石英晶体微天平传感器：一种用于气体检测的石英晶体微天平传感器的制作方法

本实用新型是一种用于气体检测的石英晶体微天平传感器，属于科学检测仪器领域。
背景技术：
石英晶体微天平是一种能够检测微小质量变化的分析仪器。以特定的石英晶体振荡器为换能器件，与在其上附着的敏感材料构成质量-频率敏感元件；被分析物质与敏感材料相互作用而引起的质量变化即时导致石英晶体频率变化，通过检测频率的变化，实现微小质量的实时定量检测分析。在临床检验、环境检测、食品安全检测、生命科学、新药筛选、材料科学等领域具有十分广阔的应用前景。
针对气体检测对象的石英晶体微天平检测仪器，其核心部件是装有石英晶体片的传感器。然而，现有的石英晶体传感器安装和更换石英晶体片操作繁琐、精细，接触压力不易控制，常因产生安装应力导致测定结果重现性差并影响测量精度，甚至造成石英晶体片的损毁。
在对气体进行采样时，通常需要进行对比采样以消除系统误差。现有的方法是采用多个传感器进行平行采样，此方法的弊端是各传感器位于各自独立系统，系统间的时间、物理、化学等变量的不同步及差异会使检测结果产生误差。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本实用新型提供一种用于气体检测的石英晶体微天平传感器，要解决的技术问题是：第一，使安装和更换石英晶体片的操作更加方便，并可避免出现安装应力；第二，将测量和参比单元置于同一检测环境中，使之可以同步检测以消除系统误差提高测量的准确度。
为实现上述技术目的，本实用新型采取如下技术方案：一种用于气体检测的石英晶体微天平传感器，包括传感器壳体和两个安装在传感器壳体内的石英晶体片总成，所述传感器壳体为立方体或其他几何形状，该壳体的前面和后面设置有贯通的气体通道，该壳体的上面和下面分别对称设置石英晶体片总成安装孔，该安装孔与气体通道轴向垂直并通透；所述两个石英晶体片总成具有相同结构，分别为检测单元总成和参比单元总成，所述两个具有相同结构的石英晶体片总成的一端为插接端，该插接端与传感器壳体的石英晶体片总成安装孔配合，在该插接端设置有石英晶体片插件，所述两个具有相同结构的石英晶体片总成的另一端设置有电磁辐射屏蔽引线接口。
本实用新型的有益效果是：第一，避免了对细小而脆弱的石英晶体片单体进行直接安装操作，以石英晶体片总成的方式进行安装，既使安装操作简单快速，又避免了因产生安装应力导致测定结果重现性差并影响测量精度，也解决了因操作不当导致的石英晶体片损毁。第二，采用在同一气体通道内平行对称设置两片石英晶体片，分别做为检测单元和参比单元，使两个测量单元处于同一检测环境中，避免了各石英晶体片位于各自独立的传感器系统中，因各系统间的时间、物理、化学等变量的不同步及差异使检测结果产生误差。
附图说明
图1是本实用新型的整体轴测图，图2是本实用新型的内部结构剖视图，图3是本实用新型的各部件分解图。图中，1.传感器壳体，2.检测单元总成，2-1石英晶体片插件a，3.参比单元总成，3-1石英晶体片插件b，4.电磁辐射屏蔽引线接口，5.气体通道，6.石英晶体片总成安装孔。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步说明。
实施例1：如图1至图3所示，一种用于气体检测的石英晶体微天平传感器，包括传感器壳体和两个石英晶体片总成，所述传感器壳体1为立方体，该传感器壳体1的前面和后面设置贯通的气体通道5，该传感器壳体1的上面和下面分别对称设置石英晶体片总成安装孔6，该安装孔6与气体通道5轴向垂直并通透；所述两个石英晶体片总成具有相同结构，分别为检测单元总成2和参比单元总成3，所述检测单元总成2和参比单元总成3的一端为插接端，该插接端与传感器壳体1的石英晶体片总成安装孔6配合，在该插接端设置有石英晶体片插件a2-1和石英晶体片插件b3-1，所述检测单元总成2和参比单元总成3的另一端设置有电磁辐射屏蔽引线接口4。
本实用新型一种用于气体检测的石英晶体微天平传感器的安装操作步骤：将石英晶体片插件a2-1和石英晶体片插件b3-1，分别安装于检测单元总成2和参比单元总成3，将检测单元总成2和参比单元总成3固定在传感器壳体1的石英晶体片总成安装孔6，连线与电磁辐射屏蔽引线接口4连接，使气体经过检测通道5。
完成上述安装并检查无误即可引入试样：使气体经过检测通道5即可。
技术特征：
1.一种用于气体检测的石英晶体微天平传感器，包括传感器壳体和两个石英晶体片总成，其特征是，所述传感器壳体（1）为立方体几何形状，该传感器壳体（1）的前面和后面设置贯通的气体通道（5），该传感器壳体（1）的上面和下面分别对称设置石英晶体片总成安装孔（6），该安装孔（6）与气体通道（5）轴向垂直并通透；所述两个石英晶体片总成具有相同结构，分别为检测单元总成（2）和参比单元总成（3），所述检测单元总成（2）和参比单元总成（3）的一端为插接端，该插接端与传感器壳体（1）的石英晶体片总成安装孔（6）配合，在该插接端设置有石英晶体片插件a（2-1）和石英晶体片插件b（3-1），所述检测单元总成（2）和参比单元总成（3）的另一端设置有电磁辐射屏蔽引线接口（4）。
技术总结
本实用新型提供一种用于气体检测的石英晶体微天平传感器，属于科学检测仪器领域。它包括传感器壳体和两个石英晶体片总成，所述传感器壳体为立方体，该壳体设置有贯通的气体通道和分别对称设置石英晶体片总成安装孔，该安装孔与气体通道轴向垂直并通透；所述两个石英晶体片总成具有相同结构，其一端为插接端，该插接端与传感器壳体的石英晶体片总成安装孔配合，在该插接端设置有石英晶体片插件，其另一端设置有电磁辐射屏蔽引线接口。本实用新型使安装和更换石英晶体片的操作更加方便，并可避免出现安装应力；使两个测量单元处于同一检测环境中，使之可以同步检测以消除系统误差提高测量的准确度。
技术研发人员：封雷;崔学晨;崔实;许文俭
受保护的技术使用者：崔学晨
技术研发日：2019.09.23
技术公布日：2020.04.28
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石英晶体微天平传感器：石英晶体微天平

