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为什么温度稳定性在QCM测量中至关重要

提供者:瑞典百欧林科技有限公司上海代表处 发布时间:2018/11/23 阅读次数:22次 进入该公司展台

  

实现可靠和可重现的QCM测量的关键因素之一是温度稳定性。但是为什么稳定的温度如此重要呢?温度的变化会如何影响你的检测?在这里,我们将阐述在QCM测量中造成温度波动原因及其对测试结果的影响。

不受控制的温度变化将给测量结果带来不可预测的影响

可以说,任何QCM测量的目的都是研究和评估某种表界面相互作用现象。这种相互作用是通过共振频率来表征的。结合耗散因子,可以更好地反映质量和结构变化的信息。然而,除了待研究的质量和结构变化会引起QCM信号的变化外,还有其他因素也会影响QCM信号,其中一个主要因素就是温度。因此,在测量过程中温度稳定性不足会在数据中引入与温度相关的伪信号,最终将无法确定有多少测量信号是源自于温度的变化或是被研究的表面相互作用。

影响QCM信号的温度相关参数

常见的温度诱导效应有三个主要来源。温度的变化会改变:

1) 固有传感器的谐振频率

2) 本体溶液的粘度和密度

3) 安装应力

1)固有谐振频率的变化

基于石英的固有性质,QCM芯片的谐振频率与温度有关。具体的f T关系随石英晶体切割的变化而变化。所谓的AT切割,是大多数QCM表面科学相关应用的标准切割方式。与其他石英晶体切割相比,AT切割在室温附近的温度系数很小。然而,即使是AT切割晶体,谐振频率的温度依赖性仍然很大,温度变化对QCM测量有很大影响。

另一个源自石英温度变化的间接协同变化因素是电路中参考石英晶体的谐振频率的变化。参考晶体也由石英制成,也会很大程度受到源自电路温度变化的影响。如果电路暴露在大幅度的温度变化中,这将直接改变测量的频率。设计精良的电子设备则采用了一种所谓的恒温晶体振荡器”(OCXO),这种振荡器使参考石英晶体保持在恒定温度(通常远高于室温),以避免受到环境温度变化的影响。

2)本体溶液性质的变化

QCM技术对本体溶液性质的变化非常敏感。大多数液体的粘度和密度都与温度有关,如果这些性质发生变化,将直接影响测量到共振和耗散读数。

3)安装应力的变化

O圈和触点传感器等引起的芯片安装应力总是会或多或少的存在。共振频率会受到这些应力的影响,任何压力的变化将引起f值和d值的变化,因此温度变化可能改变例如O圈的直径和弹性性质以及测量室的尺寸(虽然很微量,但仍然存在)。因此,温度的变化可能导致测量响应中出现应力引起的伪信号。对于微小的温度T值变化,这是不太可能发生的,因此大家一般认为相比固有传感器谐振频率和本体溶液的粘度和密度变化的影响,应力的影响更小。但是如果确实发生了,那就非常严重了。并且与其他两个因素不同的是,这种影响是不可逆的。

温度引起的伪信号会是什么样的?

总的来说,根据温度变化的性质和起源,产生的伪信号会以不同的方式表现出来。例如,取决于变化是快还是慢,以及它们是来自于样本还是环境。例如,如果您在室温下测量,然后直接使用冰箱中的低温样品,则可能会发生由于样品温度变化而引起的变化。基本上,这样的温度变化会引起信号变化,出现的信号峰可能非常大,但通常它们会随着样品温度的平衡而消失,并返回到之前的值。另一方面,环境温度的变化将产生信号的长期变化,导致被认为是基线漂移。温度引起的安装应力的变化既可以是样品温度变化的结果,也可以是环境温度变化的结果。它们通常表现为一种跳跃或类似阶梯式的信号变化,而不会返回到以前的基线。

温度引起的伪信号有多大?

那么我们讨论的是什么程度的失真量呢?与温度相关的伪信号的大小取决于几个因素,比如:您是在液体还是空气中测量?您在使用什么液体?实验运行的温度是多少?当然还有温度波动的幅度大小和持续时间。由三种根本原因中的任何一种引起的温度伪信号都可以是几个Hz/°C,见图1。因此,要达到具有亚Hz灵敏度的可靠测量,就必须在百分之一的温度水平上保持长期的温度稳定性。

Temperature dependence f and D

1:频率、耗散因子与测量温度的函数。芯片上涂有一层聚苯乙烯薄膜,测量是在空气中进行,温度范围40 - 150°C。在这种情况下,由于基体流体是气体,主要的温度效应来自于传感器谐振频率的温度依赖性。耗散读数的小跳跃是由于所谓的活性下降,但不在本文的讨论范围内。

结论:

为了获得可靠的、可重现的QCM数据,必须确保稳定的测量温度。不仅仅是由于石英的固有性质,QCM共振频率也会随着温度的变化而变化;而且温度变化也会引起本体溶液性质的变化;此外,温度的变化可能会改变QCM传感器的安装应力,这将会给测量信号带来不可控的影响。因此,根据测量装置和条件的不同,不受控制的温度变化可能导致测量数据中的一个或多个伪信号,进而影响整个研究系统的分析。

 

如果想要了解更多和QCM相关的重要参数信息请附件中的指南:

 

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