石英晶体微天平课件

石英晶体微天平石英晶体微天平2石英晶体微天平所谓石英晶体微天平(QuartzCrystalMicrobalance，QCM)主要通过检测物质在石英晶片表面上吸附前后石英晶片共振频率的变化以得到吸附物质的量和一些物理性能。例如对共振频率为5MHz的石英晶片，1Hz的共振频率变化相当于176ng/cm2的被吸附物质质量的变化（假设物质的密度为1g/cm3），若石英晶片的有效检测面积为50mm2，则吸附物质的有效质量约为88ng。石英晶体微天平具有非常高的灵敏度，可以测到纳克范围内的痕量物质质量的变化，因此被广泛地应用于生物、化学传感器以及微量物质在表面的吸附过程研究。2石英晶体微天平所谓石英晶体微天平(QuartzCryst

石英晶体微天平的基本工作原理基准共振频率：f0高阶共振频率：f=nf0(n=1,3,5,7……)频率变化：df

半峰宽变化：dG14.999014.999515.000015.000515.0010G基准频率[MHz]df加载后G石英晶：压电晶体U~I电极载荷石英晶片周期性剪切振动有效检测表面反面正面

石英晶体微天平的基本工作原理基准共振频率：f014.9994

石英晶体微天平仪器的类型1.QuartzCrystalOscillator2.NetworkAnalysis3.ImpulseExcitation(Ring-down)只测量频率，速度快，灵敏度最高同时得到频率和半峰宽，速度较慢，灵敏度高阻抗仪公司：StanfordResearch，MaxtekInc.公司：ResonanceProbeGmbH公司：Q-Sense（QCM－D）4

石英晶体微天平仪器的类型1.QuartzCrysta5

石英晶体微天平A(t)=A0e-2tcos(2ft+)Ring-down5

石英晶体微天平A(t)=A0e-2tcos6

石英晶体微天平Qualityfactor(品质因子）:Dissipation:6

石英晶体微天平Qualityfactor(品质因子）7

石英晶体微天平Equivalentcircuit:Butterworth-vanDykeL1:massC1:elasticcomponentR1:dissipation7

石英晶体微天平Equivalentcircuit:Bu8(2)Sauerbreyequation:测量薄膜质量mf和厚度df

石英晶天平(QCM)(1)Generalequation:(3)Kanazawaequation:测量牛顿流体的粘度h石英晶体微天平的应用基础方程(4)其他复杂情况：需能够对应力进行分析=2nf0n:阶数Zload:加载物质的阻抗acousticimpedanceZq:石英晶片的阻抗8(2)Sauerbreyequation:测量薄膜质9石英晶体微天平的可能应用薄膜厚度、质量和力学性能吸附过程，传感器胶体悬浮液粘度界面相互作用9石英晶体微天平的可能应用薄膜厚度、质量和力学性能吸附过程，101.Rigidfilm(硬薄膜）2.Softfilm-viscoelasticeffect101.Rigidfilm(硬薄膜）2.Softf112.Softfilm-viscoelasticeffect112.Softfilm-viscoelasticef123.Newtonianliquid4.Softfilminliquid-viscoelasticeffect123.Newtonianliquid4.Soft134.Softfilminliquid-viscoelasticeffect134.Softfilminliquid-visco145.Adsorptionkinetic吸附过程硫醇的吸附动力学过程Pan,W.etal.Langmuir1996,12,4469145.Adsorptionkinetic吸附过程硫醇155.Adsorptionkinetic吸附过程Poly(N-isopropylacrylamide)brush的构象转变科大张广照小组DTB-PNIPAM：可逆加成-断裂链转移(RAFT)聚合合成PNIPAM，末端用dithiobenzoategroups终止；不与金表面发生化学接枝HS-PNIPAM：DTB-PNIPAM水解后的产物，可以与金表面发生化学接枝；分别有短链s-PNIPAM和长链l-PNIPAM水溶液中使用石英晶体微天平来研究聚合物链的动力学

