石英晶体传感器系统在检测领域的应用
摘要：石英晶体传感器系统作为一种检测仪器,近几年已经得到很快的发展,国际上常把它叫做石英晶体微天平(Quartz Crystal Microbalance QCM).石英晶体传感器系统在检测领域,按其对检测物质的状态可分为气态和液态两大类,按其在化学和生物检测中的用途,可分为化学传感器、DNA传感器、微生物检测传感器和黏度有关的浓度传感器。
关键字：石英晶体传感器
石英晶体传感器系统作为一种检测仪器,近几年已经得到很快的发展,国际上常把它叫做石英晶体微天平(Quartz Crystal Microbalance QCM).石英晶体传感器系统在检测领域,按其对检测物质的状态可分为气态和液态两大类,按其在化学和生物检测中的用途,可分为化学传感器、DNA传感器、微生物检测传感器和黏度有关的浓度传感器。
石英晶体传感器气态检测主要是用来签别气味。目前已有根据石英晶体压电效应原理研制的气味签别仪，是一种模拟人的嗅觉功能的仪器。主要敏感部件由石英晶体敏感分子复合膜组成，不同分子结构的敏感分子形成的多传感器组合，经过神经网络微机处理，可以判别出不同气味的物质。例如意大利用该传感器研制出“电鼻子”用来检测不同的芳香物质，日本也研制出了酒味传感器，并利用神经网络微机辨别系统既可对其辨别，也可测出酒精的浓度。
石英晶体传感器液态检测有以下几个主要方面：
在化学检测方面，主要应用在物质在电极上的富集和反富集的研究，与电化学结合就形成了电化学石英晶体传感器。与分子模板印迹聚合物（Molecularly Imprinted Polymers MIP）技术相结合形成对某种分子（甚至是细胞）特异性检测的石英晶体传感器。
利用石英晶体进行黏度特性测量，是近年来在对物质浓度测进行测量的新探讨。我们用自制的石英晶体振荡器、晶体检测池和频率计组成的检测系统，对蔗糖浓度，牛奶的相对浓度和面筋强度相关的蛋白浓度进行了检测，并取得可喜的初步结果。
作为一种新型生物传感器，石英晶体免疫传感器利用石英警惕对微量质量变化的敏感性，结合生物分子识别系统（抗原抗体特异性结合）而形成的一种自动化多通道的分析检测系统，采用这个系统可以检测所有具备抗原抗体反应的生物因子，如病毒、有害微生物、毒蛋白、生物毒素和其他人们感兴趣的抗原与半抗原分子。该检测系统可以实时、快速、在线、连续的定量测定，并能进行动力学研究，克服了酶联免疫分析法（ELISA）、放射免疫分析法（RIA）、荧光免疫分析法（FIA）等免疫检测方法费时、昂贵、标记及操作繁琐等缺点。
石英晶体DNA生物传感器，根据石英晶体表面微小的质量变化都会引起其谐振频率变化的原理，可用石英晶体频率变化反映DNA从单链变为双链的结构变化，在石英晶体金电极表面固定ssDNA探针，并将其浸入含有被测目标ssDNA分子的溶液中，形成dsDNA，引起石英晶体频率的变化，振荡频率与附在电极表面上的质量成反比，通过检测频率就可以达到检测DNA的目的。
石英晶体力传感器具有体积小、耐冲击强和检测灵敏度高等特点。在农产品检测中也有很大的应用前景。可以用这种传感器制作成灵敏度很高的农产品物理特性测定仪器，还可以研发目前国际上对果蔬品质进行测量的脆度仪。
石英晶体传感器做为一个检测系统，并且将要成为一个应用非常广泛的检测平台，其稳定性仍然是需要认真解决的问题之一。与稳定性有关的方面包括：石英晶体的切型、石英晶体片表面曲型、石英晶体片电极的不对称性、镀膜金属、石英晶体片支架检测池各个组成部件和振荡电路本身的稳定性等等。
石英晶体传感器晶体片的切型多采用AT型，多年的应用实践证明它是受温度影响比较小的切型之一，但是要找到最佳切角需经过反复精密的试验。
石英晶体片的两面电极镀膜应为金电极或铂电极，这样的设计对在晶体片方面的频率稳定起到很好的效果。
石英晶体片的支架检测池的材料用玻璃或聚四氟乙烯为好，这样在用一些特殊液体时不会因检测池材料中溶出物影响检测的真实性和稳定性。弹性很好的镀金密封橡胶圈也是稳定的要素之一。
不同的密封形式对Q值的影响也是比较大的，用一个密封圈和两个密封圈在Q值上能相差10000之多。
在电子振荡电路组合方面应尽量考虑双振荡器设计，一个为参比石英晶体片提供电子振荡条件，另一个为检测石英晶片提供电子振荡条件，两个石英晶体片的基频相同，检测中会产生频率差值，可通过采用混频电路得出一个检测差频，经过主动滤波就可以得到一个没有基频的净检测频率信号。这种双振荡器设计可以有效消除一些系统因素如温度变化引起的频率飘移。
在振荡器设计方面，目前文献所报道的电子线路不能很好满足检测要求，多数过于简单，在液体检测时稳定性差、容易停振或者不能真正反映石英晶体片的及时中心频率。尤其是在分子模板印迹膜技术条件下，对振荡器的要求更高。研究证明，要获得一个能在实际检测工作中应用并能适应分子模板印迹膜技术的振荡器，必须考虑应用以下几个频率控制技术：
1.较强抗阻尼的振荡电路；2.石英晶体片中心频率的获取技术；3.频率锁相电路；4.频率信号反馈的自动增益控制；5.由液体接触石英晶体片产生的电容消除技术也是准确检测的因素之一，压控振荡、分频和滤波技术的应用也能提高该仪器系统的检测精度。还有FPGA、DDS、和CPLDs现代电子技术的应用将使多探头高精度的测量成为现实。
Frieder Lucklum和Peter Hauptmann在今年的《测量科学与技术》（MEASUREMENT SCIENCE AND TECHNOLOGY）杂志上首次提出了磁导振荡传感器（Magnetic Acoustic Resonator Sensors MARS）的模型和实验。与两面有金属电极的石英晶体振荡器相同，这种磁导振荡传感器也能产生的厚度变换模式（Tnickness Shear Mode）振荡。振荡材料可以是石英也可以用硅，甚至可以用铝，最高Q值可以达到10万，振荡膜片（靠平面螺旋线圈面镀金属膜）在一个强静态磁场中，由一个平面螺旋线圈产生的频率所驱动，频率可达到30MHz以上。它有一个最大的优点是不要电极引出线，是一个非接触频率控制传感器，这就为检测池的设计提供了方便。与其他的频率控制传感器相比，该类磁导振荡传感器在检测领域具备更强的可操作性。
检测传感器商业化要具备以下几个条件：足够的敏感性和准确性、易操作，价格易被使用者所接受、易于批量生产并能在生产过程中进行有效的质量控制。
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