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用于验证 谐振器的方法

阅读：866发布：2020-05-14

专利汇可以提供用于验证谐振器的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且用于验证谐振器的方法。该方法包括：提供与第一验证流体有关的谐振器的第一组谐振器响应，使谐振器和第二验证流体接触，其中第一验证流体和第二验证流体具有不同的粘弹性，获得谐振器与第二验证流体接触时的第二组谐振器响应，其中每个谐振器响应与谐振器的谐振频率或耗散有关，通过比较第一值和第二值来验证谐振器，所述第一值从所述第一组谐振器响应的至少一个谐振器响应和所述第二组谐振器响应的至少一个谐振器响应获得，所述第二值基于谐振器的频率或耗散响应与第一验证流体和第二验证流体的粘弹性的函数之间的关系。，下面是用于验证谐振器的方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于验证谐振器的方法，所述方法包括：
提供与第一验证流体有关的谐振器的第一组谐振器响应，
使所述谐振器与第二验证流体接触，其中所述第一验证流体和所述第二验证流体具有不同的粘弹性，
获得所述谐振器与所述第二验证流体接触时的第二组谐振器响应，
其中每个谐振器响应与所述谐振器的谐振频率或耗散有关，
通过比较第一值和第二值来验证所述谐振器，所述第一值从所述第一组谐振器响应的至少一个谐振器响应和所述第二组谐振器响应的至少一个谐振器响应获得，所述第二值基于所述谐振器的频率或耗散响应与所述第一验证流体和所述第二验证流体的粘弹性的函数之间的关系。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，提供所述第一组谐振器响应的动作包括提供预定的第一组谐振器响应。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，提供所述第一组谐振器响应的动作包括使所述谐振器与所述第一验证流体接触，并获得所述谐振器与所述第一验证流体接触时的第一组谐振器响应。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述谐振器的谐振器响应与所述第一验证流体和第二验证流体的粘弹性的函数之间的关系是线性关系。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述第一验证流体是基线溶液。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述线性关系由所述谐振器响应与((ρ2η2)1/2-(ρ1η1)1/2)成比例而给出，其中，ρ2是所述第二验证流体的密度，η2是所述第二验证流体的粘度，ρ1是所述基线溶液的密度，η1是所述基线溶液的粘度。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，由比例因子给出所述谐振器响应与((ρ2η2)1/2-(ρ1η1)1/2)成比例，所述比例因子为其中，f0是基本谐振频率，
ρQ是所述谐振器的密度，μQ是所述谐振器的剪切模量，并且其中n是基本模式的谐波的数量且n>1。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，所述谐振器是具有耗散监测的石英微天平。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，所述谐振器包括非吸附表面。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述非吸附表面包括镀金石英晶体。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中，所述第一验证流体和所述第二验证流体的粘弹性的函数基于所述第一验证流体和/或所述第二验证流体的浓度或离子强度来限定。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述浓度由向所述第一验证流体和/或第二验证流体添加的盐的浓度限定。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中，所述谐振器响应与所述谐振器的基本模式的谐振频率或耗散有关，或者与所述基本模式的谐波有关。

说明书全文

用于验证谐振器的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于验证谐振器的方法。

背景技术

[0002] 生物技术和制药领域的快速和渐进式增长迫使开发新的和强大的传感技术，以用于优化工艺和检测流体中极低浓度的生物分子。为此，生物分子的原位和实时表面吸附研究对于监测固-液界面处发生的相互作用，以最终将它们运用到用于测量流体中分子的低浓度的新型传感装置的工程，具有重大意义。近年来，诸如机械谐振器的无标记技术因其体积小、响应速度快、灵敏度高以及其集成到“芯片实验室”设备的兼容性，已成为生物传感应用的一种新兴且前景广阔的技术。机械谐振器可以例如是基于悬臂的。由此可以通过监测悬臂弯曲或悬臂的共振频率的偏移来检测悬臂表面上的分子的吸附和生物分子的识别。

[0003] 或者，可以通过利用基于表面声波的传感仪器来检测流体中发生的分子吸附现象。作为示例，可以使用石英晶体微天平QCM。通常，通过测量QCM的石英晶体谐振器的频率变化来确定每单位面积的质量变化，通过确定每单位面积的质量变化来检测分子的吸附。通过在声谐振器的表面处吸附而增加的小质量可以改变共振。QCM可用于不同的流体环境中，诸如真空、气体或液体。可以使石英晶体谐振器的频率测量具有高精度，因此可以检测到低至1ng/cm2水平的质量密度。除了测量频率之外或作为测量频率的替代，可以测量作为谐振器响应的耗散(即，与谐振器中的能量阻尼相关的量)。

[0004] 然而，谐振器的频率和/或耗散响应是复杂的并且可能受很多参数(例如，谐振器的固有材料特性、吸附事件和谐振器之间的复杂关系)以及受谐振器的周围介质的改变的影响。因此，不仅需要改进机械谐振器的检测灵敏度，而且还需要提高机械谐振器的可靠性和稳健性。

发明内容

[0005] 鉴于上述情况，本发明的一个目的是提供一种改进的验证谐振器的方法。由此改善了谐振器可用于感测应用的可靠性和稳健性。还提供了一种改进的用于校准谐振器的方法。

