การคำนวณพฤติกรรมของควอตซ์คริสตัลไมโครบาลานซ์เพื่อประยุกต์ใช้งานด้านไบโอเซนเซอร์

Abstract

ในงานวิจัยนี้ได้ทำการศึกษาและจำลองการทำงานของ Quartz Crystal Microbalance (QCM) ด้วยปรากฏการณ์เพียโซอิเล็กทริก โดยใช้โปรแกรมไฟไนต์เอลิเมนต์ COMSOL โดยได้ทำการเปรียบเทียบกับทฤษฎีที่เกี่ยวข้องกับ QCM ที่มีมาในอดีต พบว่ามีความสอดคล้องกัน แบบจำลองที่ได้ทำการศึกษาในงานวิจัยนี้คือ ผลของรัศมีอิเล็กโทรด ผลของตำแหน่งต่างๆในการวางมวลลงบน QCM ผลของการที่มีมวลมาเกาะแบบไม่สม่ำเสมอบน QCM ที่มีต่อความถี่เรโซแนนซ์ และผลของการเปลี่ยนขนาดแรงดันไฟฟ้าที่มีต่อการสั่นของ QCM พบว่าความถี่เรโซแนนซ์จะมีค่ามากขึ้นเมื่อมีรัศมีอิเล็กโทรดที่น้อยลง จึงควรออกแบบ QCM ให้มีรัศมีอิเล็กโทรดที่น้อยเพื่อเพิ่มความไวในการวัดตามสมการของ Sauerbrey ความถี่เรโซแนนซ์จะมีการเปลี่ยนแปลงมาก เมื่อมวลอยู่ที่บริเวณตรงกลางอิเล็กโทรดและมีค่าเปลี่ยนแปลงน้อยเมื่อมวลอยู่ห่างจากกึ่งกลางอิเล็กโทรด จึงควรให้มวลอยู่ที่บริเวณตรงกลางอิเล็กโทรดของ QCM เมื่อใช้งานเป็นไบโอเซนเซอร์เพื่อจะได้ควบคุมให้ได้การเปลี่ยนแปลงความถี่ที่เท่ากันและความไวในการวัดสูง เมื่อเพิ่มขนาดของแรงดันไฟฟ้าจะทำให้การเคลื่อนตัวที่ผิวของ QCM มีค่ามากขึ้น จึงควรป้อนแรงดันไฟฟ้าที่ไม่มากเกิดไปเพื่อลดโอกาสการหลุดของโมเลกุลสาร ในกรณีของการเกาะของมวลหากการเกาะในชั้นแรกมีน้อยแล้วการเกาะในชั้นต่อไปมีมาก ในลักษณะรูปตัว T หรือปิระมิดกลับด้าน ถ้ามวลมีค่าวัสดุคล้ายทอง ความถี่เรโซแนนซ์ที่วัดได้จะมีค่าลดลงก่อนจากนั้นจะมีแนวโน้มที่สูงขึ้น แต่ถ้ามวลมีค่าวัสดุคล้ายโพลีสไตรีนเมื่อมวลเข้ามาเกาะความถี่จะลดลงไปในทิศทางเดียว