Die Beeinflussung des QCM-D-Signals durch die Massenverteilung
5 MHz QCM Quarz-Sensor: Darstellung der Verteilung der Oszillationsamplitude für die Obertöne n = 1, 3, 5 und 7, gemessen bei Biolin Scientific. Die Breite der Gaußschen Kurve hängt von der Obertonzahl ab – je höher der Oberton, desto schärfer die Gaußsche Kurve (normalisierte Darstellung). Die gestrichelten Kreise symbolisieren die obere (großer gestrichelter Kreis) und untere Elektrode (kleiner gestrichelter Kreis).
QCM-D ist ein vielseitiges Tool, um Oberflächen-Ad- und Desorption auf vielen verschiedenen Oberflächen zu bestimmen. Dabei spielt die lokale Verteilung der Masse auf der Oberfläche eine wichtige Rolle.
Bedeutung der gleichmäßigen Verteilung bei QCM-Messungen
Bei der Quantifizierung von QCM-Daten ist es entscheidend, dass die zu messende Schicht auf der Sensoroberfläche gleichmäßig verteilt ist. Das ist eine der wichtigsten Anforderungen, da eine ungleichmäßige Verteilung die Messgenauigkeit erheblich beeinträchtigen kann.
Verteilung der Oszillationsamplitude
Die QCM-Oberfläche oszilliert, und die Massenkopplung an diese Oszillation ist das grundlegende Messprinzip. Die Oszillationsamplitude variiert jedoch über die Kristalloberfläche, abhängig von der Geometrie des Sensors und seiner Elektroden. Für standardmäßige scheibenförmigen Sensoren gilt für die Amplitude A:
A(r)=A0 x e-(r/c)2
mit r = Radius und c als der Breite der Gaußverteilung.
Das Maximum der Sensoroszillation wird demzufolge bei r=0 in der Sensormitte erreicht, während mit wachsendem r die Oszillationsamplitude abnimmt.
Massensensitivität
Die Kraft, die auf ein Teilchen wirkt, das auf der Sensoroberfläche fixiert ist, ist proportional zur Oszillationsamplitude an diesem Punkt. Ein Teilchen im Zentrum verursacht eine größere Kraft und Frequenzverschiebung als eines am Rand. Daher erzeugt Masse, die an verschiedenen radialen Positionen abgelagert wird, unterschiedliche QCM-Reaktionen.
Konsequenzen einer ungleichmäßigen Massenverteilung
Die aufgezeichnete Frequenzverschiebung ist die Summe aller lokalen Beiträge von der Sensoroberfläche. Eine ungleichmäßige Massenverteilung bedeutet, dass die gleiche Gesamtmasse unterschiedliche Frequenzverschiebungen erzeugen kann, je nach ihrer Verteilung. Ohne Kenntnis der Massenverteilung ist es unzuverlässig, die Frequenzverschiebung in die Gesamtmasse umzuwandeln.
Relative Änderungen
Wenn jedoch während einem Experiment alle Teilchen ihre Masse um denselben Prozentsatz ändern, ändert sich die Gesamtfrequenzverschiebung um denselben Prozentsatz, unabhängig von der Verteilung. Dies ermöglicht den Vergleich relativer Änderungen in der Massenverteilung.
Zum Beispiel, wenn Reinigungsmittel auf ihre Wirksamkeit bei der Entfernung von Fingerabdrücken getestet werden, können unterschiedliche Platzierungen des Fingerabdrucks auf dem Sensor unterschiedliche Frequenzverschiebungen ergeben. Die Wirksamkeit der Reinigungsmittel kann jedoch immer noch verglichen werden, indem man betrachtet, wie schnell sie einen bestimmten Prozentsatz der anfänglichen Frequenzverschiebung des Fingerabdrucks entfernen.