[0006] 根据本发明的第一方面，提供了一种用于验证谐振器的方法。该方法包括：提供与第一验证流体有关的谐振器的第一组谐振器响应，使谐振器和第二验证流体接触，其中第一验证流体和第二验证流体具有不同的粘弹性，获得谐振器与第二验证流体接触时的第二组谐振器响应，其中每个谐振器响应与谐振器的谐振频率或耗散响应有关，通过比较第一值和第二值来验证谐振器，所述第一值从所述第一组谐振器响应的至少一个谐振器响应和所述第二组谐振器响应的至少一个谐振器响应获得，所述第二值基于谐振器的频率或耗散响应与第一验证流体和第二验证流体的粘弹性的函数之间的关系。

[0007] 措辞流体应理解为在施加的力下连续变形(流动)的物质。因此，流体是物质相的子集，并且包括例如液体和气体。措辞验证流体可以理解为用于验证谐振器的流体。谐振器可以与验证流体接触。作为非限制性实例，验证流体的粘弹性可通过测量或从理论估计得知。或者，验证流体的粘弹性可以是未知的。已知第一验证流体和第二验证流体具有不同的粘弹性可能就足够了。粘弹性的非限制性实例是密度和粘度。诸如离子强度IS和浓度[el]的实体可以进一步与粘弹性相关联，使得它们可以例如在它们的位置用于参数化函数或关系。验证流体的粘弹性可以由理论推导的一个值或多个值确定或预定，和/或例如由验证流体的制造商提供。或者，该方法可以进一步包括如下所述的确定验证流体的粘弹性。

[0008] 措辞第一组谐振器响应应该被理解为包括一个谐振器响应或多个谐振器响应。第一组谐振器响应可以包括谐振器的基本谐振模式和/或谐振器的基本谐振模式的谐波(overtone)。

[0009] 措辞谐振器响应应被理解为谐振器的基本谐振频率和/或基本谐振频率的谐波频率。或者，谐振器响应可以理解为在谐振器的基本谐振频率处和/或在基本谐振频率的谐波的频率处的谐振器耗散。应当注意，耗散(即谐振带宽)涉及谐振器的阻尼，其与谐振器周围的流体的剪切声阻抗有关。谐振器的谐振器响应可以被理解为谐振器的谐振响应。

[0010] 措辞粘弹性应当被解释为在经历变形时表现出粘性和弹性特性的材料的性质。流体的粘弹性可以通过流体的密度ρ和粘度η来定义。

[0011] 提供了一种简单可靠的验证方法。该方法的优点是可以验证谐振器响应。换句话说，该方法允许确定谐振器响应例如用于进一步的测量是否被认为是可靠的。因此，通过使用该验证方法可以减轻虚假效应和不可预测的结果。此外，该验证方法允许有效校准谐振器的谐振器响应。措辞校准可以被解释为找到两个量之间(即在经验证的谐振器响应和对应于未知流体的谐振器响应之间)的关系的过程。因此，该验证方法允许使用具有未知粘弹性的流体中的谐振器而进行更灵敏和准确的测量。

[0012] 提供第一组谐振器响应的动作可以包括提供预定的第一组谐振器响应。

[0013] 因此，提供了一种简单且有效的验证方法，该方法在于只需要将谐振器与验证流体(即第二验证流体)接触的一个动作。预定的第一组谐振器响应可以由理论上推导出的一个值或多个值确定或预先确定，和/或例如由谐振器的制造商提供。

[0014] 提供第一组谐振器响应的动作可以包括使谐振器和第一验证流体接触，并获得谐振器与第一验证流体接触时的第一组谐振器响应。

[0015] 优点在于不需要第一组谐振器响应的预定知识。换句话说，通过在具有不同粘弹性的两种验证流体中接触和测量谐振器响应，可以确定谐振器响应的有效性。因此，由此可以确定该组谐振器响应的哪个谐振器响应可以认为对于进一步测量是可靠的。可以通过以类似方式使谐振器与第一验证流体和第二流体接触，来实现对诸如温度、谐振器的布置或谐振器的接触过程的实验参数的改进的控制。由此可以在确定谐振器响应方面提供改进的精度。还提供了一种简单可靠的验证方法。

[0016] 谐振器的谐振器响应与第一验证流体和第二验证流体的粘弹性的函数之间的关系可以是线性关系。由此提供了有效且易于使用的验证过程。

[0017] 第一验证流体可以是基线溶液，例如，不含添加盐的缓冲溶液。

[0018] 所述线性关系可以由所述谐振器响应与((ρ2η2)1/2-(ρ1η1)1/2)成比例而给出，其中，ρ2是所述第二验证流体的密度，η2是第二验证流体的粘度，ρ1是基线溶液的密度，η1是基线溶液的粘度。如上所述，基线溶液可以指第一验证流体。

[0019] 谐振器响应与((ρ2η2)1/2-(ρ1η1)1/2)成比例可以由比例因子给出，所述比例因子为其中，f0是基本谐振频率，ρQ是谐振器的密度，μQ是谐振器的剪切模量，并且其中n是基本模式的谐波的数量且n＞1；通过设置n＝1，还可以获得基本模式的正确表达式。

