Диагностика поверхностных и объемных структурных модификаций различных веществ с использованием пьезокварцевого сенсора (1102807), страница 3
Текст из файла (страница 3)
В работе измерены амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) ПКР,не включенного в генераторную схему. Экспериментально обнаруженазависимость вида АЧХ пьезокварцевого резонатора помещенноговжидкость, от ее физических свойств, таких как вязкость, диэлектрическаяпроницаемость, pН, плотность и температура. При проведении измеренийрегистрировались параметры ПКР, включая его добротность (табл.3).Таблица 3. Зависимость изменения частоты и добротности ПКР отнагрузки на поверхность резонатора.Объект исследованияВоздухВода с одной стороныВода с двух сторонТолуолЭтилацетатИсследовано влияниеУход частоты Δf, кГц07.69017.42011.07011.523Добротность Q1500230387075диэлектрической проницаемости окружающейсреды на изменение частоты ПКР. Высокочувствительный пьезодатчик,погруженный в жидкость с диэлектрической проницаемостью ε, представленкак конденсатор, состоящий из двух цилиндрических металлическихэлектродов с ограниченными размерами, между которыми находитсяпьезокварц (рис.6).
Диэлектрические свойства окружающей датчик среды,обусловлены химическим составом и молекулярной структурой вещества.Такая схема дает возможность рассчитать влияние на резонансную частотуПКР изменения емкости ПКР при погружении его в жидкость.Рис.6. Схема ПКР, помещенного в жидкую среду; r - радиусэлектродов, d - толщина электрода, a - толщина пьезокварца.16При погружении емкость меняется C = C 0 + Δ C , вследствие чего частотаПКР сдвигается на величинуΔ f = ( Δ C / 2C 0 )( ε − 1) f 0где Co – емкость резонатора в вакууме, r – радиус электрода в см, εдиэлектрическая проницаемость.Так как изменение частоты-прямопропорционально значению емкости, то согласно полученному выражениюуход частоты ПКР линейно зависит от диэлектрической проницаемостижидкости.Для измерения ухода частоты ПКР была создана экспериментальнаяустановка.
Пьезорезонатор используется в цепи обратной связи генератора вкачестве частотозадающего элемента. Проведены измерения ухода частотыПКР-датчиков двух разных радиусов при погружении в воду одногоэлектрода или обоих электродов.Методы измерения диэлектрической проницаемости достаточно сложны инедостаточно информативны для специальных задач, требующих меньшеговремени измерения и определенных условий эксперимента. Был предложендостаточно простой в реализации способ измерения диэлектрическойпроницаемости, основанный на изменении базовой частоты ПКР, какемкости, погруженной в жидкость.ε æ = 1 + ( Δ f / f 0 )( 2C 0 / Δ C ) ,или ε æ = 1 + K Δ f.Изменение емкости приводит к изменению частоты его собственныхколебаний, что регистрируется нашей установкой (рис. 7).17εРис.
7. График зависимости ухода базовой частоты ПКР отдиэлектрической проницаемости ε окружающей жидкой среды.Производились измерения диэлектрической проницаемости бинарнойсмеси «этиловый спирт-вода» при комнатной температуре (200С) дляследующих объемных концентраций спирта: 0, 2, 4, 6, 10, 30, 40, 50, 70, 90 и96% (рис.
8). Компоненты смеси обладают близкими значениями вязкости(ρэтанол =10.8 мпз, ρвода = 10.1 мпз) и плотности при комнатной температуре.εРис. 8. Зависимость диэлектрической проницаемости ε от объемныхконцентраций системы «этанол-вода».18Участок графика от 4% до 96% (за исключением точки 40%) на рис. 8хорошо апроксимируется наклонной прямой. Таким образом, в этихдиапазонах данная смесь является классической, и разбавление носитаддитивный характер, то есть, при добавлении агента с большойдиэлектрическойпроницаемостипроницаемостью,смесивеличинаувеличиваетсялинейно.диэлектрическойСуществуетметодикабесконечного разбавления.
По этой методике, определяемая величина длясмеси при бесконечном приближении к чистому веществу должна быть равнаизмеряемойвеличинеэтоговещества.Внашемслучае,ходаппроксимирующей прямой для смеси дает диэлектрическую проницаемостьчистой воды εвода = 59. Но в действительности мы имеем резкую нелинейнуюособенность,регистрирующуюсянашейизмеренной величины и результатанельзясвестик(математическойнедостаткамиустановкой.междуаппроксимации достигает 40%, чтометодикиаппаратной).РазницаиПолученныеошибкамэкспериментарезультатыпозволяютпромоделировать взаимодействие спирта с водой.
Вызывает интересизучение характеристик жидкостей, полученных при помощи иных методовсмешивания, подвергая смесь воздействию жестких и мягких методоввозмущенияструктуры,аименно:механических,акустических,электрических, электромагнитных и т.д.В Заключении обсуждаются полученные результаты и их практическоеприменение при решении проблем пьезокварцевого микровзвешивания иприводятся выводы.1. Экспериментально исследованы новые способы использования ПКР вкачестве магнитного, биохимического и диэлектрического сенсора.
