V tomto blogovém příspěvku se podíváme na to, jak lze piezoelektrický jev a krystalové oscilátory využít k měření extrémně malých hmotností, jako jsou molekuly plynu a DNA, a prozkoumáme některé z jejich aplikací.
Váhy běžně měří hmotnost pomocí principu pák nebo měřením změn elektrického odporu. Jak tedy ultra přesné váhy měří hmotnost mikroskopických látek, jako jsou molekuly plynu a DNA? Abychom na tuto otázku odpověděli, musíme porozumět piezoelektrickému jevu.
Existují dva typy piezoelektrických jevů: primární piezoelektrický jev, při kterém mechanická deformace materiálu generuje napětí, a sekundární piezoelektrický jev, při kterém přivedení napětí k materiálu způsobuje mechanickou deformaci. Materiály, které vykazují oba piezoelektrické jevy, se nazývají piezoelektrické materiály a k tomuto účelu se používá hlavně křemen.
Křemen se široce používá jako piezoelektrický materiál díky své stabilitě a přesnosti. Je velmi vhodný pro přesná měření, protože si zachovává konstantní strukturu a je méně ovlivněn vnějšími faktory. Křemen používaný jako piezoelektrický materiál se řeže a zpracovává ve specifickém směru, čímž vzniká plochý disk. Po vytvoření elektrod na obou stranách disku se aplikuje napětí se střídavými (+) a (-) póly, což způsobí, že křemen vibruje.
Křemenný krystalový oscilátor je zařízení, které usnadňuje měření vibrací přizpůsobením frekvence napětí vlastní frekvenci křemenného krystalu, takže křemenný krystal vibruje v širokém rozsahu. Vlastní frekvence je jedinečná vibrační frekvence objektu a i u piezoelektrických materiálů ze stejného materiálu se mění v závislosti na tvaru a velikosti piezoelektrického materiálu.
Když látka přilne k křemennému krystalovému oscilátoru a zvětší se její hmotnost, frekvence křemenného krystalového oscilátoru, který vibroval na své vlastní frekvenci, se sníží. Frekvence křemenného krystalového oscilátoru je velmi citlivá i na malé změny hmotnosti, takže ji lze použít k měření hmotnosti mikroskopických látek, jako jsou molekuly plynu a DNA. Hmotnostní citlivost vibrátoru je stupeň změny frekvence dělený naměřenou hmotností a hmotnostní citlivost krystalového vibrátoru je velmi vysoká.
Princip měření hmotnosti pomocí krystalového oscilátoru lze použít k detekci koncentrace specifického plynu. Když je krystalový oscilátor ošetřen tak, že se na něj přichytí specifický plyn, specifický plyn se na něj přichytí, což způsobí změnu hmotnosti a snížení frekvence krystalového oscilátoru. V určitém bodě se frekvence krystalového oscilátoru přestane snižovat a zůstane konstantní. Důvod, proč frekvence zůstává konstantní, je ten, že na krystalový oscilátor nepřilne více než určité množství specifického plynu. Ve směsi plynů platí, že čím vyšší je koncentrace specifického plynu, tím nižší je frekvence, při které zůstává frekvence konstantní. Reakční doba je měřítkem toho, jak rychle specifický plyn přilne ke krystalovému oscilátoru a frekvence se stane konstantní. Čím kratší je reakční doba, tím rychleji lze měřit koncentraci specifického plynu.
Pokud však na krystalovém oscilátoru ulpívají jiné plyny než cílový plyn, je obtížné přesně měřit koncentraci cílového plynu. Navíc, i když na krystalovém oscilátoru ulpívá pouze cílový plyn, není možné určit koncentraci tohoto plynu. Z tohoto důvodu musí být změna frekvence krystalového oscilátoru předem změřena podle koncentrace cílového plynu. Citlivost na koncentraci lze získat vydělením stupně změny frekvence krystalového oscilátoru koncentrací.
Krystalové rezonátory se používají v různých oblastech jako ultrapřesné váhy. Například v biologických vědách je lze použít k měření koncentrace specifických proteinů nebo DNA. V environmentálních vědách jsou užitečné pro měření koncentrace znečišťujících látek ve vzduchu a v lékařství otevírají možnost měření koncentrace specifických virů nebo bakterií v krvi v reálném čase. Krystalové rezonátory se tak díky své citlivosti a přesnosti používají jako inovativní měřicí nástroje v různých oblastech.
Technologický pokrok v křemenných krystalech v kombinaci s nanotechnologií navíc umožňuje ještě přesnější měření. Nanotechnologie umožňuje výrobu menších krystalů, které jsou citlivější na ještě menší změny hmotnosti. Proto se očekává, že křemenné krystaly budou v budoucnu hrát stále důležitější roli v široké škále oborů.