[0020] 谐振器可以是具有耗散监测的石英微天平。

[0021] 谐振器可包括非吸附表面。由此可以减轻化合物在第一验证流体和/或第二验证流体中的粘附。

[0022] 非吸附表面可包括镀金石英晶体。

[0023] 第一验证流体和第二验证流体的粘弹性的函数可基于第一验证流体和/或第二验证流体的浓度或离子强度来限定。由此可以基于第一验证流体和/或第二验证流体的浓度或离子强度来提供谐振器的有效验证。因此，不需要知道第一验证流体和/或第二验证流体的密度和/或粘度来验证谐振器。

[0024] 浓度可以通过向第一验证流体和/或第二验证流体中添加的盐的浓度来限定。

[0025] 谐振器响应可以与谐振器的基本模式的谐振频率或耗散有关或与基本模式的谐波的谐振频率或耗散有关。

[0026] 因此，可以验证多个谐振器响应并将其用于进一步的测量。由此可以通过该方法有效地校准谐振器响应。

[0027] 根据下面给出的详细描述，本发明的进一步适用范围将变得显而易见。然而，应该理解的是，详细描述和具体实施例虽然表明了本发明的优选实施方案，但仅以说明的方式给出，因为根据该详细的描述，本发明范围内的各种变化和修改对于本领域技术人员而言将变得显而易见。

[0028] 因此，应该理解，本发明不限于所描述的装置的特定组成部分或所描述的方法的步骤，因为这样的装置和方法可以变化。还应理解，本文使用的术语仅用于描述特定实施方案的目的，而不是限制性的。必须注意的是，如说明书和所附权利要求中所使用的，冠词“一”、“一个”、“所述”和“该”旨在表示存在一个或多个元件，除非上下文另有明确规定。因此，例如，对“一个单元”或“所述单元”的引用可以包括几个设备等。此外，词语“包括”、“包括”、“含有”和类似的措辞不排除其他元件或步骤。附图说明

[0029] 现在将参考示出本发明实施例的附图更详细地描述本发明的上述和其他方面。不应认为附图将本发明限制于特定实施例；相反，它们用于解释和理解本发明。

[0030] 如图所示，为了说明的目的，夸大了各层和各区域的尺寸，并且因此被提供以说明本发明实施例的一般结构。相同的附图标记始终表示相同的元件。

[0031] 图1示出了根据现有技术的谐振器。

[0032] 图2a和2b示出了与两种不同的验证流体接触的谐振器。

[0033] 图2c示出了不同验证流体的谐振器响应。

[0034] 图3示出了不同验证流体的谐振器响应的比较。

[0035] 图4示出了说明用于验证谐振器的方法的流程图。

[0036] 图5示出了不同验证流体的谐振器响应。

[0037] 图6示出了粘弹性参数与包含不同缓冲盐溶液的流体浓度之间的关系。

[0038] 图7示出了对于包含不同缓冲盐溶液的多种流体实验获得的谐振器的频率响应。

[0039] 图8示出了对于包含不同缓冲盐溶液的多种流体实验获得的谐振器的耗散响应。

[0040] 图9示出了作为不同缓冲盐溶液的浓度的函数的实验获得的谐振器的频率响应。

[0041] 图10示出了对于包括不同浓度或离子强度的盐溶液的多种流体的实验获得的谐振器的频率响应。

[0042] 图11示出了频率和耗散之间的关系。

具体实施方式

[0043] 现在将在下文中参考附图更全面地描述本发明，附图中示出了本发明的当前优选实施例。然而，本发明可以以很多不同的形式实施，并且不应该被解释为限于此处阐述的实施例；相反，提供这些实施例是为了彻底和完整，并且向本领域技术人员充分传达本发明的范围。

[0044] 图1示出了根据现有技术的谐振器100。

[0045] 谐振器100是石英晶体微天平QCM。QCM通常是质量负载传感器。QCM包括石英晶体102。石英晶体102可以在所谓的“AT取向”下被切割，通常形成盘或芯片104。在非限制性实施例中，该芯片的表面用电极106图案化，这用作两个目的：通过一对外部电极108电地驱动晶体振荡或谐振，以及提供通常与被研究的流体接触的传感器表面110。可以在传感器表面上发生分子结合。应当注意，最明显的振荡或共振模式通常是剪切模式，即沿着芯片表面
104的位移。谐振器100还包括未示出的表面，当谐振器运行时，该表面通常不与流体接触，并且该表面通常用于提供例如外部电极108的接触区域。

[0046] 当分子吸附到传感器表面上时，谐振器100的谐振频率降低。如首先由Sauerbrey在Zeitschrift fur Physik(物理学杂志)，1959，155，206中得出的，频率变化(Δf)与吸附分子的质量(Δm)成比例，如Sauerbrey方程所示：

[0047]

