氣隔壓電傳感器響應特性及監(jiān)測碘的傳質過程.pdf

1、石英晶體微天平(QCM)作為一種高靈敏度的質量型傳感器，在電化學、溶液化學、生物傳感器等領域中有關界面?zhèn)髻|過程的監(jiān)測方面獲得廣泛的應用。QCM傳感器的核心敏感元件為AT切的壓電石英晶體,為使其產生諧振，通常需在晶片表面噴鍍兩個“鑰匙孔”形的金膜或銀膜電極以施加高頻激勵電場，QCM傳感電極表面的質量變化。當研究對象非電極本身而是覆蓋在電極表面的修飾膜時，要求激勵電極具有良好的化學穩(wěn)定性，如果電極在使用過程中被腐蝕或溶解，QCM的諧振頻率隨

2、之發(fā)生變化，將造成QCM諧振頻率的基線漂移，影響傳感器的檢測靈敏度。當QCM在腐蝕性較強的環(huán)境中使用時，電極腐蝕不僅影響傳感器的使用壽命，更造成頻率測定結果的失真。本論文提出一種氣隔電極式壓電傳感器的設計思路，有效地解決了電極腐蝕及其對質量測定的影響，使QCM能夠在具有化學腐蝕性的環(huán)境中使用。主要工作包括以下兩方面的內容：
　　1.氣隔電極式石英晶體微天平的阻抗特性研究
　　為消除電極腐蝕對QCM頻率穩(wěn)定性的影響，本論文設計

3、了氣隔電極式QCM，在其構造中，激勵電極與QCM之間隔著幾毫米的空氣層，高頻激勵電壓借助于該空氣層的傳導施加在QCM上激發(fā)它諧振。為更好地了解氣隔QCM的響應特性，采用阻抗分析法研究了該傳感器的等效參數(shù)，并推導了它們與氣隔電極、QCM等效電路之間的關系，討論了電極間距、電極面積、電極形狀和電極位置對該傳感器諧振頻率及等效電路參數(shù)的影響，為傳感器的實際應用提供理論與技術指導。結果表明，氣隔QCM的諧振峰強度遠低于常規(guī)QCM的諧振峰強度，但

4、有效品質因子僅有小幅下降，即使空氣層厚度達到1cm，其值也在105水平。氣隔QCM的動態(tài)電感、動態(tài)電容、動態(tài)電阻分別為QCM的(1+C0/C12)2，(1+C0/C12)-2，(1+C0/C12)2倍，其中，C0為QCM的靜態(tài)電容，C12為電極與QCM之間的空氣電容。電極之間雜散電容的旁路效應造成氣隔QCM有效品質因子的下降。在氣隔QCM的應用中，氣隔電極與QCM處于同心圓有利于提高其品質因子，但電極的位置具有很大的靈活性，可以根據(jù)需要

5、偏離QCM的中心設置在QCM的旁邊，氣隔電極上的質量變化對QCM的諧振頻率沒有影響，徹底克服了常規(guī)QCM中存在電極腐蝕的不足。QCM甚至可以使用鉻酸洗液處理，氣隔QCM具有易于制備、耐腐蝕、使用壽命長、透光性良好便于將質量和光學測量組合聯(lián)用的優(yōu)點。
　　2.氣隔電極式石英晶體微天平監(jiān)測碘在MOFs上的吸附
　　金屬有機框架配合物(Metal–organic frameworks，MOFs)是近年來廣受關注的多孔晶體材料，具有

6、超大的比表面積和孔容積、可調的孔徑和拓撲結構、良好的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性等優(yōu)點，在氣體存貯、催化劑、藥物可控釋放、吸附與分離等領域有良好的應用前景。
　　ZIF-8是一種典型的MOFs，它由Zn2+與2-甲基咪唑配位構成，其孔徑結構與高比表面積使它成為優(yōu)良的I2分子吸附劑，鑒于I2對金屬電極具有很強的腐蝕性，在所設計的氣隔QCM中，激勵電極置于吸附池之外不與I2分子接觸。利用兩個并聯(lián)組合的氣隔QCM傳感器同時監(jiān)測了ZIF-8膜和石