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石英晶体微天平
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石英晶体微天平（Quartz Crystal Microbalance，QCM）的发展始于上世纪60年代初期，它是一种非常灵敏的质量检测仪器，其测量精度可达纳克级，比灵敏度在微克级的电子微天平高1000 倍，理论上可以测到的质量变化相当于单分子层或原子层的几分之一。石英晶体微天平利用了石英晶体的压电效应，将石英晶体电极表面质量变化转化为石英晶体振荡电路输出电信号的频率变化，进而通过计算机等其他辅助设备获得高精度的数据。
中文名
石英晶体微天平
外文名
Quartz Crystal Microbalance
目录
1
基本原理
2
主要构造及应用
3
应用及展望
石英晶体微天平基本原理
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石英晶体微天平最基本的原理是利用了石英晶体的压电效应：石英晶体内部每个晶格在不受外力作用时呈正六边形，若在晶片的两侧施加机械压力，会使晶格的电荷中心发生偏移而极化，则在晶片相应的方向上将产生电场；反之，若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械形变，这种物理现象称为压电效应。如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，这种现象称为压电谐振。它其实与LC振荡电路的谐振现象十分相似：当晶体不振动时，可把它看成一个平板电容器称为静电电容C，一般约几个皮法到几十皮法；当晶体振荡时，机械振动的惯性可用电感L来等效，一般值为几十毫亨利到几百毫亨利。由此就构成了石英晶体微天平的振荡器，电路的振荡频率等于石英晶体振荡片的谐振频率，再通过主机将测得的谐振频率收集并转化为电信号输出。由于晶片本身的谐振频率基本上只与晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关，而且可以做得精确，因此利用石英谐振器组成的振荡电路可获得很高的频率稳定度。1959 年德国科学家G. Sauerbrey 研究发现，如果在晶体表面上镀一层薄膜，则晶体的振动就会减弱，而且还发现这种振动或者频率的减少是由薄膜的厚度和密度决定的。在假定外加持量均匀刚性地附着于QCM 的金电极表面的条件下，得出了QCM 的谐振频率变化与外加质量成正比的结论。通过Sauerbrey方程，吸附在晶体传感器上的物质质量就可以和频率的改变建立以下关系：
对于刚性吸附沉积，晶体振荡频率变化△f正比于工作电极上沉积物的质量改变△m。其中f0是指芯片固有的振荡频率，A和m是电极的有效工作面积和质量，ρq和μq是石英晶体的密度和剪切模量。Sauerbrey方程对于表面吸附的物质给予了直观的参考。由于芯片的基频，工作面积，密度和剪切模量都是已知值，方程可以直接算出吸附的质量。然而该方程设计的初衷是计算芯片在空气中的振荡，并且吸附的物质是刚性的。所以当粘弹性物质在液体中吸附在芯片表面时该方程会给出较大的误差值。原因是由于吸附物质的粘弹性会导致部分频率的衰减，而测量得到的频率值的改变则是质量和吸附膜的粘弹性共同作用而成。而通过Kelvin-Voigt模型，粘弹性物质的吸附量则可以被准确的计算出来。该模型由粘壶和胡克弹性弹簧并联组成，可以用来分析聚合物等的蠕变行为。简单的，该模型可以如下表达：
G1是储能模量，G2是损耗模量，j代表虚部。通过该公式衍生出来的石英晶体微天平耗散技术(Quartz Crystal Microbalanc with Dissipation，QCM-D)可以精确的给出由耗散导致的频率损失，从而可以进一步了解材料内部性质。耗散型石英晶体微天平可以同时测量石英晶体频率和耗散值的改变。耗散因子（D）是指当驱动石英晶体振荡的电路断开后，晶体频率降低到0的时间快慢。D值可以从以下方程得到：
是指晶体在一次振荡周期中能量损耗，
是指晶体在一次振荡周期中存储的全部能量。
石英晶体微天平主要构造及应用
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石英晶体微天平芯片
不同功能的QCM样品池
QCM 主要由石英晶体传感器、信号收集、信号检测和数据处理等部分组成。石英晶体传感器则是其最核心的构件，其基本构造是：从一块石英晶体上沿着与石英晶体主光轴成35°15'切割(AT-CUT)得到石英晶体振荡片。在它的两个对应面上涂敷金层作为电极，石英晶体夹在两片电极中间形成三明治结构。根据需要，还可以在金属电极上有选择地镀膜来进一步拓宽其应用。例如，在电极表面加一层具有选择性的吸附膜，可用来探测气体的化学成分或监测化学反应的进行情况；不同金属及金属氧/氮化物镀膜，以及合金镀层可用来进行金属腐蚀性能和人工关节的排异反应研究。而表面修饰生物材料如多肽，生物素等可以让QCM作为基因传感器在生物领域的有着广阔应用。随着科技日新月异的发展，QCM仪器也进行了大幅的更新。而与其他仪器的联用使得QCM在更多领域发挥其特长。传统的QCM仪器流动样品池可以进行水相/油相等液相实验；新式的窗口流动池可以与光学显微镜联合，同时观测诸如细胞等在芯片表面繁殖的过程；电化学样品池可以实时检测吸附样品阻抗等电化学性质的变化；光学样品池可以让光化学反应实验在QCM仪器上变为可能；而椭偏样品池，基于椭偏仪原理，可以精确的测量吸附层的含水量。石英晶体微天平的其他组成结构在不同型号和规格的仪器中也不尽相同，可根据测量需要选用或联用。一般附属结构还包括振荡线路、频率计数器、计算机系统等；另外经常加装一些辅助输出设备，例如显示器、打印机等。
石英晶体微天平应用及展望
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QCM作为微质量传感器具有结构简单、成本低、灵敏度高、测量精度可以达到纳克量级的优点，被广泛应用于化学、物理、生物、医学和表面科学等领域中，用以进行气体、液体的成分分析以及微质量的测量、薄膜厚度及粘弹性结构检测等。它的在线跟踪检测微观过程的变化，获取丰富的在线信息的优点，是其他方法无法比拟的。这项技术以其简便、快捷、灵敏度高、在线跟踪等优势，必将与其他技术结合成为微观过程与作用机理研究，微量、痕量物质的检测等方面十分有效的手段，获得广泛应用。B
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石英晶体微天平传感器：石英晶体微天平传感器的膜厚敏感性