[0048] 其中f0是共振频率，ρQ和μQ分别是石英晶体的密度和剪切模量，A是压电有源晶体面积。

[0049] Stockbridge在真空微天平技术(全体会议，纽约，1966，第5卷，第147页)中更进一步证明，当气体吸附到振荡传感器上时，频率的变化取决于气体本身的密度和粘度，必须将气体视为粘弹性流体。在验证用液体工作的实验可行性之后，Kanazawa和Gordon在分析化学学报(Anal.Chim.Acta，1985,175,99)中为基本共振模式推导出一般关系式，该一般关系式通过石英振荡器的粘弹性(密度ρQ和剪切模量μQ)及其基本共振频率f0，将接触液体的振荡器的频率偏移(与在真空中操作相比)Δf与其粘弹性相关联：

[0050]

[0051] 针对频率偏移以一般形式写出等式1，(即，具有密度ρ2和粘度η2的第二流体与具有密度ρ1和粘度η1的第一流体之间的共振频率的差异)以一般形式写出等式1。在由Kanazawa和Gordon所考虑的特殊情况下，假设第一流体为真空，其具有被设定为零的密度-粘度乘积ρ1η1。

[0052] 对于谐波数n>1，频率响应由下式给出：

[0053]

[0054] 因此，流体中振荡器的基本模式的频率响应和谐波不但取决于每单位面积吸附的分子的质量，而且取决于流体环境的综合特性。对于在被操作时不吸附与其接触的流体的谐振器，响应由流体的粘弹性决定。

[0055] 在下文中，将描述稳健且易于使用的方法以允许对谐振器进行验证，并且允许将流体环境的影响与谐振器的频率和/或耗散响应进行相关。此外，该验证方法允许对谐振器的谐振器响应进行有效校准。

[0056] 在下文中，将参考图2-图4讨论用于验证谐振器200的方法。图2a-图2b示出了与两种不同的验证流体202、204接触的谐振器200，并且图3a-图3d示出了针对两种验证流体202、204的谐振器响应208。谐振器200包括表面203；该表面203在谐振器200运行时通常不暴露于流体，用于进行电连接，并且在对谐振器进行建模时被认为是自由振荡的。

[0057] 谐振器200还包括传感器表面205，传感器表面205与验证流体202、204接触。传感器表面205可以被解释为吸附至其的吸附物减少的表面。由此可以实现对验证流体202、204的粘弹性的改进的感测。

[0058] 图4示出了说明用于验证谐振器200的方法300的流程图。方法300包括提供302与第一验证流体202有关的谐振器200的第一组谐振器响应206。提供第一组谐振器响应的动作可以包括使谐振器200与第一验证流体202接触(图2a)并且获得与第一验证流体202接触时的第一组谐振器响应206(图2c)。

[0059] 在该非限制性示例中，第一验证流体(图2c中的F1)是恒定pH的含水Tris-EDTA(TE)缓冲液，但在其他实施方案中可包含其他液体或气体。在该非限制性示例中，TE缓冲液表示基线溶液，以说明选择基线溶液作为第一验证流体的实际优点。

[0060] 第一组谐振器响应206包括当谐振器200与第一验证流体202接触时获得的频率f和/或耗散D响应，参见图2c，其中，在该非限制性示例中，将针对三个谐波n1、n2和n3的频率响应f＝f/n(在除以谐波数量之后)和耗散绘制为时间的函数。在图2c中，时间t1示出了谐振器200与第一验证流体202接触的时段。在图2c中，由F1表示与第一验证流体202有关(图4中的302)的响应组。

[0061] 接下来，方法300包括使谐振器200与第二验证流体204接触304的动作，参见图2b。

[0062] 此后获得306谐振器与第二验证流体204接触时的第二组谐振器响应212。正如对于第一验证流体202一样，谐振器响应与谐振器的谐振频率208或耗散210有关。时间t2示出了谐振器200与第二验证流体204接触的时段。

[0063] 在图2c中，由F2表示与第二验证流体204接触时获得(图4中的306)的响应组212。第一验证流体202和第二验证流体204具有不同的粘弹性。图2c示出了相对于在第一验证流体(基线溶液)F1中的响应，频率208和耗散210响应在第二验证流体F2中偏移。此外，偏移的幅度针对不同的谐波而改变。然而，通常不会以可靠的方式从图2c推导出关于响应212中的哪一个(如有)可以被认为对谐振器200有效的信息。

[0064] 谐振器验证过程308(图4)是基于比较第一值和第二值。在以下非限制性示例中，将讨论频率响应208(图2c)。

[0065] 对于特定的谐波n，可以获得用于验证过程300的比较308的第一值，该第一值作为谐振器在第二验证流体(图2c中的F2)中的频率响应和在第一验证流体(图2c中的F1)中的频率响应之间的差Δf。可以将该第一值与基于等式2的第二值进行比较，该等式2遵循作为非限制性示例的图3中所示出的过程。

[0066] 图3可以通过使用等式2的修改版本来解释。具体而言，通过引入两种流体之间的粘弹性差异的一般表示法：将表示为并且使用常数KQ表示谐振器200的晶体相关参数(即晶体的基本频率、密度和剪切模量)，从等式2中得到：

[0067]

[0068] 因此，等式3对应于重新排列的等式2以表示三项线性关系，其中，第一项KQ仅取决于粘弹性晶体参数；第二项为谐波依赖性；并且第三项反映了验证流体202和204的粘弹性。对于图2中的两种验证流体F2和F1之间的差异第三项可以表示为L2。
在图3中，相对于L2绘制在第二验证流体和第一验证流体之间的频率响应中的偏移Δf或者从Δf导出的值。

