Измерение массы наночастиц

Министерство образования и  науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное  образовательное учреждение

высшего профессионального образования

 

 

Кафедра

 

 

 

ИЗМЕРЕНИЕ МАССЫ  НАНОЧАСТИЦ

 

 

Пояснительная записка к курсовой работе по дисциплине

«Экспериментальные методы исследования и метрология»

 

 

 

 

 

  Выполнил:

_____

 

 

 

Проверил:

______

 

 

 

 

Министерство образования и  науки Российской Федерации

 

 

Кафедра физической электроники (ФЭ)

 

 

 

 

 

УТВЕРЖДАЮ

 

 

 

 

ЗАДАНИЕ

По курсовой работе по дисциплине

«Экспериментальные методы исследования и метрология»

 

 

 

студенту      

группа           факультет      

1. Тема проекта:      Измерение массы наночастиц

 

2. Содержание пояснительной записки:

2.1  Методы резонансного микровзвешивания

2.2  Оценка теоретически возможной разрешающей способности резонансного 

метода измерения массы

3. Сравнение различных методов регистрации резонансных частот механических датчиков
4. Анализ результатов экспериментов, выполненных в данной области
5. Сравнительный анализ методов определения массы наночастиц

 

Дата выдачи задания

Руководитель:

_______________

 

3. Срок сдачи законченного проекта

 

Задание приняла к исполнению

______________

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

 

Курсовая работа 26 стр., 10 рис., 5 источника.

ПЬЕЗОКВАРЦЕВЫЙ РЕЗОНАТОР, МЕТРОЛОГИЯ, ПОГРЕШНОСТЬ, МИКРОВЗВЕШИВАНИЕ

Объектом изучения являются методы микровзвешивания наноразмерных частиц.

Целью настоящей работы является литературный обзор и анализ современных методов  микровзвешивания.

В процессе работы был проведен литературный обзор методик регистрации микроотклонений и определения сверхмалых масс.

В результате работы был сделан вывод  о приемлемости использования пьезокварцевых резонаторов (ПКР) и кантилеверных  резонаторов на производстве и в  исследовательских лабораториях.

Данный текстовый документ подготовлен в среде Microsoft Word 2003.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ABSTRACT

 

Report by discipline “Experimental methodic research and metrology”  26 pages, 10 paints, 5 sources.

PIESOELECTRIC RESONATOR, METROLOGY, INACCURCY, MICROBALANCE.

The object of research is methodic of micro weigh.

The purpose of this work is literature research and analysis modern methodic of micro weigh.

There have been done literature analyses of methodic registration micro deviation and micro weigh.

The result of work is a conclusion of prospect using piezo- quarts and cantilever in research and factory.

This text document was created in package Microsoft Office 2003.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………………………...7

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР……………………………………………………………8

   1.1 Методы резонансного микровзвешивания…………………………………….………8

   1.2 Оценка теоретически возможной разрешающей способности резонансного метода измерения массы………………………………………………………………………………..10

2 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ…………………………………………………………….13

3 ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ……...…………………………………………………...14

   3.1 Сравнение различных методов регистрации резонансных частот механических датчиков…………………………………………………………………………………………14

   3.2 Анализ результатов экспериментов, выполненных области резонансного микровзвешивания……………………………………………………………………………...22

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………………………..25

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………………………………26

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

 

Одним из наиболее перспективных и востребованных направлений развития современной науки является разработка нанотехнологий - совокупности методов   получения и использования наночастиц.  Наночастицы с каждым днем находят все больше применений в различных областях науки и техники. На данный момент актуальным является вопрос обнаружения этих объектов нанотехнологий и измерения их массы. Существует много методов измерения масс наночастиц, но мы рассмотрим только методы резонансного микровзвешивания.

Актуальность курсовой работы определяется необходимостью измерений сверхмалых масс практически во вcех областях знаний – начиная от биологии и заканчивая нанотехнологиями.

Целью данной работы являлось проведение литературного обзора и анализ современных  методик микровзвешивания.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 МЕТОДЫ РЕЗОНАНСНОГО  МИКРОВЗВЕШИВАНИЯ

 

1.1 Физическая основа  методов микровзвешивания

 

Метод резонансного микровзвешивания основан на явлении изменения  частоты колебаний механического  устройства с изменением его массы. В атомных весах с чувствительностью на уровне традиционно используются кремниевая микроконсоль (кантилевер) и оптическая система регистрации ее положения. Кантилевер и система регистрации для этого прибора заимствованы у атомно-силового микроскопа (АСМ).

Очевидно, резонансная  частота поперечных колебаний кантилевера  изменяется, если к нему прикрепить микроскопический объект. Измерив резонансную  частоту такого нагруженного кантилевера  и зная частоту его колебаний  в свободном состоянии, можно определить массу добавленного объекта. Такой метод может применяться для создания сенсоров. Для этого на кантилевер прикрепляют микроскопическую частицу сорбента и, измерив ее массу до и после сорбции, определяют количество поглощенного вещества.

Колебания кантилевера возбуждаются вмонтированной в держатель пьезокерамической пластиной, амплитуда колебаний определяется по амплитуде сигнала, поступающего с фотодиода. Резонансная частота прямоугольного кантилевера выражается формулой

,

где E - модуль упругости материала, ρ - плотность, L и t - соответственно длина и толщина кантилевера.

