一種單面無極激勵石英晶體諧振頻率檢測系統

盧 陽 ，杜 明，廖玉枝，司士輝

（中南大學 化學化工學院，湖南 長沙 410083）

0 引 言

在過去的20年，單面無極石英晶體微天平（Quartz Crystal Microbalance，QCM）已經在生物和化學研究中獲得了越來越多的關注。由于AT切型QCM可通過共振頻率的變化檢測其表面質量和粘度變化[1]，因此常見的5～20 MHz石英晶體被開發應用于商業用途[2-4]。傳統的有極石英晶體一般以金作為電極鍍在石英晶體兩側，不僅對工藝提出了很高要求，且價格昂貴、測量系統復雜，檢測精度達不到幾個ppm。由于金的密度遠大于石英，會降低QCM的質量靈敏度，且隨著基頻的增加影響加劇。此外，有源傳感區被限制在電極的中心區附近，其他表面區域基本不活動，降低了靈敏度，因此優選無電極QCM[5]。目前，QCM測量儀采用的測量方法主要為以下3種類型：振蕩電路法，頻譜分析法和QCM-D耗散因子法[6]。使用傳統的晶體振蕩電路無法同時滿足晶體在氣相和液相的測量要求，所以選擇掃頻方法進行QCM的測量[7]。本研究以QCM作為諧振體（激勵電極采用金電極，石英面觸液采用無極），提出一種新型傳感檢測系統。該系統基于DDS工作原理的AD9851，以單片機為控制核心。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

實驗使用的試劑與儀器情況，如表1所示。

1.2 實驗過程

在25 ℃條件下，按照標準分別配制0.001 M、0.01 M、0.1 M、1 M的KCl溶液，以測量不同電導率下QCM的頻率。

配制緩沖氧化物刻蝕液，49%HF水溶液：40%NH4F水溶液=1:6（體積比）。稀釋為1%、2%、5%、10%、20%的溶液，檢測QCM被腐蝕的質量響應。

1.3 檢測系統的原理及構造

檢測系統由AD9851控制，采用直接數字合成（DDS）技術代替體積龐大的DDS信號發生器。經由單片機控制，以掃頻方式在QCM基頻一定范圍內進行激勵振蕩，電壓為15 V，并以石墨電極接收QCM頻率響應電信號。接收到的電信號經由前段放大電路放大，再由相敏檢波處理，顯示在LED上。整個檢測裝置由檢測和軟件兩部分構成。檢測部分包括激勵電源、QCM、檢測池、石墨電極和數據采集卡。軟件部分包括相敏檢波、數據處理、數據顯示和數據保存。裝置原理如圖1所示。

2 結果與討論

2.1 單面無極石英晶體頻率變化與電導率的關系

QCM在液相中的等效模型，除了無負載和質量負載外，還有與液體粘度和密度有關的Ll、Rl及與液體介電常數及導電率有關的Cl和Gl[8-9]（Ll是電解質溶液電感、Rl是動態電阻、Cl是靜態電容、Gl是電解質溶液電導）。實驗結果如圖2所示。根據圖2實驗結果可知，在0.001～1 M的KCl標準溶液中，QCM的頻率隨電導率的增大減小，呈現一定的線性關系，且誤差控制在10-7，保證了測量的準確性。

表1 試劑與儀器情況

圖1 裝置原理

2.2 QCM的頻率變化與氫氟酸腐蝕石英體的質量響應

表2顯示出相同時間段內不同濃度酸溶液腐蝕單面無極石英晶體的頻率響應。根據Sauerbrey方程，該關系表示為，其中f0為石英晶體固有的諧振頻率，ρ為石英晶體的密度，μ為石英晶體的切變模量，Δm為石英晶體表面的質量變化。計算QCM的質量響應，測量精度均在0.1 ng級別，達到了測量目的。

3 結 論

通過實驗探討了研制的用于化學生物傳感的單面無極石英晶體諧振頻率檢測系統的穩定性和高精確度，給無極石英晶體的應用提供了一種便利方式。

圖2 實驗結果

表2 相同時間段內不同濃度酸溶液腐蝕單面無極石英晶體的頻率響應