[0069] 作为非限制性示例，图3a示出了关于谐振器200的频率响应的等式3的线性关系。相对于L2绘制与谐波n1、n2和n3有关的第二验证流体和第一验证流体之间的频率偏移208。

[0070] 参见图4中的方法，基于从方法300的先前动作获得的信息，如下面将讨论和例示的，通过比较第一值218和第二值220验证308谐振器200。在每个示例中，从第一验证流体F1中的至少一个频率响应以及第二验证流体F2中的至少一个频率响应中获得第一值218，参见图2c。

[0071] 基于等式3，可以获得对于谐波n1、n2和n3的谐波无关KQ值222，谐波无关KQ值222作为通过原点绘制的线的斜率并且值对应于L2，参见图3b。根据一个实施例，可以选择值222中的至少一个作为第一值218。未示出的第二值可以由等式2和等式3给出的预测的KQ给出。可以通过比较第一值和第二值来验证谐振器200。

[0072] 作为第一值218的单独斜率的替代或与第一值218的单独斜率组合，可以将不同的斜率一起平均以形成要与第二值进行比较的第一值218，第二值由通过等式2和等式3给出的预测的KQ给出。

[0073] 通过图3b中的原点和所有数据点208的线性拟合找到KQ值。因此，当使用未知剪切模量和密度的振荡传感器时，进一步的结果是，通过使用方法300确定验证的谐振器200的晶体参数是可能的，从而证明了方法300的通用性。

[0074] 对于任何谐波n1、n2和n3，通过将Δf除以预测的KQ可以验证谐振器的响应，其中，可以根据等式2和等式3以及谐振器200的已知晶体相关参数(即晶体的基本频率、密度和剪切模量)预先确定或导出KQ。图3c示出了将Δf除以KQ后获得的图。对于通过原点和数据点208的每个谐波数，可以获得作为线224的斜率的第一值218。

[0075] 然后，可以通过将第一值218与由给出的第二值220进行比较来验证谐振器(其中，ni是谐波数)，这基于谐振器频率响应和第一验证流体以及第二验证流体的粘弹性的函数之间的关系(等式3)。换句话说，具有不同于的斜率的线表示相应的谐波是不可靠的，如线226所示，其斜率偏离的预测值228。因此，通过谐振器200的验证，谐波n1被发现不按照等式3的粘弹性模型表现。然而，基于方法300提供的信息，可以校准谐波n1的响应，并因此将其用于利用谐振器200的进一步测量。

[0076] 换句话说，上述验证基于：对于固定谐波ni，确定所测量的频率响应是否在线性关系的公差内，该线性关系由频率响应和第一验证流体以及第二验证流体的粘弹性之间的关系给出。

[0077] 或者，对于固定的一组谐振器响应208内的不同谐波之间的间隔可以用于验证谐振器，即通过确定由谐振器响应之间的间隔提供的第一值与由频率响应和第一验证流体以及第二验证流体的粘弹性之间的关系(即根据等式3)给出的间隔提供的第二值是否一致。

[0078] 为此，参见图3d，通过将Δf除以与预测KQ的乘积，可以验证谐振器在任何谐波的频率响应，因此通过原点和数据点208的线相对于单线斜率单位(未示出)的任何偏差都表示谐振器的响应偏离了期望的行为。

[0079] 本领域技术人员认识到，谐振器响应208可以包括上面示例的n1、n2和n3的更多或更少的谐波，包括单个谐波或基本频率的情况。

[0080] 本领域技术人员进一步认识到，通过使用三种或更多种验证流体，可以获得除了上述示例中所示的208之外的谐振器响应组并将其用于验证过程中。

[0081] 通过图2c中的谐振器响应230说明使用第三验证流体F3的非限制性实例，第三验证流体F3具有与第一验证流体和第二验证流体的粘弹性不同的粘弹性并且由此将值表示为在图2c中，时间t3示出了谐振器200与第三验证流体接
触的时段。

[0082] 在图3a至图3d中，相对于L3绘制与第三验证流体有关的响应214。本领域技术人员认识到，可以如何扩展上面示例的针对两个验证流体中的响应组208的验证过程，以包括附加的响应组214。

[0083] 在上面的讨论中，谐振器响应与谐振器的谐振频率有关。本领域技术人员认识到，谐振器响应也可以与谐振器的耗散有关。为此，谐振器可以是具有耗散监测的石英微天平，如图2c中的耗散响应210所示。

[0084] 类似地，利用上面对于频率偏移的讨论，耗散偏移可表示为：

[0085]

[0086] 因为等式4的第一项仅包含与晶体有关的参数，可以按照KQ表示，并且将等式4简化为如下：

[0087]

[0088] 因此，针对耗散，可以使用描述谐振器响应的三项线性方程，并且可以使用类似于针对频率响应执行的数学处理。换句话说，耗散的测量可以用于验证谐振器，如下面将举例说明的。

