30 marca 2011 r.Kwantowe nanostruktury do zastosowań w biologii i medycynie – Seminarium w IChF

KWANTOWE NANOSTRUKTURY PÓŁPRZEWODNIKOWE

DO ZASTOSOWAŃ W BIOLOGII I MEDYCYNIE -

ROZWÓJ I KOMERCJALIZACJA NOWEJ GENERACJI URZĄDZEŃ

DIAGNOSTYKI MOLEKULARNEJ OPARTYCH

O NOWE POLSKIE PRZYRZĄDY PÓŁPRZEWODNIKOWE

Projekt nr.: POIG 01.01.02-00-008/08

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnegow ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka.

30 marca 2011 r.Kwantowe nanostruktury do zastosowań w biologii i medycynie – Seminarium w IChF

Ocena możliwości skonstruowania wagi kwarcowej dla układów mikrofluidycznych

Piotr Garstecki, Paweł Jankowski, Jacek A. Michalski

Adam Samborski, Tomek Szymborski

Instytut Chemii Fizycznej PAN

30 marca 2011 r.Kwantowe nanostruktury do zastosowań w biologii i medycynie – Seminarium w IChF

Historia „ważenia” ma ponad 4000 lat. W tym czasie zmieniały się urządzenia i stosowane systemy miar i wag.

30 marca 2011 r.Kwantowe nanostruktury do zastosowań w biologii i medycynie – Seminarium w IChF

W komercyjnie dostępnych wagach kwarcowych stosuje się dyskowe rezonatoryo średnicach 12.5÷14 mm (0.49÷0.55”) zamontowane w dolnej części naczynia pomiarowego. Analizowana ciecz zwilża tylko jedną stronę rezonatora.

W trakcie swojej pracy rezonator oscyluje, a przyrost masy substancji zaadsorbowanej na jego powierzchni powoduje proporcjonalne zmniejszenie częstotliwości oscylacji.

Model Sauerbreya (1959)Model Kanazawy (1989)

Zeitschrift für Physik, 155, 206-222 (1959)J. Appl. Phys., 68(5), 1993-2001 (1989)

30 marca 2011 r.Kwantowe nanostruktury do zastosowań w biologii i medycynie – Seminarium w IChF

Dostępne komercyjnie rezonatory kwarcowe, przeznaczone do montażu powierzchniowego (SMD) wykonują drgania mechaniczne w nieco innym modzie.

Dla pracy w ośrodku gazowym lub w próżni ich elektroniczny schemat zastępczy jest taki sam jak rezonatorów stosowanych w konwencjonalnych wagach kwarcowych.Jednak w przypadku ośrodka ciekłego, oprócz sił lepkościowych, może pojawić się również siła bezwładności związana z drganiem fazy ciągłej.W efekcie można spodziewać się, że dyssypacja energii (w przeliczeniu na jednostkę powierzchni) będzie większa w przypadku tych rezonatorów.

30 marca 2011 r.Kwantowe nanostruktury do zastosowań w biologii i medycynie – Seminarium w IChF

W konsekwencji dla spełnienia warunku amplitudowego koniecznym jest stosowanie generatorów z elementami czynnymi charakteryzującymi się stosunkowo dużym wzmocnieniem napięciowym.

Jako element czynny zostały wybrane szybkie komparatory napięcia. Oprócz wzmocnienia napięciowego na poziomie 70dB, układy te pozwalają uzyskać na wyjściu przebiegi prostokątne spełniające wymagania układów cyfrowych.

30 marca 2011 r.Kwantowe nanostruktury do zastosowań w biologii i medycynie – Seminarium w IChF

Doświadczenia polegające na sprawdzeniu oscylacji rezonatora zanurzonego w cieczy przeprowadzono dla następujących typów kwarców:

Obudowa HC49S, zakres częstotliwości 10-20 MHz, płytka kwarcowa o wymiarach 8.5x2 [mm]. Brak oscylacji – zbyt duże tłumienie.

9.9 9.95 10 10.05 10.1

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

W powietrzuW wodzie

Częstotliwość [MHz]

Tłum

ieni

e [d

B]

Obudowa 12SMX, zakres częstotliwości 16-24.576 MHz, płytka kwarcowa o wymiarach 5x2.5 [mm], Wszystkie testowane rezonatory oscylują.

15.9 15.95 16 16.05 16.1

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

W powietrzuW wodzie

Częstotliwość [MHz]

Tłum

ieni

e [d

B]

30 marca 2011 r.Kwantowe nanostruktury do zastosowań w biologii i medycynie – Seminarium w IChF

Obudowa SMDXT324, częstotliwość 16 MHz, płytka kwarcowa o wymiarach 2.6x1.8 [mm], Brak oscylacji – za duże tłumienie.

15.9 15.95 16 16.05 16.1

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

W powietrzuW wodzieW izopropanolu

Częstotliwość [MHz]

Tłum

ieni

e [d

B]

Obudowa SMDXT224, częstotliwość 16-25 MHz, płytka kwarcowa o wymiarach 2x1.5 [mm], Brak oscylacji dla częstotliwości mniejszych od 20 MHz. Dla wyższych częstotliwości rezonatory oscylują.

30 marca 2011 r.Kwantowe nanostruktury do zastosowań w biologii i medycynie – Seminarium w IChF

Podsumowanie

Wszystkie z badanych rezonatorów w obudowach 12SMX (16-24.576 MHz) oscylują w fazie ciekłej.Najmniejsze z testowanych rezonatorów w obudowach SMDXT224 oscylują w cieczach tylko gdy ich nominalna częstotliwość przekracza 20 MHz.

Po zanurzeniu w cieczach „funkcje przejścia” wszystkich rezonatorów kwarcowych ulegają silnemu spłaszczeniu. Takie zachowanie może być przyczyną pojawiania się „szumu fazowego” zakłócającego użyteczny sygnał pomiarowy.

Ponadto spłaszczenie „funkcji przejścia” wymusza stosowanie w generatorach elementów czynnych o stosunkowo wysokim wzmocnieniu napięciowym.

30 marca 2011 r.Kwantowe nanostruktury do zastosowań w biologii i medycynie – Seminarium w IChF

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnegow ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka.

Dziękuję za uwagę.