多功能高灵敏度QCM的研制以及高分子在金表面物理吸附的研究

论文摘要

石英晶体微天平QCM是一种灵敏度极高的传感器,可以精确的测量到纳克量级的质量变化以及纳米尺度下物质的剪切模量、粘弹性等力学参数。近年来的研究表明除了石英晶体的频率反映了晶体表面物质的性质,晶体的等效阻抗以及耗散因子同样具有明确的物理意义。目前石英晶体微天平被广泛的应用在生物传感器,纳米尺度下物质的相互作用等研究领域。因此研制一套功能完善的石英晶体微天平实验系统具有重要的意义。鉴于石英晶体微天平具有如此高的灵敏度,以及能够应用于液态条件下,因此它非常适合研究溶液中高分子在固体表面的吸附行为。高分子特别是蛋白质分子在固体表面的物理吸附是一种重要的物理、化学、生物现象,在医学、制药等领域都有着重要的意义。因此研究高分子的物理吸附行为具有重要的学术及应用价值。围绕石英晶体微天平的研制和高分子在固体表面的物理吸附,本论文开展了大量的研究,取得的主要成果如下:1推导了溶液中石英晶体微天平的理论模型,给出了多种条件下Δf与ΔD的理论公式,为实验工作奠定了理论基础。2给出了测量石英晶体耗散因子的两种方法。特别是提出了从晶体的导纳频率曲线中去除晶体并联电容的计算方法,有效的提高了测量精度。这种方法还没有在其它文献中看到。3设计了一个能够使晶体工作在液态条件和三次谐波状态下的振荡电路,并且此电路能够同时测量晶体的频率、阻抗和耗散因子。电路中采用了电容补偿的技术有效的去除了晶体并联电容的影响使电路可以工作存高粘滞的溶液中。同时通过在电路中引入带通滤波器,使我们的电路能够将晶体激励在三次谐波下,需要指出的是在实际中使用同样的方法我们的电路也可以工作在五次谐波下。4设计了一个可以使晶体工作在溶液条件下的液体池。使用我们的液体池可以方便的在实验中连续更换样品,同时每个样品的使用量可以控制在5ml以内,有效的节约了样品。我们的液体池还具有一个精密的温控系统,保证实验温度可以稳定在±0.0015℃以内。我们还根据液体池的使用情况提出了改进的设计方案,将在未来使用。5以PNIPAM分子为模型,应用QCM-D研究了溶液中高分子在金表面的物理吸附行为。我们的研究发现20℃时PNIPAM分子会在金表面形成单分子膜,膜的增长方式为密度增长,可以用Langmuir方程来描述这种条件下PNIPAM在金表面的吸附动力学过程。当温度升高到32℃以上时,PNIPAM分子会在金表面形成多层吸附,并且吸附时间常数与温度和浓度不再相关。这些行为可以用不同形态的分子与表面不同的相互作用来解释。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 石英晶体微天平
• 1.2.1 QCM概述
• 1.2.2 石英晶体的切型
• 1.2.3 QCM信号获取方法
• 1.3 国内外的研究现状
• 1.3.1 QCM振荡电路的研究
• 1.3.2 QCM在研究中的应用
• 1.4 本论文的主要内容
• 参考文献
• 第2章 石英晶体微天平的理论模型
• 2.1 引言
• 2.2 石英晶体微天平的理论模型
• 2.2.1 石英晶体的等效谐振子模型
• 2.2.2 单层模型
• 2.2.3 两层模型
• 参考文献
• 第3章 耗散因子的测量及计算方法
• 3.1 耗散因子的测量方法
• 3.2 衰减振荡波形的测量和拟合
• 3.2.1 衰减振荡曲线的采集
• 3.2.3 Levenbery-Marquardt拟合
• 3.3 晶体的Q值的测量和计算
• 3.3.1 晶体的导纳圆
• 3.3.2 耗散因子D的计算
• 参考文献
• 第4章 多功能高灵敏度QCM电路的设计
• 4.1 引言
• 4.2 石英晶体微天平振荡电路原理设计
• 4.2.1 晶体并联电容的影响
• 4.2.2 并联电容的补偿
• 4.2.3 自动增益控制振荡电路
• 4.2.4 高次谐波下的石英晶体振荡电路
• 4.2.5 带通滤波器的设计
• 4.2.6 滤波器元件值整备
• 4.3 电路的硬件设计
• 4.3.1 自动增益控制放大器
• 4.3.2 运放的选择
• 4.3.3 滤波器的制作
• 4.3.4 信号读出电路
• 4.4 振荡电路的调试与标定
• 4.4.1 补偿电容的调节
• 4.4.2 串联谐振等效电阻的计算
• 4.4.3 振荡电路谐振频率误差分析
• 4.5 耗散因子的测量
• 4.5.1 线性门的选择
• 4.5.2 衰减振荡波形的读出
• 4.6 数据采集
• 4.7 振荡电路性能测试
• 参考文献
• 第5章 液体池
• 5.1 引言
• 5.2 石英晶体
• 5.3 液体池
• 5.4 温度控制系统
• 5.4.1 PID控制算法
• 5.4.2 软件系统
• 5.5 液体池的改进
• 参考文献
• 第6章 高分子在金表面物理吸附动力学的研究
• 6.1 研究背景
• 6.2 实验方法
• 6.3 实验结果
• 6.3.1 频率与吸附的关系
• 6.3.2 耗散因子与吸附的关系
• 6.4 分析与讨论
• 6.4.1 PNIAPM的吸附动力学
• 6.4.2 耗散因子D对吸附的表征
• 6.4.3 单层吸附和多层吸附
• 参考文献
• 第7章 总结与展望
• 7.1 论文工作总结
• 7.2 今后工作的展望
• 7.2.1 对电路的改进
• 7.2.2 QCM与3ω方法的结合
• 参考文献
• 附录 振荡电路原理图
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果
• 致谢