[0089] 提供第一组谐振器响应的动作可以包括提供预定的第一组谐振器响应，其可以由理论上推导出的一个或多个值确定和/或例如由谐振器的制造商提供。因此，提供了一种简单且有效的验证方法，其中仅需要使谐振器与验证流体(即，第二验证流体)接触的一个动作。

[0090] 或者，提供第一组谐振器响应的动作包括使谐振器与第一验证流体接触并获得谐振器与第一验证流体接触时的第一组谐振响应；该方法的优点在于不需要第一组谐振器响应的预先确定的知识。

[0091] 上述数学处理依赖于流体的粘弹性(例如，密度和粘度)的综合特性。换句话说，可以使用本领域技术人员已知的技术预先确定或通过实验确定每种验证流体的粘弹性。

[0092] 然而，确定粘弹性可能需要进行实验，甚至在某些情况下是不可行的，因为这些参数可能既不可测量也不可获得。

[0093] 然而，可以基于第一验证流体和/或第二验证流体的浓度或离子强度来定义验证流体的粘弹性的函数(例如， )，如下面将举例说明的。这是有利的，因为浓度或离子强度通常是已知的流体参数。

[0094] 因此可以获得谐振器的频率和/或耗散响应与验证流体的浓度或离子强度之间的相关性。

[0095] 线性关系可以进一步用于在基于密度和粘度的参数化和基于浓度或离子强度的参数化之间进行转换。

[0096] 在一个简单的非限制性实施例中，用于参数化第二验证流体和任何另外的验证流体的浓度可以通过加入到第一验证流体(基线溶液)的盐的浓度来定义，如下面举例说明的。

[0097] 示例

[0098] 以下实验描述旨在作为本文公开的实施例的示例，而不旨在限制。在下文中，给出了用于验证谐振器的不同实验实现。

[0099] 材料

[0100] 使用NaCl(Acros Organics)、MgCl2(Fisher Sientific)、CaCl2(Sigma Aldrich)、乙二胺四乙酸(EDTA，Sigma Aldrich)和三(羟甲基)氨基甲烷盐酸盐(Tris-HCl，Sigma Aldrich)制备盐的Tris-EDTA(TE)缓冲溶液。在milliQ水中制备每种盐的储备溶液(4M)，并将储备溶液(4M)在4℃的冰箱中储存最长1个月的时间。注意：CaCl2在milliQ水中的溶解是放热的。混合适当体积的EDTA储备溶液(215mM，通过加入NaOH(6M)在pH＝8下制备)和Tris-HCl(pH 7.5)的储备溶液(1M)来制备10x TE缓冲液(100mM Tris-HCl和10mM EDTA)。使用0.2μM孔径过滤器(来自Nalgene)在真空下过滤获得的10x TE缓冲液。将灭菌的缓冲液在4℃的冰箱中储存最长1个月的时间。

[0101] 制备盐-TE缓冲溶液

[0102] 为了制备盐-TE缓冲液，将适当体积的盐储备溶液与适当体积的10x过滤器灭菌的TE缓冲液混合，并加入milliQ水直至所需的最终体积。缓冲液表示为NaCl-TE、MgCl2-TE和CaCl2-TE，其由在1x TE缓冲液中相应盐的可变体积的储备溶液组成。使用所需最少量的6MNaOH已经调节了每种溶液的pH。对于一价盐，从4M NaCl储备溶液开始制备浓度为0.3M、
0.75M、0.9M、1.25M和3.6M的TE缓冲液。对于二价盐，从4M MgCl2和CaCl2储备溶液开始制备浓度为0.1M、0.25M、0.3M、0.42M、0.75M、1.25M和3.6M的TE缓冲液。

[0103] 具有耗散监测的石英晶体微天平

[0104] 具有耗散监测的石英晶体微天平(QCM-D)测量与其接触的液体中振荡的石英晶体的基本谐振频率(f)的变化、以及对应于振荡阻尼的耗散因子(D)，振荡阻尼是由于与传感晶体接触的液体的粘弹性导致的。在这项工作中，我们研究了当依次暴露于TE缓冲液、恒定pH值(pH＝7.35±0.04)的一价盐(氯化钠，NaCl)或者二价盐(氯化钙，CaCl2和氯化镁，MgCl2)的TE缓冲液时，非吸附镀金AT切割石英晶体传感器的频率变化(Δf)和耗散变化(ΔD)。

[0105] 在Q-Sense E1系统(Biolin Scientific，，Sweden)上执行QCM-D测量。覆盖有金的AT切割石英晶体购自Q-Sense。将它们在氧等离子体清洁剂中以中等RF功率清洁30秒、浸入超纯乙醇(Carlo Erba)中不超过5分钟、然后不经任何干燥而插入QCM-D单元之后，使用它们。放置传感器后，用不起毛的纸巾轻轻擦干背面。

[0106] 在基本频率(4.95MHz)及其对应于15、25、……、65MHz的共振频率的6个谐波(n＝3、5、7、9、11、13)下测量频率f和耗散D响应。在本工作中使用的特定仪器(Q-Sense E1)中，在Q-Soft 软件中实时读取的频率值(fQ-Soft)示出为频率f除以谐波数n：因此，fQ-Soft＝f/n。
相反，从Q-Soft软件读取的耗散值未经任何谐波标准化，即，DQ-Soft＝D。

