WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Было отмечено, что срыв генерации (перегрузка) ПКР происходил независимо от природы покрытия при уменьшении базовой частоты колебаний на 1.6 кГц в схеме «емкостная трехточка». Максимальное количество покрытия (по весу), которое можно было нанести на использованные в работе резонаторы, составляло 13 и 8 мкг для Аэросила и ТЭОСа соответственно. При нанесении "больших" количеств адсорбента наблюдалась низкая воспроизводимость свойств получаемых покрытий, что, может быть связано с «жесткостью» покрытий. Выявлено, что толщины слоев являются кратными значению монослоя. Сделан вывод, что сорбирующее вещество на поверхности ПКР самоорганизуется по слоям в процессе нанесения.

Были созданы и эксплуатировались установки для измерения концентраций поверхностно-активных веществ, сложных ароматических углеводородов, фрагментов биохимических структур, вирусов, опиятов, канцерогенов и т.д.

Для описания работы ПКР-датчика в условиях нагрузки необходимо определить характер влияния распределенной по поверхности ПКР внешней силы. Использовался ПКР с нанесенным тонким магнитным слоем.

Неоднородное внешнее магнитное поле действует на нанесенный магнитный слой и меняет частоту колебаний ПКР. Для проверки метода регистрации магнитного поля с помощью пьезосенсора была создана экспериментальная установка (рис. 2).

Рис. 1. Блок-схема установки. 1- блок питания, 2-генератор, 3-ПКР с магнитным слоем,4-магнит, 5- частотомер, 6-осциллограф.

Покрытием служила магнитная жидкость, сорбирующаяся на кристаллах серебра электрода ПКР. Магнитная жидкость состоит из искусственно выращенных кристаллов магнетита Fe3O4, размер которых 10 нм, помещенных в стабилизатор (олеиновая кислота). Молекулы олеиновой кислоты являются линейными и их размер 2 нм. Кристаллы магнетита химически связываются со стабилизатором и представляют собой частицы с размерами 1215 нм. Плотность магнитной жидкости при 20°С равна 1.г/см2, вязкость 15.99 спуаз. Частицы такого размера легко попадают в поры электродов, размер которых гораздо больше. Получена зависимость частоты ПКР от расстояния между магнитом и поверхностью резонатора. Толщина нанесенного покрытия, рассчитанная по формуле Сейербрея, была равна 8·10-7 м.

Экспериментальные данные были обработаны и в результате получено выражение, описывающее гиперболическую кривую Y= -0.45 + 4.6/X2, где Y- изменение частоты сенсора в кГц, X- расстояние от поверхности сенсора до магнита в мм (рис. 2).

Рис 2. Зависимость изменения частоты генератора от расстояния между магнитом и ПКР.

Индукция магнитного поля используемого магнита была измерена с использованием миллитесламетра МЦРМИ ТП2-2У (диаметр датчика 1 см).

Точность измерения индукции 0,1 мТл. Полученная гипербола была сравнена с экспериментальной кривой. В результате определена экспериментальная зависимость изменения частоты генератора от величины индукции магнитного поля, носящая линейный характер (рис. 3).

0,0,0,0,0,0,0,0,0,0 20 40 60 80 100 120 140 160 Индукция магнитного поля, мТл Рис. 3. Экспериментальная зависимость ухода частоты генератора от индукции неоднородного магнитного поля.

В третьей главе представлены результаты исследований особенностей изготовления сенсоров с многослойными селективными покрытиями для количественного определения концентраций сложных химических и биохимических субстанций в жидких средах. Химически модифицированные металлические электроды ПКР должны быть оптимизированы по структуре и по составу для решения задач анализа состава растворов.

Пьезокварцевый сенсор состоит из ПКР с нанесенными на электроды многослойными покрытиями, селективно взаимодействующими с массой исследуемого вещества. Контролируемый процесс измерения толщины нанесенных покрытий приводит к оптимизации массы каждого слоя, что позволяет расширить рабочий диапазон датчика. Частотный диапазон ПКР состоит из изменения частоты из-за нанесенного покрытия (технологическая часть) и ухода частоты из-за присоединенной определяемой массы (рабочий диапазон). Было проведено контролируемое изготовления сенсора на овальбумин, вещество, моделирующее большой класс органических молекул, Уход частоты, кГц широко применяемых в химической технологии. Для проведения иммунохимических реакций использовался конъюгат яичного альбумина (овальбумина) с морфином, овальбумин, сыворотки крови человека и кролика, содержащие специфические антитела к морфину, и стандартный раствор морфина с концентрацией 1000 мкг/мл. На ПКР, погруженный в жидкость, проводилось последовательное нанесение шести слоев: 1 - тетратоксисилан, 2 - аминопропилтриэтоксисилан, 3 - глутаровый альдегид, - овальбумин, 5 - трис и 6 - антитела к овальбумину. На каждой стадии модифицирования в начале и в конце реакции измеряли частоту резонатора в растворе модификатора. Результаты измерений при создании датчика на овальбумин приведены в табл. 1.

