[发明专利]新型光辅助石英晶体微天平及其检测方法

说明书

本发明提供了一种新型光辅助石英晶体微天平及其检测方法，所述微天平包括QCM/QCM‑D芯片、振荡电路、频率计数器、计算机、反应小室和一个光源，该光源发出的光线能够辐射在QCM/QCM‑D芯片表面上。本发明通过增设能够将光线照射到芯片表面的光源，在光辐照下，QCM/QCM‑D芯片表面性质发生改变，光源光辐照在QCM/QCM‑D芯片表面能引发共振频率的急剧上升，也引起了石英晶体力学性质和压电特性的改变，从而能够有效提高石英晶体微天平设备系统的检测灵敏度。

技术领域

本发明涉及仪器仪表技术领域，尤其是一种新型光辅助石英晶体微天平及其检测方法。

背景技术

Pierre和Jacques Curie在1880年发现当石英晶体在外力作用下产生沿一定方向的形变后，在石英晶体内部将产生极化效应，即石英晶体的相反的表面上将各自堆积正电荷和负电荷。随后Gabriel Lippman提出可以利用电磁场在晶体中产生应力。这个论点为随后的实验结果所证实。

由Sauerbrey教授的研究归纳如下一个方程来描述石英晶体共振频率和芯片表面质量之间的关系，即Sauerbrey方程，被应用于指导石英晶体微天平的各种应用。

式中Δf为频率变化(Hz)，Δm为芯片表面质量的变化(g)，f₀为QCM芯片共振频率(Hz)，A为QCM芯片反应电极的面积(cm²)，ρ_q为密度(2.65g/cm³)，μ_q为剪切模量。

石英晶体微天平被广泛用于各种领域，如在真空中表面厚度的监测，这一应用也大大扩展了其作为传感器在其他领域的应用，如大气污染物的检测、金属腐蚀及保护、高分子相转变、生物传感检测等。

石英晶体微天平是一种强大的无需标记的检测技术，在各种领域得到越来越多的关注。然而，石英晶体微天平与另一无标记检测技术表面等离子体共振(surface plasmonresonance，SPR)比较起来发展显得滞后。SPR技术得到巨大的商业成功，重要原因之一是总体而论，SPR系统的检测灵敏度比石英晶体微天平高。5MHz的石英晶体微天平的灵敏度大约比相应SPR系统低20倍。在某些应用中，如小分子相互作用检测和痕量检测中，石英晶体微天平的信号不够强而得不到检测对象的相关信息。

石英晶体微天平的检测灵敏度定义为对应于一定信号变化值的QCM芯片单位表面面积上的质量变化。检测灵敏度与表面检测对象的密度及芯片所固有的共振频率，剪切模量有关。Sauerbrey方程确定对于5MHz AT-cut石英晶体微天平芯片，检测的灵敏度约为1Hz＝17.7ng/cm²。

石英晶体微天平芯片共振频率的提高将能促进石英晶体微天平检测灵敏度的提高，但是因为超薄的石英晶体片非常脆弱，提高共振频率对制作超薄的石英晶体芯片提出了更高的要求。因此，通过减小石英晶体芯片厚度的方式来提高检测灵敏度有着一定的限制。正是因为这个限制，目前大多数石英晶体微天平的生产商都通过优化电路提高检测信号的分辨力，最终降低检测限(limit of detection，LOD)，LOD检测值为最小的可以检测到的检测对象的浓度、质量的变化值，LOD与检测灵敏度及信号的准确度有关。

石英晶体微天平的LOD低于1ng/cm²，这个检测极限不能完全达到应用的要求，如在临床诊断对象的检测中，检测对象的浓度在ng/mL级别。因此，石英晶体微天平的灵敏度及LOD亟需改进提高。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明旨在提供一种具有更高检测灵敏度的石英晶体微天平系统及检测方法，不需减少芯片的厚度，造成芯片破碎；同时本发明也能够提高石英晶体微天平系统检测的灵敏度。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。