[0107] 在20℃的恒定温度(在与室温相差小于1℃以内)下，在0.3ml/min的流速下进行测量。在将晶体暴露于TE-缓冲液(1x，pH7.30)约30-60分钟的时间以允许稳定后，记录基线。针对所有谐波测量的零频率对应于基线，并且将其表示为fbl。在4℃下储存的盐-TE溶液仅在已经达到室温(20℃)后才被注入QCM-D流动模块中，主要为了避免在毛细管中形成气泡。
从最低浓度到最高浓度或随机注入盐-TE溶液(下文将“电解质”表示为“el”)，并且通过三组不同的实验发现频率偏移(Δfel)与注入顺序无关。在注入任何盐-TE溶液后，剩余相同的溶液在晶体上流动直至达到稳定的频率值，然后通过在相同的温度和流速下注入TE缓冲液来恢复基线。因此，从现在开始我们将参考的频率差(或频率偏移)等于差值Δfel＝fel-fbl。
(为简洁起见，Δfel在下文中表示为Δf)。类似的考虑因素和术语适用于耗散变化。

[0108] 换句话说，在该实验装置中，第一验证流体是基线溶液，即，不包含任何另外的盐的TE缓冲溶液。

[0109] 在报告的等式中，Δf对应于nxΔfQ-Soft。在图中，频率响应的变化表示为从QCM-D仪器中读取的值(ΔfQ-Soft)或乘以谐波数的值，即，Δf。频率偏移值(Δf或ΔfQ-Soft)是负值。

[0110] 在耗散数据的情况下，从Q-Sense QCM实时读取的值(DQ-Soft)没有除以相应的谐波数，因此对于等式中的耗散变化，ΔD对应于ΔDQ-Soft。

[0111] 随时间测量频率和耗散响应

[0112] 如图5所示为在CaCl2-TE的情况下，由于镀金晶体暴露于含有不同浓度电解质的缓冲溶液，频率(f)和能量耗散(D)如何变化。对于NaCl-TE和MgCl2-TE，响应(未示出)在性质上相似。对于每种浓度，已经进行了三组独立的实验。在图5中，频率(f)和耗散(D)响应相对于它们在TE缓冲基线溶液(即第一验证流体)中的相应值而示出，因此垂直标度依照频率偏移ΔfQ-Soft和耗散偏移ΔD来标记。

[0113] 图6a示出了密度ρel是在图5至图11中使用的整个电解质浓度范围内的浓度[el]的线性函数，具有从(CaCl2-TE、MgCl2-TE和NaCl-TE分别为7.05×10-5g/mol、4.51×10-5g/mol和3.79×10-5g/mol的)实验数据的线性拟合得到的比例常数。

[0114] 图6b示出了粘度ηel和浓度[el]之间的关系。对于图5至图11中使用的所有盐，粘度随着浓度的增加而线性增大，直至浓度值为1250mM。在更高浓度下，存在线性偏离。以前在电解质水溶液的文献中报道过这种行为。

[0115] 如图5所示，可以从Q-Sense QCM中读取时域中的频率的变化和耗散的变化。可定性推断的内容如下：a)频率的变化和耗散的变化是快速的和突然的，并且在注入TE盐基线溶液后总是恢复基线；b)电解质浓度与频率的变化和耗散的变化之间存在关系；c)存在强烈的谐波依赖性，对于任何给定浓度，具有谐波的记录的频率变化和耗散变化的扩散；d)耗散变化不可忽略。

[0116] 按照上面的数学处理，即等式3，实验数据可以如图7所示。从上面可以清楚地看出，谐振器响应与(ρe1ηel)1/2-(ρblηbl)1/2成比例，其中，ρb1和ηb1分别是TE缓冲液基线溶液(第一验证流体)的密度和粘度，ρe1和ηe1分别是一种或多种附加验证流体(含水电解质，通过将不同盐浓度添加到TE缓冲基线溶液而产生)的密度和粘度。

[0117] 根据这些数据，可以如上所述(例如，关于图4)确定谐振器的有效性。

[0118] 因此，方法300和所提供的图5和图7的实验数据示出了基于记录基线缓冲溶液和至少一种浓度的盐溶液的几个谐波而验证QCM-D响应，以便1)证实正在研究的频率响应对电解质溶液的综合特性的依赖性；2)在特定的实验装置下验证晶体的谐振的每一个和任何一个的响应。

[0119] 图8示出了通过使用耗散监测和基于上述等式5的数学处理获得的实验数据。

[0120] 响应于浓度的频率变化和耗散变化

[0121] 如前所讨论的，上面描述的方法依赖于液体环境的粘弹性(例如，盐-TE溶液的密度和粘度)的知识。接下来举例说明，替代地或组合地，验证流体的浓度可以用于验证谐振器的方法中。换句话说，可以使用浓度代替粘弹性来参数化函数或关系，例如等式3和等式5。

[0122] 与这些电解质的密度和粘度对其浓度的依赖性的线性范围(图6)一致，如图9所示，对于NaCl-TE(a)、CaCl2-TE(b)和MgCl2-TE(c)，对于每个谐波，频率的变化对于低于1300mM的浓度而言线性地取决于浓度[el]。这表明，类似于等式3，存在将频率变化与谐波数、晶体特性和浓度相关联的三项等式，如图10a所示。