Таблица 1. Результаты измерений ухода частоты ПКР при контроле создания датчика на овальбумин.

Номер слоя Характеристика слоя Уход частоты, Гц 1 полислой 2 полислой 3 монослой 4 монослой 5 островковое покрытие 6 монослой Наращивание слоя прекращалось после того, как его толщина превосходила размер молекулы, т. е. превышала толщину монослоя. Для изготовленного датчика был рассчитан рабочий диапазон микровзвешивания - 20.6 мкг овальбумина. Это ограничило значение присоединенной массы, которое могло быть измерено в данных условиях. Данный результат, по нашей оценке, превосходит в два раза рабочий диапазон сенсора при неконтролируемом нанесении рабочего слоя.

Проведен эксперимент по количественному определению вируса картофеля в режиме реального времени. Исследовался режим многократного применения одного ПКР и восстановления его чувствительности. В работе использовалась бидистиллированная вода, суспензии вируса картофеля, антител к этому вирусу, антиген ВТМ, а также суспензия-субстрат зараженного листа картофеля с неизвестным содержанием вируса (образцы были предоставлены кафедрой вирусологии биологического факультета МГУ). Для химического модифицирования поверхности ПКР использовались растворы -аминопропилтриэтоксисилана (-АПТЭС) в воде, тетраэтоксисилана (ТЭОС) в воде и - бромпропилтрихлорсилана (-БПТХС) в метаноле. Адсорбцию и десорбцию антигенов определяли по изменению частоты ПКР - генератора. Антигены, связанные с антителами, удалялись HCl-глициновым буфером с pH равным 2.4.

Таблица. 2. Изменение частоты колебаний резонатора для трех типов подготовки электрода: 1) необработанный, 2) обработанный NaOH, 3) механически обработанный.

d, f, Гц Материал слоя 1 2 3 1 2 -АПТЭС 170 320 445 220 95 ГА 180 170 155 135 7 Антитела 130 125 80 85 50 Трис 40 35 25 25 20 В качестве связующего элемента между белками и модифицированным кварцевым кристаллом был выбран бифункциональный сшивающий агент - глутаровый альдегид (ГА). Применение трихлорсилана и проведение реакции во влажном растворителе приводит к поликонденсации с образованием пленки модифицированного слоя. Как видно из табл. 2 результирующий уход частоты f изменяется в зависимости от способа предварительной обработки, и наиболее глубокая модификация происходит в случае механической подготовки электрода. На активированной поверхности резонатора из фосфатного буфера были иммобилизированы антитела вируса картофеля (рис. 4).

Рис. 4. Схема анализа антигена вируса картофеля на поверхности сенсора.

Иммунохимическая реакция на поверхности ПКР проводилась с серией растворов ХВК в фосфатном буфере (рН 7) с концентрацией 4·10-7 - 6·10-мг/мл. Изменение частоты для раствора с одной концентрацией было воспроизводимо при 3 - 5 измерений. Полученные результаты представлены в виде графика (рис. 5).

Рис. 5. Градуировочный график для определения концентрации антигена вируса картофеля в растворе.

На количественное измерение было затрачено 2 часа. На определение, проведенное по классическим качественным методикам, необходимо 24 часа.

В четвертой главе представлены отдельные методы применения ПКР- сенсора для изучения свойств жидких сред.

Погружение ПКР-сенсора в жидкую среду изменяет условия его функционирования и приводит к особым режимам работы генератора с ПКР, как частотозадающим элементом. Предложена методика определения величины присоединенной массы с использованием установки для анализа АЧХ. В работе измерены амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) ПКР, не включенного в генераторную схему. Экспериментально обнаружена зависимость вида АЧХ пьезокварцевого резонатора помещенного в жидкость, от ее физических свойств, таких как вязкость, диэлектрическая проницаемость, pН, плотность и температура. При проведении измерений регистрировались параметры ПКР, включая его добротность (табл.3).

Таблица 3. Зависимость изменения частоты и добротности ПКР от нагрузки на поверхность резонатора.

Объект исследования Уход частоты f, кГц Добротность Q Воздух 0 Вода с одной стороны 7.690 Вода с двух сторон 17.420 Толуол 11.070 Этилацетат 11.523 Исследовано влияние диэлектрической проницаемости окружающей среды на изменение частоты ПКР. Высокочувствительный пьезодатчик, погруженный в жидкость с диэлектрической проницаемостью, представлен как конденсатор, состоящий из двух цилиндрических металлических электродов с ограниченными размерами, между которыми находится пьезокварц (рис.6). Диэлектрические свойства окружающей датчик среды, обусловлены химическим составом и молекулярной структурой вещества.

Такая схема дает возможность рассчитать влияние на резонансную частоту ПКР изменения емкости ПКР при погружении его в жидкость.

