[发明专利]一种基于压电体声波谐振式传感器的液体属性测量方法

说明书

技术领域

本发明属于电子测量技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于压电体声波谐振式传感器的液体属性测量方法，用于液体密度、粘度的测量方法，可以应用于化学、材料、生物以及物理等领域。

背景技术

分析化学以及生物医学领域的绝大多数检测对象都是在液体环境中，所以必须要对液体进行分析。而分析液体特性时，我们通常关注它的密度、粘度等液体属性。

测量液体的粘度、密度时，传统的方法是用电子天平以及粘度计分开测量。首先用分析天平称量已知体积的待测液体的质量，应用公式(1)进行计算得到密度：

然后，用粘度计(比如旋转式粘度计、超声波式粘度计、毛细管粘度计等)测量得到液体的粘度。上述方法在分析化学以及生物医学领域存在一定的局限和不足，主要表现如下：

(1)、现有的分析天平精度最高只能达到微克量级，而在分析化学以及生物医学领域很多场合需要更高的测量精度；

(2)、分析化学以及生物医学领域中，很多样品的价格非常昂贵，而传统的测量方法所需的样品量比较大；

(3)、传统的方法不能在线、实时的给出测试数据的分析结果。

基于压电体声波谐振式传感器的液体属性测量方法可以在一定程度上弥补上述不足，压电体声波谐振式传感器的应用在开始逐渐成为的研究热点。

基于压电体声波谐振式传感器(包括陶瓷材料和石英晶体材料)的压力传感器已有产品问世。基于石英晶体材料的QCM(石英晶体微天平)传感器也在生物、化学、物理等领域得到越来越多的应用。但是，应用压电体声波谐振式传感器进行液体属性分析的相关研究还不多。

到目前为止，只有为数不多的几篇论文研究了基于QCM(石英晶体微天平)传感器的未知溶液的密度、粘度测量方法，但是都还存在一定的缺陷和不足。K.K.Kanazawa,J.G.Gordon等人证明了QCM传感器的频率变化与其接触液体的属性(即密度粘度的乘积项)存在一定的对应关系(见论文K.K.Kanazawa,J.G.Gordon,Frequency of a quartz microbalance in contact with liquid,Anal.Chem.57(1985)1770–1771)，但是他们忽略了液体的质量也会使得QCM传感器的频率发生变化这一事实。Ward,M.D和Buttry,D.A等人于1990年在《Science》上发表的论文“In situ interfacial mass detection with piezoelectric transducers，Science 1990,249,1000-1007”证实QCM表面的液体质量也会使其产生频率偏移，后来Schumacher团队以及A.R.Loveday团队也验证了该结论的正确性(见论文Schumacher,R.Angew.Chem.Int.Ed.Engl.1990,29,329-343；Hillman,A.R.；Loveday,D.C.；Swam,M.J.J.Chem.Soc.Faraday Trans.1991,87,2047-2053)。Martin等人补充了液体的质量效应对QCM传感器的频率变化影响(见论文Stephen J.Martin,*Victoria Edwards Granstaff,and Gregory C.Frye,Characterization of a Quartz Crystal Microbalance with Simultaneous Mass and Liquid Loading,Anal.Chem.1091,63,2272-2281)。

但是，他们认为只用一个QCM传感器不可能分离出液体的粘度和密度，并于1993年提出了用2个QCM传感器测量的方法，申请了专利(专利号：US005201215)。该方法中，一个表面光滑，只对液体的密度粘度乘积项有响应；另一个表面有纹路，除了对液体的密度粘度乘积项有响应外，还一个附加响应，该附加响应只与液体的密度有关。2009年，N.Doy、G.McHale以及M.I.Newton等人在Martin的研究基础上进行了更进一步的研究，提出了基于双QCM传感器测量的液体粘度、密度显性表达式(见论文“Separate Density and Viscosity Determination of Room Temperature Ionic Liquids using Dual Quartz Crystal Microbalances”)。