石英晶体微天平在大分子的吸附，构象和作用研究方面具有很高灵敏性，聚合物链经-SH基团和金的强烈化学偶合作用化学接枝在镀金的晶片表面，同时PNIPAM链段由于强烈的链段-界面作用也吸附在金表面，体系可以实现薄饼-刷子转变155.Adsorptionkinetic吸附过程Po165.Adsorptionkinetic吸附过程Poly(N-isopropylacrylamide)brush的构象转变科大张广照小组DTM-PNIPAM不与金表面有化学作用，链段强烈吸附于金表面，清洗后仍有较大的频率变化，说明链段-界面作用对接枝动力学的影响。清洗结果说明短链形成的厚实的刷子状结构，由于链段-链段排斥，难以插入新链，只是少量吸附，洗去后频率变化很小。165.Adsorptionkinetic吸附过程Po17HS-PNIPAM短链在6300min金表面饱和，接枝停止。1快速；2减慢；3急剧降低，构象转变，分别对应薄饼，蘑菇，刷子构象1，快速接枝到裸露的金表面2，已接枝，阻止了进一步接枝3，构象转变，可以容纳新的链。HS-PNIPAM长链1快速接枝2稳定薄饼状

科大张广照小组17HS-PNIPAM短链HS-PNIPAM长链科大张广185.Adsorptionkinetic吸附过程FormationofLipidBilayerRichteretal.185.Adsorptionkinetic吸附过程Fo195.Adsorptionkinetic吸附过程FormationofLipidBilayerRichteretal.195.Adsorptionkinetic吸附过程Fo205.Adsorptionkinetic吸附过程FormationofLipidBilayerRichteretal.QCM与其它技术的结合205.Adsorptionkinetic吸附过程Fo216.原位聚合过程研究北大马宏伟小组216.原位聚合过程研究北大马宏伟小组226.原位聚合过程研究北大马宏伟小组226.原位聚合过程研究北大马宏伟小组236.原位聚合过程研究北大马宏伟小组236.原位聚合过程研究北大马宏伟小组246.原位聚合过程研究北大马宏伟小组246.原位聚合过程研究北大马宏伟小组256.界面相互作用Point-contactmodelDiethelmJohannsmann’sgroup256.界面相互作用Point-contactmodel266.界面相互作用Point-contactmodelDiethelmJohannsmann’sgroup266.界面相互作用Point-contactmodel276.界面相互作用Point-contactmodelDiethelmJohannsmann’sgroup276.界面相互作用Point-contactmodel286.界面相互作用Sheet-contactmodelDiethelmJohannsmann’sgroup286.界面相互作用Sheet-contactmodel296.界面相互作用Sheet-contactmodelDiethelmJohannsmann’sgroupContactbetweenagellensandaquartzcrysalresonatormaterial:25wt%Kratongelinmineraloil296.界面相互作用Sheet-contactmodel30

U~I电极石英晶片周期性剪切振动有效检测表面反面正面7.石英晶体微天平化学传感器“检测部件”――石英晶片及其表面的选择性检测涂层；“电子部件”――用于频率测量的阻抗仪或电路板和控制电脑组成。(1)湿敏传感器(2)气敏传感器(3)水中重金属离子传感器(4)水中有机污染物传感器30

U~I电极石英晶片周期性剪切振动31

(1).湿敏传感器根据水在石英晶片电极表面或涂层的吸附所引起的共振频率变化，石英晶体微天平传感器可以测量环境中的相对湿度。31

(1).湿敏传感器根据水在石英晶片电极表面或涂层的吸32

(2).气敏传感器空气中的气体污染物可以分为无机小分子气体和有机溶剂蒸气，气敏传感器可对大气中所含的各种不同气体进行有效的检测和监控。L.Feng,Y.J.Liu,X.D.Zhou,etal.J.Colloid&Interf.Sci.2005,284,378.采用分子烙印法在石英晶片上制备了具有甲醛分子尺寸孔洞的甲基丙烯酸凝胶薄膜，用石英晶体微天平可以检测到浓度为1.25-14.25微摩尔(M)的大气中的甲醛含量。32

