硅酸镧镓晶体微天平测定石蜡膜的吸附特性

　　0　引　言

　　1959年, Sauerbrey提出了一种后来称为石英晶体微天平(quartz crystalmicrobalance,QCM)的高灵敏质量传感器,在过去的近半个世纪内,QCM已经在气体分析及溶液化学中得到了广泛的应用,并成为实时监测界面质量变化的有力研究手段^[1]。QCM的核心元件是一片AT切割的压电石英晶片,在其表面喷镀金属膜激励电极后构成谐振器,根据Sauerbrey公式,QCM的谐振频率随表面质量负载增加而线性下降,对表面质量的检测下限可达10^-9g·cm^-2水平。

　　近年来,材料科学的飞速发展,新型晶体材料的大量涌现,其中,也包括性能优异的压电晶体材料,为研究开发非石英晶体类的压电式传感器奠定了物质基础。采用由硅酸镧镓晶体制备出谐振器作为质量敏感器件,不仅具有纳克水平的质量灵敏度,而且,它的振荡能力比QCM更强,质量负载能力更大,称之为硅酸镧镓晶体微天平( langasite crys2talmicrobalance,LCM)^[2]。本文利用LCM质量负载能力大的优点,在其表面浇铸一层石蜡薄膜,实时监测阴离子表面活性剂十二烷基磺酸钠(SDS)在石蜡膜上的吸附过程,求出了有关吸附动力学、热力学参数,展示LCM的应用前景。

　　1　实　验

　　本文所用LCM系自行制备,主要制备过程如下:按Y切方向从硅酸镧镓晶体切割出14mm×14mm×1mm的晶片,用磨片机磨至所需厚度后抛光,在晶片两面中心真空喷镀制备2个金膜电极,电极直径为6mm,用导电胶粘接电极引线,所得LCM基频为9. 352MHz。用于传感监测的实验装置与先前文献[3]相似,用704硅橡胶将LCM固定在玻璃检测池上,体积约100mL。制备石蜡膜时,将用于吸附的LCM晶面用氯仿清洗,然后,滴加1%石蜡四氯化碳溶液100mL,待溶剂自然挥发后,用红外灯使石蜡膜融化再冷却,可得到均匀牢固的石蜡膜层。LCM在振荡电路驱动下发生谐振,其振荡频率由频率计数器测量.

　　实验所用试剂均为分析纯,水为二次离子交换水, SDS经乙醇溶液重结晶纯化后使用。石蜡为优质切片石蜡。测量介质为NaCl溶液, SDS用水配制,实验在(25±1)℃的室温下进行,所有结果均为3次实验的平均值。

　　吸附实验中,将石蜡膜表面用水、测量介质仔细清洗,取40mL测量介质于检测池中,记录稳定的振荡频率F₀作为参比频率,然后,加入准确体积的SDS溶液,记录其频率差,ΔF=F-F₀,由频率-质量系数可以得到吸附过程中吸附质量的动态变化。一次成膜可以进行10次以上的测量,需更新膜面时,可用四氯化碳溶去旧膜,重新铸膜。

　　2　结果与讨论

　　2.1　LCM监测SDS在石蜡膜上的吸附

　　LCM作为一种新的压电式传感器,其振荡频率也随表面质量负载增加而线性下降,它的质量响应灵敏度与谐振器的基频有关。本文所用LCM的基频为9. 352MHz,通过测定LCM在电化学沉积银过程中的频率与电量的比值得出它的频率质量系数为-6. 83×10^-9g·cm^-2·Hz-1,因此,它也是一种高灵敏的质量传感器。本文用LCM对表面活性剂在石蜡表面的吸附过程进行了实时监测。