為什么溫度穩(wěn)定性在QCM測(cè)量中至關(guān)重要

實(shí)現(xiàn)可靠和可重現(xiàn)的QCM測(cè)量的關(guān)鍵因素之一是溫度穩(wěn)定性。但是為什么穩(wěn)定的溫度如此重要呢?溫度的變化會(huì)如何影響你的檢測(cè)?在這里，我們將闡述在QCM測(cè)量中造成溫度波動(dòng)原因及其對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。
不受控制的溫度變化將給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)不可預(yù)測(cè)的影響
可以說(shuō)，任何QCM測(cè)量的目的都是研究和評(píng)估某種表界面相互作用現(xiàn)象。這種相互作用是通過(guò)共振頻率來(lái)表征的。結(jié)合耗散因子，可以更好地反映質(zhì)量和結(jié)構(gòu)變化的信息。然而，除了待研究的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)變化會(huì)引起QCM信號(hào)的變化外，還有其他因素也會(huì)影響QCM信號(hào)，其中一個(gè)主要因素就是溫度。因此，在測(cè)量過(guò)程中溫度穩(wěn)定性不足會(huì)在數(shù)據(jù)中引入與溫度相關(guān)的偽信號(hào)，最終將無(wú)法確定有多少測(cè)量信號(hào)是源自于溫度的變化或是被研究的表面相互作用。
影響QCM信號(hào)的溫度相關(guān)參數(shù)
常見(jiàn)的溫度誘導(dǎo)效應(yīng)有三個(gè)主要來(lái)源。溫度的變化會(huì)改變:
1) 固有傳感器的諧振頻率
2) 本體溶液的粘度和密度
3) 安裝應(yīng)力

1）固有諧振頻率的變化
基于石英的固有性質(zhì)，QCM芯片的諧振頻率與溫度有關(guān)。具體的f 和T關(guān)系隨石英晶體切割的變化而變化。所謂的AT切割，是大多數(shù)QCM表面科學(xué)相關(guān)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)切割方式。與其他石英晶體切割相比，AT切割在室溫附近的溫度系數(shù)很小。然而，即使是AT切割晶體，諧振頻率的溫度依賴性仍然很大，溫度變化對(duì)QCM測(cè)量有很大影響。
另一個(gè)源自石英溫度變化的間接協(xié)同變化因素是電路中參考石英晶體的諧振頻率的變化。參考晶體也由石英制成，也會(huì)很大程度受到源自電路溫度變化的影響。如果電路暴露在大幅度的溫度變化中，這將直接改變測(cè)量的頻率。設(shè)計(jì)精良的電子設(shè)備則采用了一種所謂的“恒溫晶體振蕩器”(OCXO)，這種振蕩器使參考石英晶體保持在恒定溫度(通常遠(yuǎn)高于室溫)，以避免受到環(huán)境溫度變化的影響。

2）本體溶液性質(zhì)的變化
QCM技術(shù)對(duì)本體溶液性質(zhì)的變化非常敏感。大多數(shù)液體的粘度和密度都與溫度有關(guān)，如果這些性質(zhì)發(fā)生變化，將直接影響測(cè)量到共振和耗散讀數(shù)。

3）安裝應(yīng)力的變化
由O圈和觸點(diǎn)傳感器等引起的芯片安裝應(yīng)力總是會(huì)或多或少的存在。共振頻率會(huì)受到這些應(yīng)力的影響,任何壓力的變化將引起f值和d值的變化，因此溫度變化可能改變例如O圈的直徑和彈性性質(zhì)以及測(cè)量室的尺寸(雖然很微量,但仍然存在)。因此，溫度的變化可能導(dǎo)致測(cè)量響應(yīng)中出現(xiàn)應(yīng)力引起的偽信號(hào)。對(duì)于微小的溫度T值變化，這是不太可能發(fā)生的，因此大家一般認(rèn)為相比固有傳感器諧振頻率和本體溶液的粘度和密度變化的影響，應(yīng)力的影響更小。但是如果確實(shí)發(fā)生了，那就非常嚴(yán)重了。并且與其他兩個(gè)因素不同的是，這種影響是不可逆的。

溫度引起的偽信號(hào)會(huì)是什么樣的？
總的來(lái)說(shuō)，根據(jù)溫度變化的性質(zhì)和起源，產(chǎn)生的偽信號(hào)會(huì)以不同的方式表現(xiàn)出來(lái)。例如，取決于變化是快還是慢，以及它們是來(lái)自于樣本還是環(huán)境。例如，如果您在室溫下測(cè)量，然后直接使用冰箱中的低溫樣品，則可能會(huì)發(fā)生由于樣品溫度變化而引起的變化�；�本上，這樣的溫度變化會(huì)引起信號(hào)變化，出現(xiàn)的信號(hào)峰可能非常大，但通常它們會(huì)隨著樣品溫度的平衡而消失，并返回到之前的值。另一方面，環(huán)境溫度的變化將產(chǎn)生信號(hào)的長(zhǎng)期變化，導(dǎo)致被認(rèn)為是基線漂移。溫度引起的安裝應(yīng)力的變化既可以是樣品溫度變化的結(jié)果，也可以是環(huán)境溫度變化的結(jié)果。它們通常表現(xiàn)為一種跳躍或類似階梯式的信號(hào)變化，而不會(huì)返回到以前的基線。

溫度引起的偽信號(hào)有多大？
那么我們討論的是什么程度的失真量呢?與溫度相關(guān)的偽信號(hào)的大小取決于幾個(gè)因素，比如：您是在液體還是空氣中測(cè)量？您在使用什么液體？實(shí)驗(yàn)運(yùn)行的溫度是多少？當(dāng)然還有溫度波動(dòng)的幅度大小和持續(xù)時(shí)間。由三種根本原因中的任何一種引起的溫度偽信號(hào)都可以是幾個(gè)Hz/°C，見(jiàn)圖1。因此，要達(dá)到具有亞Hz靈敏度的可靠測(cè)量，就必須在百分之一的溫度水平上保持長(zhǎng)期的溫度穩(wěn)定性。

圖1：頻率、耗散因子與測(cè)量溫度的函數(shù)。芯片上涂有一層聚苯乙烯薄膜，測(cè)量是在空氣中進(jìn)行，溫度范圍40 - 150°C。在這種情況下，由于基體流體是氣體，主要的溫度效應(yīng)來(lái)自于傳感器諧振頻率的溫度依賴性。耗散讀數(shù)的小跳躍是由于所謂的活性下降，但不在本文的討論范圍內(nèi)。

結(jié)論：
為了獲得可靠的、可重現(xiàn)的QCM數(shù)據(jù)，必須確保穩(wěn)定的測(cè)量溫度。不僅僅是由于石英的固有性質(zhì)，QCM共振頻率也會(huì)隨著溫度的變化而變化；而且溫度變化也會(huì)引起本體溶液性質(zhì)的變化；此外，溫度的變化可能會(huì)改變QCM傳感器的安裝應(yīng)力，這將會(huì)給測(cè)量信號(hào)帶來(lái)不可控的影響。因此，根據(jù)測(cè)量裝置和條件的不同，不受控制的溫度變化可能導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)中的一個(gè)或多個(gè)偽信號(hào)，進(jìn)而影響整個(gè)研究系統(tǒng)的分析。
 
如果想要了解更多和QCM相關(guān)的重要參數(shù)信息請(qǐng)附件中的指南: