用Sciospec ISX-3阻抗分析仪测量小量样品中甘油溶液的粘度

正文

用Sciospec ISX-3阻抗分析仪测量小量样品中甘油溶液的粘度

简介

在微型化和微流体系统中，测量非常小的样品体积的粘度是许多领域非常感兴趣的问题。本应用笔记描述了一种方法，利用厚度剪切模谐振器阻抗谱的变化结合一个复杂的拟合算法。测量系统的简单设置使集成在现有的微流体设置几乎没有任何适应性。作为Sciospec ISX-3的验证，本文提供了与理论值和在相同设置上的商用矢量网络分析仪的比较。一般粘度测量的样品体积大于几毫升，标准粘度计使用旋转部件、流动、毛细管系统或下落球体。本应用文章描述了一个不需要机械零件测量较小样品体积的例子。

设置

一个标称频率为9 MHz的厚度剪切模谐振器(TSM)通过带有SMA连接器的定制适配器连接到Sciospec ISX-3。由于灵敏度高度依赖于传感器芯片的温度，它在外部温度控制器下保持在25°C恒定。频率范围设置为8.9 MHz至9.1 MHz，有1001个线性分布点。将频间延迟设置为10ms，使石英系统有足够的时间适应发电机频率的变化。在传感器中加入1.2 mL双蒸馏水作为对照液。在5分钟的温度均衡后，测量阻抗谱，并保存与Sciospec阻抗分析仪套件。在彻底冲洗TSM芯片后，这个程序重复10，30，50和70质量百分比甘油溶液。所有阻抗谱如图1所示。

图1: 测量溶液在传感器上的阻抗谱

评估

所得阻抗谱拟合到由德累斯顿莱布尼茨固体和材料研究所表面动力学组开发的复杂模型2中。该模型不仅利用了振荡器的主模，还包括了次模。每个共振总共有5个模式，以高精度(±5%)估计粘度。这允许一个稳定的估计，因为整个阻抗频谱被使用，而不仅仅是特征频率或阻抗值。即使是一个多层系统，估计每一层本身的粘度或密度，也可以用这种方法进行分析。在这项研究中，使用了一英寸石英晶体。

 

表1: 理论和实验得到的甘油-水溶液的粘度比较(浓度以甘油的质量百分比为准)

1.2 mL的样本量可以通过集成更小的TSM传感器芯片进一步减少。如表1和图2所示，得到的粘度值与通过测量大得多的试样体积得到的“甘油及其溶液的物理性质”的理论值一致。

 

图2: 粘度除以甘油溶液的质量浓度

附加验证

为了验证Sciospec ISX-3阻抗分析系统的准确性，使用了两种方法。首先，对每个测量进行统计分析，以显示系统设置的再现性。其次，通过使用安捷伦矢量网络分析仪E5071C测量完全相同的传感器，与传统测试设置进行比较。两种测试结果都非常匹配，并且得出了相同的粘度估计结果。图3作为一个例子显示了用这两种设备测量的30质量百分比甘油-水溶液的阻抗谱。在阻抗谱中几乎没有发现差异。

 

图3: Sciospec ISX-3与Agilent VNA E5071C的比较

展望

实验证明，ScISPec阻抗测量技术比传统的设置使用高Q共振传感器分析超小流体样品好。由于Scispec设备是高度模块化的，因此很容易适应更复杂的应用需求。一个已经在使用的模块集成了高精度温度控制器到仪器中，实现了这类实验的完全独立解决方案。Sciospec设备的一种新算法减少了谐振系统的频间延迟，实现了超快速测量。上述复杂模型方法将包括层状流体的多层参数估计。

这份应用说明是Sciospec和莱布尼茨固体材料研究所(IFW)德累斯顿联合研究的一部分结果。该项目“技术平台:Akustoelektronische mikrofluk”是由德国联邦医学研究所项目InnoProfile资助的。

 

关于生产商：

Sciospec专注于电阻抗谱、阻抗断层成像和其他电化学/分析技术的解决方案。主要应用于生物分析，生物传感器，材料科学和过程控制。从基于多通道生物芯片阅读器的小规模生物芯片解决方案，到用于全自动工业过程控制或药理学测试的高含量筛选的大规模多通道解决方案，可扩展性是我们DNA中的一部分。以OEM模块形式存在的Scispec技术是无数生物分析和医疗应用产品的核心。与此同时，我们高度可定制的解决方案使交钥匙研究成为可能，为下一代半导体制造提供动力，并使自动化组件测试应用的可扩展性达到新的水平。

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