[0123] 谐波依赖性的有效性如图10b所示，其中在对谐波数进行校正之后，类似于图7b，不同的线合并成一个。图10b的斜率不对应于晶体参数项，即KQ。这种差异的原因在于流体的浓度和粘弹性之间的关系。

[0124] 使用L[el]作为描述液体性质项的项，可以将等式3写为：

[0125]

[0126] 在与图6中所示的对浓度的密度和粘度依赖性的线性范围内，L[el]项通过比例常数SL线性地依赖于浓度，这可以根据理论或经验关系(例如，诸如图6中的那些)确定：

[0127] L[el]＝SL×[el]。

[0128] 因此，可以将等式6写成：

[0129]

[0130] 按照上述数学处理，即等式7，对于二价盐CaCl2-TE，实验数据可如图10e所示。根据实验数据可以推断，当仅知道第一验证流体和一种或多种另外的验证流体的浓度时，可以对在振荡石英晶体传感器的尽可能多的谐波下记录的频率响应进行验证。

[0131] 响应于离子强度的频率变化和耗散变化

[0132] 对于生物分子和纳米材料，缓冲溶液的离子强度是关键参数。因此，将频率响应与离子强度进行相关实际上是有用且重要的。为此，我们遵循了类似于上述方法的方法。

[0133] 首先，我们计算了离子强度(IS)：

[0134]

[0135] 其中zi是任何离子的电荷数，并且总和(tot)取自溶液中的所有离子。TE的对IS的贡献在该计算中认为是可忽略的，该贡献对于所有缓冲溶液恒定并且与所用电解质无关。根据等式8，在任何给定浓度下，NaCl的1∶1电解质溶液的离子强度等于摩尔浓度，而对于二价氯化物盐，IS值比其摩尔浓度大三倍。这表明类似于等式3，存在将频率变化与谐波数、晶体特性和IS相关联的三项等式，如图10c所示。谐波依赖性的有效性如图10d所示，其中在对谐波数进行校正之后，不同的线合并成一个，类似于图7b和10b。图10d的斜率不对应于晶体参数项，即KQ。造成这种差异的原因在于IS与流体的粘弹性之间的关系。

[0136] 此后，通过遵循类似于先前部分找到浓度与之间的关系所遵循的方法，对于频率响应对浓度的依赖性，可以写为：

[0137] [el]＝IS，用于单价盐；

[0138] [el]＝1/3xIS，用于研究中的二价盐。

[0139] 通过在等式7中替换，对于单价盐我们将[el]替换为IS而获得了相同的等式，并且针对二价盐获得等式9：

[0140]

[0141] 通过线性拟合所有实验数据来计算图10f中的线的斜率，来表示关系的有效性：根据等式9我们应该得到图f)一个具有斜率KQ的谐波独
立线，事实确实如此。

[0142] 响应于具有不同特性的流体的频率变化和耗散变化。

[0143] 鉴于等式3和等式5，对于已知至少一个特性(诸如但不限于：粘度、密度、浓度或离子强度)不同(即使考虑的特性的数值或其他数量关系未知)的至少两种流体，所记录的Δf和ΔD通过等式10相关联：

[0144]

[0145] 通过绘制n×ΔD与Δf(图11)，获得了通过原点的一条单线。该线的斜率对应于2/f0，即，当谐振器的表面粗糙度可忽略时，仅取决于谐振器的基本频率。此验证过程的优点在于其实现所需的信息最少。不需要验证流体的详细信息，并且所使用的唯一谐振器参数是其基本频率，这通常是已知的或者可以基于这样的谐振器在测量仪器中通过实验确定。

[0146] 本领域技术人员认识到，本发明决不限于上述优选实施例。相反，在所附权利要求的范围内可以进行很多修改和变形。

[0147] 例如，上述作为QCM的谐振器可以是悬臂。

[0148] 非吸附表面可包括被涂覆的石英晶体，涂覆材料不同于金。

[0149] 可以使用与溶液含量相关的溶液参数(诸如电导率、pH或光密度)代替粘弹性来参数化函数或关系，如上文通过浓度和离子强度的这种使用所例示的。

[0150] 谐振器响应可以与谐振器的基本模式的谐振频率或耗散有关，或者与基本模式的谐波的谐振频率或耗散有关。

[0151] 谐振器可以由压电材料制成，压电材料可以是石英或硅。

[0152] 压电材料可以具有剪切振动模式。

[0153] 压电材料可以是具有AT、SC、BT或IT晶体切割的石英。

[0154] 第一验证流体和/或第二验证流体可以是真空或气体。

[0155] 第一验证流体和第二验证流体可以是牛顿流体。

[0156] 第一验证流体和第二验证流体可以是含水的。

[0157] 第一验证流体和第二验证流体可包括至少一种电解质。

[0158] 第一验证流体和第二验证流体可包括水性缓冲电解质溶液。

[0159] 电解质可以是盐，优选氯化钙、氯化镁或氯化钠。

[0160] 另外，通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和实现对所公开实施例的变形。

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