石英晶体微天平——qcm - 北京大学单分子与纳米 .ppt

石英晶体微天平——QCM 小组成员：王卓然 马涛 李妍 尚维 QCM的应用范围 用于测定表面物质的重量和粘弹信息，主要应用于的领域： 生物医学 材料科学 高分子物质 表面化学研究 1. 基本原理 石英晶体 quartz crystal 石英晶体的压电效应 石英晶体的压电效应 石英晶体的压电效应 压电效应的方向性 石英晶体电极 谐振器与振荡器 频率变化与质量变化 QCM在液相测量中的应用 应用于检测流动细胞 QCM 结构及特性 QCM主要由石英谐振器（探头）、振荡器、信号检测和数据处理等部分组成。 QCM 结构及特性 石英晶体振荡器一般由外壳、晶片、支架、电极板、引线等组成。外壳材料有金属、玻璃、胶木、塑料等，外形有圆柱形、管形、长方形、正方形等多种. 能否有效的驱动石英谐振器在谐振频率下振荡，获得稳定的频率信号，关键在振荡器的性能。 QCM 结构及特性 晶片是从一块晶体上按一定的方位角切下的薄片，可以是圆形或正方形，矩形等。按切割晶片的方位不同，可将晶片分为AT、BT、CT、DT、X、Y等多种切型。不同切型的晶片其特性也不尽相同，尤其是频率温度特性相差较大。 QCM 结构及特性 石英谐振器是传感器的接受器和转换器，由AT切石英晶体片经真空沉积或蒸镀等方式在晶片上下表面修饰两个平行的金属电极构成的一种谐振式传感器。常用金属有Au、Ag、Pt、Ni、Pd。 QCM 结构及特性 为提高选择接受功能，常在电极表面修饰具有特异选择识别功能的模材料。应用时根据具体研究体系设计结构和组合方式. QCM 结构及特性 由于石英晶体微天平称量灵敏度是一条钟罩形的曲线，这给准确地进行称量带来了困难。所以，样品必须均匀地涂布在电极表面，才能获得重复性、再现性好的测量结果。 要得到均匀涂布的样品，制样方法以真空镀膜为最好，其次是喷雾和电镀。其它方法(例如：用棉花签涂抹、用注射器等)都难以达到均匀的目的。 QCM 结构及特性 QCM检测系统具有如下显著特点: (1)实时性 能够对生物大分子的反应动力过程进行监测,系统每秒都可以收集数个数据点当发生变化时可直接观测,除了分子吸附， QCM 提供结构信息。 (2)高效性 一般完成一个基本的测试用时在15min以内。 (3)简便性 生物分子无需标记,设备简单;成本低,电极可以再生和反复使用.任何表面都可以被涂上一个同质层（少于5μm）例如：金属、陶瓷、聚合体、化学改进表面等 . 石英晶体微天平之应用 应用 应用于电化学 金电极上单分子层氧的吸附机理研究—循环伏安法 从CV 图可以看出, 向正电位方向扫描时, 金电极在0. 9～ 1. 1V 处出现一个氧化峰, 标志着氧化态金的形成, 一般认为是形成了二价的A uO 返扫时, 在0. 5V 出现一个还原峰, 标志着氧化态金被还原从相应的频率-电位图来看, 当电位从0扫向0. 8V 时, 频率下降表示电极上质量增加相应的CV图上这一电位段却非常平坦, 基本上看不出电流响应, 没有氧化峰出现, 通过分析这段的质量增加可归因于溶液中阴离子的吸附 图　A u 晶振电极在pH= 6. 1的磷酸缓冲液中扫描的CV 图和EQCM 频率响应图 金电极上单分子层氧的吸附机理研究 当电位超过0. 9V 时, 频率下降的幅度增加, 一直持续到1. 3V , 对应着氧化态金的形成 根据文献, 金的氧化过程为: A uA· x H2O + A u- — A uA·A uOH (1- γ) -·(x – 1) H2O + H+ + γe- A uOH — A uO + H+ + e- 式中A 代表吸附于电极表面的酸根阴离子, 这个过程几乎不应有大的质量变化, 但由于A uO 在电场作用下会发生金-氧原子的位置交换反应, 即 A u-O — O-A u O-A u + H2Oaq — O-A u (H2O ) ads 氧原子向金属内部嵌入, 而交换到表面的金原子又可再吸附到水分子, 所以△m 可能是由此引起的，在返扫过程中, 当电位低于0. 5V , 出现大幅度质量下降, 对应着氧化态金被还原。 应用于电化学 溶剂中离子在聚合物膜中的传输 举例： 用微量注射器吸取PFDMS的THF溶液(2mg／2mL)4μL，滴加在石英振荡片金膜表面上，红外灯下加