一种单面无极激励石英晶体谐振频率检测系统

卢 阳 ，杜 明，廖玉枝，司士辉

（中南大学 化学化工学院，湖南 长沙 410083）

0 引 言

在过去的20年，单面无极石英晶体微天平（Quartz Crystal Microbalance，QCM）已经在生物和化学研究中获得了越来越多的关注。由于AT切型QCM可通过共振频率的变化检测其表面质量和粘度变化[1]，因此常见的5～20 MHz石英晶体被开发应用于商业用途[2-4]。传统的有极石英晶体一般以金作为电极镀在石英晶体两侧，不仅对工艺提出了很高要求，且价格昂贵、测量系统复杂，检测精度达不到几个ppm。由于金的密度远大于石英，会降低QCM的质量灵敏度，且随着基频的增加影响加剧。此外，有源传感区被限制在电极的中心区附近，其他表面区域基本不活动，降低了灵敏度，因此优选无电极QCM[5]。目前，QCM测量仪采用的测量方法主要为以下3种类型：振荡电路法，频谱分析法和QCM-D耗散因子法[6]。使用传统的晶体振荡电路无法同时满足晶体在气相和液相的测量要求，所以选择扫频方法进行QCM的测量[7]。本研究以QCM作为谐振体（激励电极采用金电极，石英面触液采用无极），提出一种新型传感检测系统。该系统基于DDS工作原理的AD9851，以单片机为控制核心。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

实验使用的试剂与仪器情况，如表1所示。

1.2 实验过程

在25 ℃条件下，按照标准分别配制0.001 M、0.01 M、0.1 M、1 M的KCl溶液，以测量不同电导率下QCM的频率。

配制缓冲氧化物刻蚀液，49%HF水溶液：40%NH4F水溶液=1:6（体积比）。稀释为1%、2%、5%、10%、20%的溶液，检测QCM被腐蚀的质量响应。

1.3 检测系统的原理及构造

检测系统由AD9851控制，采用直接数字合成（DDS）技术代替体积庞大的DDS信号发生器。经由单片机控制，以扫频方式在QCM基频一定范围内进行激励振荡，电压为15 V，并以石墨电极接收QCM频率响应电信号。接收到的电信号经由前段放大电路放大，再由相敏检波处理，显示在LED上。整个检测装置由检测和软件两部分构成。检测部分包括激励电源、QCM、检测池、石墨电极和数据采集卡。软件部分包括相敏检波、数据处理、数据显示和数据保存。装置原理如图1所示。

2 结果与讨论

2.1 单面无极石英晶体频率变化与电导率的关系

QCM在液相中的等效模型，除了无负载和质量负载外，还有与液体粘度和密度有关的Ll、Rl及与液体介电常数及导电率有关的Cl和Gl[8-9]（Ll是电解质溶液电感、Rl是动态电阻、Cl是静态电容、Gl是电解质溶液电导）。实验结果如图2所示。根据图2实验结果可知，在0.001～1 M的KCl标准溶液中，QCM的频率随电导率的增大减小，呈现一定的线性关系，且误差控制在10-7，保证了测量的准确性。

表1 试剂与仪器情况

图1 装置原理

2.2 QCM的频率变化与氢氟酸腐蚀石英体的质量响应

表2显示出相同时间段内不同浓度酸溶液腐蚀单面无极石英晶体的频率响应。根据Sauerbrey方程，该关系表示为，其中f0为石英晶体固有的谐振频率，ρ为石英晶体的密度，μ为石英晶体的切变模量，Δm为石英晶体表面的质量变化。计算QCM的质量响应，测量精度均在0.1 ng级别，达到了测量目的。

3 结 论

通过实验探讨了研制的用于化学生物传感的单面无极石英晶体谐振频率检测系统的稳定性和高精确度，给无极石英晶体的应用提供了一种便利方式。

图2 实验结果

表2 相同时间段内不同浓度酸溶液腐蚀单面无极石英晶体的频率响应