医用石英微天平测试系统的研制

　　一.引言

　　压电石英晶体测量技术是在上世纪60年代建立起来的一种新型应用技术,主要是利用晶体表面的微小质量改变会导致其频率偏移的原理。由于其结构简单、体积小、灵敏度高等诸多优点而广泛应用于环境检测、食品安全检查、生物医药等领域[1][2][3]。一般应用中，晶体只在气相中振荡，液相中由于阻尼和短路而不能起振，所以在以前检测液体中某种物质含量的时候，大部分的压电晶体传感器都采用液体中反应，晾干后在空气中测量频偏，但是这种方法无法给出目标物质反应的过程，而且测试过程繁琐，在疾病诊断应用中多是在液体中检测，所以有必要设计一种直接在液体状态下进行测试的QCM系统，来满足各种科学研究的要求。

　　二.压电石英晶体谐振器简介

　　压电石英晶体是天然硅(Si02)的一种，六角锥体状，具有各向异性的物理特性。若在石英晶体两侧加一交变电场，且频率与晶体固有频率接近，则会在晶体内部产生一共振驻波。又因为AT 切形的温度敏感度较差，所以在质量效应传感器应用中一般选择AT切形石英晶体。为了提高晶体的选择接收能力，常常在石英晶体电极表面修饰一些具有特异选择性的生物活性分子，这些分子能与某种特殊的分子结合附着在电极表面，就构成了生物传感器。普通晶体的形状如下：

　　三.压电石英晶体质量敏感原理

　　Sauerbry1959年首先推导出厚度剪切压电石英晶体频移Δf 与在晶体表面均匀吸附的极薄层刚性物质Δm之间存在正比关系的公式

        f、Δm、A 的单位分别为Hz、g、cm2，从公式可以看出，ng级质量变化就能带来较大的频率改变，因此称之为微石英天平(quartz crystal mi-crobalance QCM)。80 年代以后，由于生物医药等应用的需求，人们开始尝试在液体中使用QCM直接测量，但是由于声表面波在流体中有很大衰减，开始的应用并不很成功[7]。很多学者开始建立液体状态下的晶体模型，并逐步得到一些试验成果[8]，Konash 和Bastiaans设计了一种单面接触液体的结构获得成功[9]，后来Nomura等在有机溶液中双面接触液体振荡成功，为日后石英晶体传感技术的推广奠定了基础。

　　三.液相中石英传感器结构的设计

　　我们采用的晶体是北京707 厂生产的，AT-切型，9000KHz，披金电极直径为4.5mm，由于需要在水溶液测量，晶体单面裸露，另一面采用塑料膜和O型密封环通过硅橡胶封闭，使之仅与空气接触而与待测液体绝缘。

　　探头结构整体设计对晶体的稳定程度起很重要的作用。我们设计一用于实验室的简单设备，结构示意图如下：