有很強的縱波效應(yīng),其△F-(pη)<'1/2>的曲線斜率在單次實驗中也與θ角無關(guān).當

5、QCM傳感器用在液相中的時候,θ角度對其諧振頻率的影響應(yīng)予以考慮.2.壓電石英晶體傳感器對非牛頓液體粘度的響應(yīng) 鑒于目前有關(guān)壓電傳感器在非牛頓液體中的響應(yīng)行為還無文獻報道,因此我研究了QCM對非牛頓液體粘度的響應(yīng),發(fā)現(xiàn)在一些高粘度的高分子溶液體系中,OCM的損耗遠遠小于根據(jù)牛頓流體的理論預(yù)計,這將為QCM在高粘度體系中的應(yīng)用提供了便利條件.本章實驗中,我們將QCM、烏式粘度計、流變儀幾種方法相結(jié)合,測量了一系列牛頓流體與非牛頓流體

6、的粘度與QCM的動態(tài)電阻變化情況,其中包括甘油、蔗糖、幾種表面活性劑、羧甲基纖維素鈉、明膠、聚丙烯酰胺、聚丙烯醇等.本章報道了QCM在幾種具有代表性流體中的實驗結(jié)果.3.硅酸鑭鎵晶體諧振器監(jiān)測丙酮蒸氣在離子液體上的吸附 本章用阻抗分析法研究了Y-切型硅酸鑭鎵諧振器(LCR)在液相中的響應(yīng)特性.LCR的諧振頻率(fs)隨著其表面質(zhì)量負載的增加而線性降低,并具有很強的質(zhì)量負載能力,由外界質(zhì)量負載所導(dǎo)致的LCR的諧振頻率下降可以達到基頻

7、(fo)的60﹪.根據(jù)壓電理論推算出Y-切型LCR的頻率-質(zhì)量系數(shù)為-1.282×10<'-6>,該值與實驗結(jié)果相吻合.隨著(pη)<'1/2>的增加,LCR的諧振頻率線性減少而動態(tài)電阻(R<,m>)線性增加.由于LCR表面粗糙度的影響,fs-(pη)<'1/2>和R<,m>-(pη)<'1/2>的線性斜率取決于(pη)<'1/2>的區(qū)域.根據(jù)室溫離子液體(RTIL)升溫過程中或吸收有機溶劑后溶液的粘度下降的原理,利用LCM對離子液體-

8、-溴代1-辛烷基-3-甲基咪唑([C<,8>MIM][Br])的粘度-溫度系數(shù)和吸收丙酮蒸氣的過程進行了實時監(jiān)測.結(jié)果表明,丙酮吸附到[C<,8>MIM][Br]上后引起[C<,8>MIM][Br]膜的粘度顯著下降,隨之引起修飾的RTIL膜的LCR的廠S增加,Rm減少.當[C<,8>MIM][Br]膜的厚度小于厚度剪切波的衰減距離時,在開始的吸附過程中就會觀察到一種質(zhì)量作用模型.基于LCR的響應(yīng),[C<,8>MIM][Br]膜的粘密度和