Созданыоригинальные установки для проведения калибровочных и контрольныхэкспериментов. С помощью разработанных сенсоров проведены измерениямолекулярныхслоев,индукциимагнитногополя,диэлектрическойпроницаемости жидкостей, концентрации паров летучих веществ и вирусов врастворах.192.
Проведено изучение сорбционных свойств толстых слоев на поверхностиПКР. Получены кривые сорбции-десорбции паров сложных углеводородов взамкнутом объеме с аргоновой средой, позволяющие точно определитьконцентрации толуола, нафталина, нитробензола, антрацена, пиридина и т.п.3. С помощью ПКР с нанесенным поверхностным слоем из «магнитнойжидкости» выполнены измерения слабых магнитных полей с индукциейпорядка нескольких мТл.
Сравнение с контрольными измерениями индукциис помощью миллитесламетра показало, что смещение частоты ПКР линейнозависит от индукции магнитного поля.4. Проведена иммобилизация антител к вирусу картофеля на поверхностьПКР и показано, что применение метода пьезокварцевого микровзвешиваниясокращает время определения антигена вируса в суспензиях с двадцатичетырех часов при типичных биохимических измерениях до двух часов.5. На основе эффекта зависимости частоты ПКР от диэлектрическойпроницаемости жидкости, в которую он помещен, экспериментальноотмечены структурные изменения в бинарной смеси «вода-этанол»приразных концентрациях компонент. В области малых концентраций этанолаобнаружено отклонение от прямо пропорциональной зависимости, чтодолжно свидетельствовать о наличии структурных неоднородностей смеси.Основные результаты диссертации представлены в следующих работахавтора:1.
А.Ю. Фадеев, Ю.К. Алешин, Г.В. Лисичкин. Адсорбционныесвойства химически модифицированных пьезокварцевых резонаторов спленочными кремнеземными покрытиями. // ЖФХ. - 1994. - т. 68. - № 3. С.139.2. А.Ю. Фадеев, А.А. Ельцов, Ю.К. Алешин, С.И. Малышенко, Г.В.Лисичкин. Жидкостный химически модифицированный кварцевыйрезонатор, как иммуносенсор. // ЖФХ. - 1994. - т. 68. - № 11. С. 2071-2075.3. Ю.К. Алешин, А.П. Сухоруков, И.А Суханов.
Диэлектрометрияжидких сред с помощью пьезокварцевого резонатора. // ВестникМосковского университета. Серия 3. Физика и астрономия. – 2008, № 4, С.54-56.4. Ю.К. Алешин, А.П. Сухоруков. Экспериментальное определениечувствительности пьезокварцевого микровзвешивания с помощью20электрохимического метода. // Вестник Московского университета. Серия 3.Физика и астрономия. – 2008. № 5, С. 36-38.5. Ю.К. Алешин, А.Ю.
Фадеев, Г.В. Лисичкин. Применениепьезокварцевых резонаторов с модифицированной поверхностью электродов.// Труды IV конференции «Химики Северного Кавказа». Махачкала, 21-24мая 1996 г. С. 34-35.6. Ю.К. Алешин, А.Ф. Королев, В.М. Шахпаронов, А.В. Шелудченков.Методические и метрологические аспекты электромагнитной совместимостипри проведении радиофизических экспериментов. // Труды VIIВсероссийской школы-семинара “Физика и применение микроволн”.Московская область, 24-30 мая 1999 г. Т. 1. С.
102 - 103.7. Ю.К. Алешин. Селективные датчики на основе пьезокварцевыхрезонаторов. // Труды 7-ой Всероссийской научно-технической конференции«Состояние и проблемы измерений». Москва, МВТУ им. Н.Э. Баумана, 28-30ноября 2000 г. С. 162-163.8. Ю.К. Алешин, А.П. Сухоруков. Применение пьезокварцевогорезонатора для исследования диэлектрической проницаемости жидкостей. //Труды VII Всероссийской школы-семинара “Волновые явления внеоднородных средах”. Московская область, 22-27 мая 2000 г.С. 51 - 53.9. Ю.К.
Алешин, Н.Б. Шашкова. Измерения коэффициентадиэлектрической проницаемости жидкостей. // Труды VIII Всероссийскойшколы-семинара “Физика и применение микроволн”. Московская область,21-37 мая 2001 г. Т. 1. С. 11 - 12.10. Ю.К.Алешин,А.П.Сухоруков.Исследованиедействияраспределенной поверхностной силы на характеристики пьезокварцевогорезонатора. // Труды IX Всероссийской школы-семинара “Физика иприменение микроволн”. Московская область, 26-30 мая 2003 г. С. 129 - 130.11. Ю.К. Алешин, О.C. Соколова, А.А. Кудринский.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