(2).气敏传感器空气中的气体污染物可以分为无机33

L.Feng,Y.J.Liu,X.D.Zhou,etal.J.Colloid&Interf.Sci.2005,284,378.传感器装置示意图33

L.Feng,Y.J.Liu,X.D.Z34

L.Feng,Y.J.Liu,X.D.Zhou,etal.J.Colloid&Interf.Sci.2005,284,378.传感器噪声水平测试34

L.Feng,Y.J.Liu,X.D.Z35

L.Feng,Y.J.Liu,X.D.Zhou,etal.J.Colloid&Interf.Sci.2005,284,378.对甲醛气体的吸附35

L.Feng,Y.J.Liu,X.D.Z36

L.Feng,Y.J.Liu,X.D.Zhou,etal.J.Colloid&Interf.Sci.2005,284,378.传感器对甲醛气体的检测灵敏性测试36

L.Feng,Y.J.Liu,X.D.Z37

L.Feng,Y.J.Liu,X.D.Zhou,etal.J.Colloid&Interf.Sci.2005,284,378.传感器对甲醛气体的选择性测试37

L.Feng,Y.J.Liu,X.D.Z38

(3).水中重金属离子传感器S.C.Ng,X.C.Zhou,Z.K.Chen,etal.Langmuir

1998,14,1748.将聚噻吩(Polythiophene)薄膜吸附到石英晶片上，用于对水溶液中微量重金属离子的测定，结果发现能够选择性的吸附水中的汞离子，其浓度灵敏度可以达到0.1ppm，而且水中其他重金属离子如铅、钴（Co）和铬（Cr）等的存在并不会干扰汞离子的准确检测。38

(3).水中重金属离子传感器S.C.Ng,X.39

S.C.Ng,X.C.Zhou,Z.K.Chen,etal.Langmuir

1998,14,1748.0.1ppmHg2+溶液39

S.C.Ng,X.C.Zhou,Z.K.40

(4).水中有机污染物传感器目前，人们对水中有机污染物的关注相对较少，而且对其进行检测的难度也比较大，虽然在九十年代后期就开始了这一方面传感器的研究，但并没有受到应有的重视，发展比较缓慢。40

(4).水中有机污染物传感器目前，人们对水中有机污染物41

8.石英晶体微天平生物传感器ZhihongShengetal.41

8.石英晶体微天平生物传感器ZhihongSheng42

8.石英晶体微天平生物传感器ZhihongShengetal.42

8.石英晶体微天平生物传感器ZhihongSheng43

8.石英晶体微天平生物传感器ZhihongShengetal.43

8.石英晶体微天平生物传感器ZhihongSheng44

8.石英晶体微天平生物传感器ZhihongShengetal.44

8.石英晶体微天平生物传感器ZhihongSheng45

8.石英晶体微天平生物传感器ZhihongShengetal.45

8.石英晶体微天平生物传感器ZhihongSheng46

8.石英晶体微天平生物传感器ZhihongShengetal.46

8.石英晶体微天平生物传感器ZhihongSheng47

石英晶体微天平传感器的优点与缺点石英晶体微天平传感器的主要优点：（1）稳定性好，检测信噪比高；（2）灵敏度高；（3）响应速度快；（4）容易操作，有利于在线实时检测和远程监控；（5）石英晶片价格适当，利于大规模生产。石英晶体微天平传感器的主要缺点：（1）由于石英晶体微天平传感器的检测机理是物质在石英晶片表面的吸附，因此其检测部件－石英晶片及其表面选择性涂层的可重复利用率低；（2）目前电子部件大多需要控制电脑，不利于现场快速检测。47

石英晶体微天平传感器的优点与缺点石英晶体微天平传感器的石英晶体微天平石英晶体微天平49石英晶体微天平所谓石英晶体微天平(QuartzCrystalMicrobalance，QCM)主要通过检测物质在石英晶片表面上吸附前后石英晶片共振频率的变化以得到吸附物质的量和一些物理性能。例如对共振频率为5MHz的石英晶片，1Hz的共振频率变化相当于176ng/cm2的被吸附物质质量的变化（假设物质的密度为1g/cm3），若石英晶片的有效检测面积为50mm2，则吸附物质的有效质量约为88ng。石英晶体微天平具有非常高的灵敏度，可以测到纳克范围内的痕量物质质量的变化，因此被广泛地应用于生物、化学传感器以及微量物质在表面的吸附过程研究。2石英晶体微天平所谓石英晶体微天平(QuartzCryst