,

где I - геометрический момент инерции сечения балки, ее масса, - ный положительный корень уравнения:

При прикреплении микроскопического  объекта массой M частота кантилевера  уменьшается (обычно измерения проводятся на нижней гармонике), и добавленная  масса вычисляется через жесткость k по формуле:

 

Широко применим метод измерения  масс наночастиц с помощью кварцевых  весов.

Кварцевые микровесы- инструмент измерения массы, принцип работы которого основан на зависимости частоты колебаний кварцевого резонатора (датчика микровесов) от количества вещества, нанесенного на его поверхность. В них изменения эквивалентных параметров резонаторов происходят за счет наращивания массы, т.е. процесса сорбции вещества, либо уменьшения присоединенной массы, т.е. процесса десорбции вещества.

Основу кварцевых микровесов составляет кварцевая пластина, вырезанная из монокристалла кварца под определенным углом. Сверху и снизу этой пластины нанесены золотые электроды. При  подключении к этим электродам переменного  напряжения пластина начинает колебаться за счет явления обратного пьезоэффекта. При определенной частоте переменного напряжения в такой колебательной системе наступает резонанс. При осаждении вещества на поверхности этого устройства происходит изменение резонансной частоты пластины, на основании которого рассчитывается масса осажденного вещества.

Благодаря тому, что кварцевые микровесы  могут работать не только в вакууме  и на воздухе, но и в жидкости, они получили широкое распространение  в биохимии. Например, иммобилизовав  на поверхности весов, распознающие биомолекулы, специфически захватывающие из раствора определяемое вещество, получают один из вариантов биосенсора. Наибольшее распространение получили иммунобиосенсоры, распознающие антитела, и ДНК- биосенсоры, распознающие короткие фрагменты ДНК или РНК.

Основные достоинства кварцевых микровесов следующие:

1) высокая чувствительность, достигающая 2,5 МГц/мг. Разрешающая способность масс- чувствительных резонаторов достигает 10^-9 г, что на три порядка выше, чем у лучших микровесов других типов. Погрешность лучших микровесов составляет 1 -2%;

2) универсальность. К измерению  методом микровзвешивания сводятся  измерения множества параметров: толщины пленок, влажности, состава  газовых смесей, давления, температуры,  концентрации микропримесей,  коррозионной стойкости, окислительной стабильности, растворимости, упругости паров, различных физико-химических параметров веществ и тд.;

3) работоспособность в широком  диапазоне температур (от абсолютного  нуля до 500-550 °С) ;

4) независимость результатов измерений от значения силы тяжести и положения в пространстве (изменения резонансной частоты преобразователя достигаются за счет вариаций инерционных сил на поверхности колеблющегося пьезоэлемента). Эта особенность позволяет использовать кварцевые микровесы в условиях невесомости, допускает их работу в произвольном положении относительно гравитационного поля;

5) малые габаритные размеры,  высокая устойчивость к ударам, вибрациям, большая химическая  и радиационная стойкость, возможность  применения для измерений в вакууме (кварцевые резонаторы практически не загрязняют окружающую атмосферу) ;

6) невысокая стоимость и доступность  .

Характерными недостатками кварцевых микровесов являются:

1) невысокий ресурс работы при  использовании в качестве измерителей  толщины покрытий. В общем случае суммарная толщина покрытия не должна превышать нескольких микрон. При больших толщинах качество резонатора и точность измерения из-за потерь в пленке существенно снижаются. В принципе можно идти на снятие нанесенных слоев, например, их стравливанием, однако подобная процедура допускается не более 8-10 раз. При большом числе циклов резонатор нередко выходит из строя;

2) воздействие температуры.  Для обеспечения порога чувствительности микровесов на уровне кг. требуется весьма жесткий контроль температуры и уровня возбуждения резонатора.

 

1.2 Оценка теоретически  возможной разрешающей способности  резонансного метода измерения  массы [2]

 

Оценим фундаментальный предел чувствительности резонансных устройств.

При прикреплении микроскопического объекта массой M частота кантилевера уменьшается (обычно измерения проводятся на нижней гармонике), и добавленная масса вычисляется через жесткость по формуле:

Минимальное приращение , которое может быть зарегистрировано через R, , добротность Q, полосу частот измерительной системы и динамический диапазон DR. Динамический диапазон равен выраженному в децибелах отношению  эффективной энергии резонатора к характерной энергии теплового движения :

отклик системы и определяется как  (знак « - » указывает на то, что при присоединении массы резонансная частота уменьшается )

где резонансная частота , жесткость, эффективная масса.

Приведенная масса связана с термомеханическими колебаниями, которые вызывают соответствующий шум в измерительной цепи. Другие факторы, определяющие порог чувствительности резонансного сенсора – это колебание температуры, шум, связанный с процессами адсорбции и десорбции молекул на поверхности резонатора, и его движение как броуновской частицы.

Диапазон механических шумовых  колебаний шума кантилевера выражается

следующей формулой:

,

где среднее значение отклонение катиливера, температура, жесткость , константа Больцмана.

Таким образом, для уменьшения требуется увеличение динамического диапазона (минимизация внутренних шумов системы), расширение рабочей полосы частот и увеличение чувствительности . С учётом , это означает увеличение частоты резонатора и уменьшение его массы, то есть миниатюризация.