压电晶体：工业和生物医学用途
发布时间：2023-03-06 08:00:00 阅读数： 866
简介
压电性是一种材料在应用机械压力下获得电荷的能力。压电 "这个词源来自希腊语的piezein，意思是 "挤压 "或 "压迫"。物理学家皮埃尔-居里是在1880年第一个发现压电效应的人。然而，工业制造商直到几十年后才利用这一效应。压电材料在将机械能转换为电能时也表现出显著的效率。这为压电材料赢得了确保特殊敏感性和可靠性的声誉。
压电晶体和相关材料已被研究为机械能采集器，以寻求污染更少、更多的可再生能源。微尺度和纳米尺度材料的进一步技术进步导致了微型压电发电机的构想，具有被电子工业采用的强大潜力。医疗行业也发现压电晶体在光学超声技术中的用途。生物诊断研究人员在过去五年中也一直在探索压电的应用，开发更有效的、非传统的分子亲和力检测方法。压电免疫检测的发展已经显示出巨大的前景，特别是在核酸检测和微生物生物感应方面。
背景介绍
压电晶体在机械应力或电场的影响下会发生振动。这种振动的频率取决于晶体的厚度和切割。每个压电晶体都有一个特定的基线谐振频率，当机械应力导致分子从晶体表面吸附或解吸时，该频率会发生变化。因此，压电生物传感器对非常小的质量变化高度敏感。
对于任何压电晶体来说，频率的变化与吸附材料的质量成正比，最多变化2%左右。有一个公式可以描述频率和质量之间的关系--
这张图片包含一个数学公式来描述频率、质量和其他变量之间的压电关系。
描述频率和质量之间关系的压电公式。
其中ΔF是谐振频率的变化（Hz），Δm是吸附材料的质量变化，K是一个特定的常数（取决于晶体密度和切割），A是材料的吸附表面积（cm2）。质量的增加通常是由氧化或表面积水平的薄膜沉积造成的。
压电效应的电化学基础与固体材料中的电偶极矩有很大关系。在具有分子晶格结构的晶体中，周围环境中的电荷会引起电荷极化。因为偶极子是矢量，所以整体极化是一个矢量场。在外部机械应力的影响下，极化场也会发生变化。随着固体的重新配置，电偶极的方向性也会改变。有时，压电晶体会出现相反的效果，称为反向压电效应。在这种现象中，当压电材料暴露在相当强度的电场中时，材料可能出现机械变形。
石英晶体的压电活动
最丰富和最著名的压电晶体是石英。石英晶体微天平（QCM）是一种压电敏感仪器，可以通过检测石英谐振器的振荡变化来确定材料的质量变化。因此，当材料的表面区域被识别位点功能化时，QCM在确定亲和力方面具有非常高的功效。利用QCM，研究人员可以检查较小的分子（如简单的蛋白质）以及较大的聚合物甚至病毒的亲和力行为。QCM最常被用于真空条件下或气相中的实验。
压电石英晶体微天平传感器可以捕获质量随时间变化的微小变化。由Biolin Scientific提供。
压电石英传感器在生物传感器中的一个简单用途是甲醛生物传感器。这利用了固定在石英晶体上的甲醛脱氢酶涂层，它对气态的甲醛敏感。甲醛生物传感器价格便宜、体积小、坚固耐用，并能提供快速的反应时间。然而，大气湿度可能会干扰它们的读数。也很难用它们来确定溶液中的甲醛浓度。
压电发生器
表现出压电活动的材料在可再生和可持续能源领域也显示出潜在的力量。压电材料能够收集机械能并将其转化为电能。在生理和生物医学行业中，有许多方法可以使用这些材料。在生物医学设备中，微尺度压电发电机可以被证明是一种更持久的电池替代品。可穿戴生物医学设备公司已经表现出对在其产品中采用这种更有效的能源的兴趣。这将特别有利于在手术植入的设备中使用，因为更换电池将是一个侵入性的过程。手术会使病人承受更多的生理负担，增加感染的风险以及其他并发症。患者的家庭也可能因医院账单和未付费用而遭受不应有的经济负担。毋庸置疑，为维护健康而进行的侵入性手术越少，对每个人越有利。
压电发生器也可以采集体内的环境能量。许多生理过程可以产生机械能，特别是在心跳或肺部扩张的拉力。胶原蛋白和弹性蛋白是人体中大量存在的压电材料。不言而喻，这些材料因此拥有极高的生物相容性。研究表明，骨骼胶原蛋白可以作为力和压力的生理传感器。软组织胶原蛋白在跟腱和心壁中也表现出压电行为。通过将具有高度生物相容性的压电发生器引入患者体内，患者将收获一些植入设备的电池寿命延长，如严重依赖电能反馈的起搏器或助听器。
摘要
压电材料，特别是晶体，已被证明在许多科学学科和制造领域都很有用。这些材料具有很高的弹性模量，并且在暴露于强大的电磁场或强烈的辐射下具有很大的弹性。这些品质为工业应用带来了巨大的内在优势。结合质量频率读数的高度敏感性和可靠性，压电材料也可能被证明在生物医学和生物诊断领域具有巨大潜力。随着对基于石英的生物传感器和其他免疫感应测定法的进一步研究，我们可能会接近一个可再生、可持续和更持久的能源时代。也许有一天，我们的大部分机械和电子产品，从重型到微型，都将利用压电效应。
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