Рис.6. Схема ПКР, помещенного в жидкую среду; r - радиус электродов, d - толщина электрода, a - толщина пьезокварца.

C = C0 + C При погружении емкость меняется, вследствие чего частота ПКР сдвигается на величину f = (C / 2C0 )( - 1) fгде Co – емкость резонатора в вакууме, r – радиус электрода в см, - диэлектрическая проницаемость. Так как изменение частоты прямо пропорционально значению емкости, то согласно полученному выражению уход частоты ПКР линейно зависит от диэлектрической проницаемости жидкости.

Для измерения ухода частоты ПКР была создана экспериментальная установка. Пьезорезонатор используется в цепи обратной связи генератора в качестве частотозадающего элемента. Проведены измерения ухода частоты ПКР-датчиков двух разных радиусов при погружении в воду одного электрода или обоих электродов.

Методы измерения диэлектрической проницаемости достаточно сложны и недостаточно информативны для специальных задач, требующих меньшего времени измерения и определенных условий эксперимента. Был предложен достаточно простой в реализации способ измерения диэлектрической проницаемости, основанный на изменении базовой частоты ПКР, как емкости, погруженной в жидкость.

= 1 + ( f / f0 )(2C0 / C), = 1 + K f или.

Изменение емкости приводит к изменению частоты его собственных колебаний, что регистрируется нашей установкой (рис. 7).

Рис. 7. График зависимости ухода базовой частоты ПКР от диэлектрической проницаемости окружающей жидкой среды.

Производились измерения диэлектрической проницаемости бинарной смеси «этиловый спирт-вода» при комнатной температуре (200С) для следующих объемных концентраций спирта: 0, 2, 4, 6, 10, 30, 40, 50, 70, 90 и 96% (рис. 8). Компоненты смеси обладают близкими значениями вязкости (этанол =10.8 мпз, вода = 10.1 мпз) и плотности при комнатной температуре.

Рис. 8. Зависимость диэлектрической проницаемости от объемных концентраций системы «этанол-вода».

Участок графика от 4% до 96% (за исключением точки 40%) на рис. хорошо апроксимируется наклонной прямой. Таким образом, в этих диапазонах данная смесь является классической, и разбавление носит аддитивный характер, то есть, при добавлении агента с большой диэлектрической проницаемостью, величина диэлектрической проницаемости смеси увеличивается линейно. Существует методика бесконечного разбавления. По этой методике, определяемая величина для смеси при бесконечном приближении к чистому веществу должна быть равна измеряемой величине этого вещества. В нашем случае, ход аппроксимирующей прямой для смеси дает диэлектрическую проницаемость чистой воды вода = 59. Но в действительности мы имеем резкую нелинейную особенность, регистрирующуюся нашей установкой. Разница между измеренной величины и результата аппроксимации достигает 40%, что нельзя свести к недостаткам методики и ошибкам эксперимента (математической и аппаратной). Полученные результаты позволяют промоделировать взаимодействие спирта с водой. Вызывает интерес изучение характеристик жидкостей, полученных при помощи иных методов смешивания, подвергая смесь воздействию жестких и мягких методов возмущения структуры, а именно: механических, акустических, электрических, электромагнитных и т.д.

В Заключении обсуждаются полученные результаты и их практическое применение при решении проблем пьезокварцевого микровзвешивания и приводятся выводы.

1. Экспериментально исследованы новые способы использования ПКР в качестве магнитного, биохимического и диэлектрического сенсора. Созданы оригинальные установки для проведения калибровочных и контрольных экспериментов. С помощью разработанных сенсоров проведены измерения молекулярных слоев, индукции магнитного поля, диэлектрической проницаемости жидкостей, концентрации паров летучих веществ и вирусов в растворах.

2. Проведено изучение сорбционных свойств толстых слоев на поверхности ПКР. Получены кривые сорбции-десорбции паров сложных углеводородов в замкнутом объеме с аргоновой средой, позволяющие точно определить концентрации толуола, нафталина, нитробензола, антрацена, пиридина и т.п.

3. С помощью ПКР с нанесенным поверхностным слоем из «магнитной жидкости» выполнены измерения слабых магнитных полей с индукцией порядка нескольких мТл. Сравнение с контрольными измерениями индукции с помощью миллитесламетра показало, что смещение частоты ПКР линейно зависит от индукции магнитного поля.

4. Проведена иммобилизация антител к вирусу картофеля на поверхность ПКР и показано, что применение метода пьезокварцевого микровзвешивания сокращает время определения антигена вируса в суспензиях с двадцати четырех часов при типичных биохимических измерениях до двух часов.

5. На основе эффекта зависимости частоты ПКР от диэлектрической проницаемости жидкости, в которую он помещен, экспериментально отмечены структурные изменения в бинарной смеси «вода-этанол» при разных концентрациях компонент. В области малых концентраций этанола обнаружено отклонение от прямо пропорциональной зависимости, что должно свидетельствовать о наличии структурных неоднородностей смеси.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»