石英晶体微天平的基本工作原理基准共振频率：f0高阶共振频率：f=nf0(n=1,3,5,7……)频率变化：df

半峰宽变化：dG14.999014.999515.000015.000515.0010G基准频率[MHz]df加载后G石英晶：压电晶体U~I电极载荷石英晶片周期性剪切振动有效检测表面反面正面

石英晶体微天平的基本工作原理基准共振频率：f014.99951

石英晶体微天平仪器的类型1.QuartzCrystalOscillator2.NetworkAnalysis3.ImpulseExcitation(Ring-down)只测量频率，速度快，灵敏度最高同时得到频率和半峰宽，速度较慢，灵敏度高阻抗仪公司：StanfordResearch，MaxtekInc.公司：ResonanceProbeGmbH公司：Q-Sense（QCM－D）4

石英晶体微天平仪器的类型1.QuartzCrysta52

石英晶体微天平A(t)=A0e-2tcos(2ft+)Ring-down5

石英晶体微天平A(t)=A0e-2tcos53

石英晶体微天平Qualityfactor(品质因子）:Dissipation:6

石英晶体微天平Qualityfactor(品质因子）54

石英晶体微天平Equivalentcircuit:Butterworth-vanDykeL1:massC1:elasticcomponentR1:dissipation7

石英晶体微天平Equivalentcircuit:Bu55(2)Sauerbreyequation:测量薄膜质量mf和厚度df

石英晶天平(QCM)(1)Generalequation:(3)Kanazawaequation:测量牛顿流体的粘度h石英晶体微天平的应用基础方程(4)其他复杂情况：需能够对应力进行分析=2nf0n:阶数Zload:加载物质的阻抗acousticimpedanceZq:石英晶片的阻抗8(2)Sauerbreyequation:测量薄膜质56石英晶体微天平的可能应用薄膜厚度、质量和力学性能吸附过程，传感器胶体悬浮液粘度界面相互作用9石英晶体微天平的可能应用薄膜厚度、质量和力学性能吸附过程，571.Rigidfilm(硬薄膜）2.Softfilm-viscoelasticeffect101.Rigidfilm(硬薄膜）2.Softf582.Softfilm-viscoelasticeffect112.Softfilm-viscoelasticef593.Newtonianliquid4.Softfilminliquid-viscoelasticeffect123.Newtonianliquid4.Soft604.Softfilminliquid-viscoelasticeffect134.Softfilminliquid-visco615.Adsorptionkinetic吸附过程硫醇的吸附动力学过程Pan,W.etal.Langmuir1996,12,4469145.Adsorptionkinetic吸附过程硫醇625.Adsorptionkinetic吸附过程Poly(N-isopropylacrylamide)brush的构象转变科大张广照小组DTB-PNIPAM：可逆加成-断裂链转移(RAFT)聚合合成PNIPAM，末端用dithiobenzoategroups终止；不与金表面发生化学接枝HS-PNIPAM：DTB-PNIPAM水解后的产物，可以与金表面发生化学接枝；分别有短链s-PNIPAM和长链l-PNIPAM水溶液中使用石英晶体微天平来研究聚合物链的动力学

石英晶体微天平在大分子的吸附，构象和作用研究方面具有很高灵敏性，聚合物链经-SH基团和金的强烈化学偶合作用化学接枝在镀金的晶片表面，同时PNIPAM链段由于强烈的链段-界面作用也吸附在金表面，体系可以实现薄饼-刷子转变155.Adsorptionkinetic吸附过程Po635.Adsorptionkinetic吸附过程Poly(N-isopropylacrylamide)brush的构象转变科大张广照小组DTM-PNIPAM不与金表面有化学作用，链段强烈吸附于金表面，清洗后仍有较大的频率变化，说明链段-界面作用对接枝动力学的影响。清洗结果说明短链形成的厚实的刷子状结构，由于链段-链段排斥，难以插入新链，只是少量吸附，洗去后频率变化很小。165.Adsorptionkinetic吸附过程Po64HS-PNIPAM短链在6300min金表面饱和，接枝停止。1快速；2减慢；3急剧降低，构象转变，分别对应薄饼，蘑菇，刷子构象1，快速接枝到裸露的金表面2，已接枝，阻止了进一步接枝3，构象转变，可以容纳新的链。HS-PNIPAM长链1快速接枝2稳定薄饼状

