石英晶體傳感器系統在檢測領域的應用
摘要：石英晶體傳感器系統作為一種檢測儀器,近幾年已經得到很快的發展,國際上常把它叫做石英晶體微天平(Quartz Crystal Microbalance QCM).石英晶體傳感器系統在檢測領域,按其對檢測物質的狀態可分為氣態和液態兩大類,按其在化學和生物檢測中的用途,可分為化學傳感器、DNA傳感器、微生物檢測傳感器和黏度有關的濃度傳感器。
關鍵字：石英晶體傳感器
石英晶體傳感器系統作為一種檢測儀器,近幾年已經得到很快的發展,國際上常把它叫做石英晶體微天平(Quartz Crystal Microbalance QCM).石英晶體傳感器系統在檢測領域,按其對檢測物質的狀態可分為氣態和液態兩大類,按其在化學和生物檢測中的用途,可分為化學傳感器、DNA傳感器、微生物檢測傳感器和黏度有關的濃度傳感器。
石英晶體傳感器氣態檢測主要是用來簽別氣味。目前已有根據石英晶體壓電效應原理研制的氣味簽別儀，是一種模擬人的嗅覺功能的儀器。主要敏感部件由石英晶體敏感分子復合膜組成，不同分子結構的敏感分子形成的多傳感器組合，經過神經網絡微機處理，可以判別出不同氣味的物質。例如意大利用該傳感器研制出“電鼻子”用來檢測不同的芳香物質，日本也研制出了酒味傳感器，并利用神經網絡微機辨別系統既可對其辨別，也可測出酒精的濃度。
石英晶體傳感器液態檢測有以下幾個主要方面：
在化學檢測方面，主要應用在物質在電極上的富集和反富集的研究，與電化學結合就形成了電化學石英晶體傳感器。與分子模板印跡聚合物（Molecularly Imprinted Polymers MIP）技術相結合形成對某種分子（甚至是細胞）特異性檢測的石英晶體傳感器。
利用石英晶體進行黏度特性測量，是近年來在對物質濃度測進行測量的新探討。我們用自制的石英晶體振蕩器、晶體檢測池和頻率計組成的檢測系統，對蔗糖濃度，牛奶的相對濃度和面筋強度相關的蛋白濃度進行了檢測，并取得可喜的初步結果。
作為一種新型生物傳感器，石英晶體免疫傳感器利用石英警惕對微量質量變化的敏感性，結合生物分子識別系統（抗原抗體特異性結合）而形成的一種自動化多通道的分析檢測系統，采用這個系統可以檢測所有具備抗原抗體反應的生物因子，如病毒、有害微生物、毒蛋白、生物毒素和其他人們感興趣的抗原與半抗原分子。該檢測系統可以實時、快速、在線、連續的定量測定，并能進行動力學研究，克服了酶聯免疫分析法（ELISA）、放射免疫分析法（RIA）、熒光免疫分析法（FIA）等免疫檢測方法費時、昂貴、標記及操作繁瑣等缺點。
石英晶體DNA生物傳感器，根據石英晶體表面微小的質量變化都會引起其諧振頻率變化的原理，可用石英晶體頻率變化反映DNA從單鏈變為雙鏈的結構變化，在石英晶體金電極表面固定ssDNA探針，并將其浸入含有被測目標ssDNA分子的溶液中，形成dsDNA，引起石英晶體頻率的變化，振蕩頻率與附在電極表面上的質量成反比，通過檢測頻率就可以達到檢測DNA的目的。
石英晶體力傳感器具有體積小、耐沖擊強和檢測靈敏度高等特點。在農產品檢測中也有很大的應用前景。可以用這種傳感器制作成靈敏度很高的農產品物理特性測定儀器，還可以研發目前國際上對果蔬品質進行測量的脆度儀。
石英晶體傳感器做為一個檢測系統，并且將要成為一個應用非常廣泛的檢測平臺，其穩定性仍然是需要認真解決的問題之一。與穩定性有關的方面包括：石英晶體的切型、石英晶體片表面曲型、石英晶體片電極的不對稱性、鍍膜金屬、石英晶體片支架檢測池各個組成部件和振蕩電路本身的穩定性等等。
石英晶體傳感器晶體片的切型多采用AT型，多年的應用實踐證明它是受溫度影響比較小的切型之一，但是要找到最佳切角需經過反復精密的試驗。
石英晶體片的兩面電極鍍膜應為金電極或鉑電極，這樣的設計對在晶體片方面的頻率穩定起到很好的效果。
石英晶體片的支架檢測池的材料用玻璃或聚四氟乙烯為好，這樣在用一些特殊液體時不會因檢測池材料中溶出物影響檢測的真實性和穩定性。彈性很好的鍍金密封橡膠圈也是穩定的要素之一。
不同的密封形式對Q值的影響也是比較大的，用一個密封圈和兩個密封圈在Q值上能相差10000之多。
在電子振蕩電路組合方面應盡量考慮雙振蕩器設計，一個為參比石英晶體片提供電子振蕩條件，另一個為檢測石英晶片提供電子振蕩條件，兩個石英晶體片的基頻相同，檢測中會產生頻率差值，可通過采用混頻電路得出一個檢測差頻，經過主動濾波就可以得到一個沒有基頻的凈檢測頻率信號。這種雙振蕩器設計可以有效消除一些系統因素如溫度變化引起的頻率飄移。
在振蕩器設計方面，目前文獻所報道的電子線路不能很好滿足檢測要求，多數過于簡單，在液體檢測時穩定性差、容易停振或者不能真正反映石英晶體片的及時中心頻率。尤其是在分子模板印跡膜技術條件下，對振蕩器的要求更高。研究證明，要獲得一個能在實際檢測工作中應用并能適應分子模板印跡膜技術的振蕩器，必須考慮應用以下幾個頻率控制技術：
1.較強抗阻尼的振蕩電路；2.石英晶體片中心頻率的獲取技術；3.頻率鎖相電路；4.頻率信號反饋的自動增益控制；5.由液體接觸石英晶體片產生的電容消除技術也是準確檢測的因素之一，壓控振蕩、分頻和濾波技術的應用也能提高該儀器系統的檢測精度。還有FPGA、DDS、和CPLDs現代電子技術的應用將使多探頭高精度的測量成為現實。
Frieder Lucklum和Peter Hauptmann在今年的《測量科學與技術》（MEASUREMENT SCIENCE AND TECHNOLOGY）雜志上首次提出了磁導振蕩傳感器（Magnetic Acoustic Resonator Sensors MARS）的模型和實驗。與兩面有金屬電極的石英晶體振蕩器相同，這種磁導振蕩傳感器也能產生的厚度變換模式（Tnickness Shear Mode）振蕩。振蕩材料可以是石英也可以用硅，甚至可以用鋁，最高Q值可以達到10萬，振蕩膜片（靠平面螺旋線圈面鍍金屬膜）在一個強靜態磁場中，由一個平面螺旋線圈產生的頻率所驅動，頻率可達到30MHz以上。它有一個最大的優點是不要電極引出線，是一個非接觸頻率控制傳感器，這就為檢測池的設計提供了方便。與其他的頻率控制傳感器相比，該類磁導振蕩傳感器在檢測領域具備更強的可操作性。
檢測傳感器商業化要具備以下幾個條件：足夠的敏感性和準確性、易操作，價格易被使用者所接受、易于批量生產并能在生產過程中進行有效的質量控制。
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