摘要：

近几年,石英晶体微天平(QCM)作为一种简易,灵敏的实时监测手段,广泛地应用于研究生物活性分子之间的相互作用,其中包括蛋白质吸附动力学,抗原/抗体相互作用,DNA杂交,适配体-蛋白相互作用等领域.但是QCM作为商业化的生物传感器一直发展不顺利.主要因为QCM在液态环境中的非理想行为导致了对QCM数据分析困难.我们利用阻抗分析法对QCM的数据进行分析,分离出质量和粘弹性两种因素引起的频率改变,解决粘弹性的困扰问题.同时,我们提出了"固化水层"模型,合理地处理了溶剂的影响.在该模型的基础上发展了一种基于QCM的分子尺技术,该技术能够简便,有效地测量出固定在固-液界面的生物大分子的纳米尺寸.我们的主要工作是将"固化水层"模型拓展到三维结构的高分子基质中.我们联合QCM和表面等离子共振(SPR)技术研究基于高分子基质的蛋白质的固定,抗原/抗体识别的过程,进一步采用"固化水层"模型解释高分子的溶胀行为,羧基活化,抗体固定,抗原,抗体识别等过程.理论分析表明,结合生物分子势必排出相同体积的溶剂,由于溶剂的密度接近于蛋白质溶液的密度.从而导致"固化水层"质量增加不明显.实验上也证实了石英晶体微天平的响应主要取决于"固化水层"的厚度变化(T2-T1),而并非固定的生物分子的质量.我们利用QCM实时监测在高分子基质中IgG的固定以及IgG与anti-IgG识别的过程,并将石英晶体微天平监测的频率变化与相应的厚度变化直接关联.这一方法的建立在一定的应用范围内简化了QCM的定量分析模型,有望实现QCM作为传感器在界面物理与化学等相关领域研究中的应用.

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