科大张广照小组17HS-PNIPAM短链HS-PNIPAM长链科大张广655.Adsorptionkinetic吸附过程FormationofLipidBilayerRichteretal.185.Adsorptionkinetic吸附过程Fo665.Adsorptionkinetic吸附过程FormationofLipidBilayerRichteretal.195.Adsorptionkinetic吸附过程Fo675.Adsorptionkinetic吸附过程FormationofLipidBilayerRichteretal.QCM与其它技术的结合205.Adsorptionkinetic吸附过程Fo686.原位聚合过程研究北大马宏伟小组216.原位聚合过程研究北大马宏伟小组696.原位聚合过程研究北大马宏伟小组226.原位聚合过程研究北大马宏伟小组706.原位聚合过程研究北大马宏伟小组236.原位聚合过程研究北大马宏伟小组716.原位聚合过程研究北大马宏伟小组246.原位聚合过程研究北大马宏伟小组726.界面相互作用Point-contactmodelDiethelmJohannsmann’sgroup256.界面相互作用Point-contactmodel736.界面相互作用Point-contactmodelDiethelmJohannsmann’sgroup266.界面相互作用Point-contactmodel746.界面相互作用Point-contactmodelDiethelmJohannsmann’sgroup276.界面相互作用Point-contactmodel756.界面相互作用Sheet-contactmodelDiethelmJohannsmann’sgroup286.界面相互作用Sheet-contactmodel766.界面相互作用Sheet-contactmodelDiethelmJohannsmann’sgroupContactbetweenagellensandaquartzcrysalresonatormaterial:25wt%Kratongelinmineraloil296.界面相互作用Sheet-contactmodel77

U~I电极石英晶片周期性剪切振动有效检测表面反面正面7.石英晶体微天平化学传感器“检测部件”――石英晶片及其表面的选择性检测涂层；“电子部件”――用于频率测量的阻抗仪或电路板和控制电脑组成。(1)湿敏传感器(2)气敏传感器(3)水中重金属离子传感器(4)水中有机污染物传感器30

U~I电极石英晶片周期性剪切振动78

(1).湿敏传感器根据水在石英晶片电极表面或涂层的吸附所引起的共振频率变化，石英晶体微天平传感器可以测量环境中的相对湿度。31

(1).湿敏传感器根据水在石英晶片电极表面或涂层的吸79

(2).气敏传感器空气中的气体污染物可以分为无机小分子气体和有机溶剂蒸气，气敏传感器可对大气中所含的各种不同气体进行有效的检测和监控。L.Feng,Y.J.Liu,X.D.Zhou,etal.J.Colloid&Interf.Sci.2005,284,378.采用分子烙印法在石英晶片上制备了具有甲醛分子尺寸孔洞的甲基丙烯酸凝胶薄膜，用石英晶体微天平可以检测到浓度为1.25-14.25微摩尔(M)的大气中的甲醛含量。32

(2).气敏传感器空气中的气体污染物可以分为无机80

L.Feng,Y.J.Liu,X.D.Zhou,etal.J.Colloid&Interf.Sci.2005,284,378.传感器装置示意图33

L.Feng,Y.J.Liu,X.D.Z81

L.Feng,Y.J.Liu,X.D.Zhou,etal.J.Colloid&Interf.Sci.2005,284,378.传感器噪声水平测试34

L.Feng,Y.J.Liu,X.D.Z82

L.Feng,Y.J.Liu,X.D.Zhou,etal.J.Colloid&Interf.Sci.2005,284,378.对甲醛气体的吸附35

L.Feng,Y.J.Liu,X.D.Z83

L.Feng,Y.J.Liu,X.D.Zhou,etal.J.Colloid&Interf.Sci.2005,284,378.传感器对甲醛气体的检测灵敏性测试36

L.Feng,Y.J.Liu,X.D.Z84

L.Feng,Y.J.Liu,X.D.Zhou,etal.J.Colloid&Interf.Sci.2005,284,378.传感器对甲醛气体的选择性测试37

L.Feng,Y.