João Encarnação, doutoramento 2004-

O simbiose dos centros de investigação CEOT e CBME.

Detecção de reacções químicas baseada num QCM (quartz crystal microbalance).

P. StallingaH.L. Gomes

J. EncarnaçãoG. Ferreira

O Quartz Crystal Microbalance

O QCM é um detector de massa. A frequência de ressonância de oscilação é uma função da massa depositada em cima do cristal. Sauerbrey:

∆f = −K ∆m

Por isso, é muito usado em medições de espessura de films, etc.

Muito sensível (exemplo standard 5 MHz cristal, 1 Hz ruido):

17.6 ng ou 1.77 10-7 kg/m2 ou 0.35 Å ou 0.1 ML

Electrical driving circuit

Active area

K = 2f02 / A(ρµ)1/2

AuSiO2

A limitação da equação de Sauerbrey é que é apenas válida para massa rígida.

Além disso, as medições tornam-se difícil em meios líquidos.

Kanazawa (1980s) Liquid immersion QCM:

Limitações

∆f = −K (ρµ)1/2 K = f02/3 / (πρµ)1/2

viscosity of liquiddensity of liquid

Debeye length (0.25 µm)

Detecta mudanças perto da interface

Wave amplitude

Dis

tanc

e to

inte

rface

O princípio de detecção

Meio líquido

X-tal

Reagente I

Reagente II

tempo

tempo

freq

uenc

y

Injecção do reagente II

Exemplo: formação de uma camada SAM

QCM frequency response (SAM)

5004720

5004725

5004730

5004735

5004740

5004745

5004750

5004755

5004760

5004765

0 500 1000 1500 2000 2500

Time (Sec)

Freq

uenc

y (H

z)

Alkanethiol Blank

Injection (Alkanethiol or blank)

SH

SHS

HSH

QCM

11-Hidroxy-1-undecanothiol SAM

Au+RSH Au-SR + ½H2

ka

kd

RR

R

R

Aplicações

I: Deteminação das constantes da reacção (k)

tempo

Log(

f-f ∞

) T = 320 K

300 K

f = fA exp(−t/τ) + f∞τ = τ0 exp(EA/kT)

τ

1/kT

Log(τ)

EA

tempo

freq

uenc

y

EA

O princípio de detecção

Meio líquido

X-tal

Reagente I

Reagente A

tempo Reagente B

tempo

freq

uenc

y Sem B

Com B

Aplicações

II: Detector HIV

Funcionalização

Detecção

Anticorpos ouantigénio

Virus HIV

Electrónica

Modelo das oscilaçõesmecánicas

Capacitância dos electrodes paralelos e cabos

Modelo electrónicodo cristal

Acoplamento: Piëzo-eléctrico

C0 tem nada a ver com os processos de interesse (oscilações mecánicas) e tem de ser compensado.

Implementação CBME / OptoEl

-A

Barkhausen critério: ressonância quando a fase Aβ = 180o (parte imaginária 0)

β

oscilador

cristal

ωr = 1 / (LmCm)1/2

Zr = Rm

Usar apenas um oscilador e um frequencímetro perda informação

Frequencymeter

C0 tem de ser compensado! Neste caso:

1

0

)1(

1)(

−

−++=

mmm CLiR

CiZ

ωω

ωω

Implementação CBME / OptoEl

resonance

Frequency (Hz)

Impe

danc

e (Ω

)

Rm

O uso do network analyzer pode dar informação suplementar

Spectro do cristal obtido pelo network analyzer:

Implementação CBME / OptoEl

Newtonian fluids:

ωL2 = R2

Rigid films

R3 = 0

Lm = L1 + L2+ L3Cm = C1C0 = Cx + CyRm = R1 + R2 + R3

Implementação OptoEl

2: Obtenção de spectras com network analyzer (automatizada, PASCAL)3: Extracção dos parâmetros das spectras (automatizada, MatLab)4: Determinação dos erros dos parâmetros (MatLab, Origin)

1: Obtenção de transients f(t) (PASCAL)0: Desenho de um oscilador

Implementação OptoEl

2: Obtenção de spectras com network analyzer (automatizada, PASCAL)3: Extracção dos parâmetros das spectras (automatizada, MatLab)

Fitting 3 parâmetros Rm, C0 e Lm (manter Cm constante)

4: Determinação dos erros dos parâmetros (MatLab, Origin) usando a teoria de percolação dos erros

2

1

22

∂∂

=∑= i

N

iip y

pσσErro do parâmetro p Pequena variação de um

ponto de mediação

1: Obtenção de transients f(t) (PASCAL)

−++=

)1(

1)( 0

mmm CLiR

CiY

ωω

ωω

Exp. results

0: Desenho de um oscilador

Test run. Fitting e erros

Test run of automated spectra processing.

114.2032.53E-148.53E-157.61E-111.49E-090.040220.0166197.79315140

246.4912.53E-149.64E-157.60E-111.60E-090.040220.0197566.5862192

123.8452.53E-141.02E-147.61E-111.89E-090.040220.0133537.407150

Chi2C1dC0C0dL1L1dR1R1t

Problemas

Problemas

O amplitude dos transientes é muito pequeno (daHz)

Torna-se pior quando a massa não é rígida e a distância da superfície é maior.

No pior caso é apenas alguns Hz (detecção DNA).

A resolução (intervalo de medição 1 s) é 1 Hz

Outros químicos também reagem com a superfície

Problemas

A temperatura tem de ser estabilizada df/dT = 8 Hz/oC.

A quantidade dos reagentes é mínima. Ciclo fechado.

A bomba de circulação e qualquer injecçaõ introduzem transientes e ruido.

5004940

5004945

5004950

5004955

5004960

5004965

5004970

5004975

5004980

5004985

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000

Time (s)

Freq

uenc

y (H

z)

a

b

c

d

Fig. t- QCM in contact with water at 25ºC in batch (a), afterwards 50uL of water were injected on top of the crystal (b), a peristaltic pump was turned on (c), and the water started flowing at 0.5mL/min (d).

Problemas

As lâmpadas fundidas no laboratório introduzem muito ruido.

Problemas

Os líquidos têm de ser desgaseificados.

Fig. s- The quartz crystal frequency response to contact with (a) degassed and (b) non degassed water.

MiliQ water

4993200

4993210

4993220

4993230

4993240

4993250

4993260

0 200 400 600 800 1000 1200

Time (m)

Freq

uenc

y (H

z)

a

b

As bolinhas de ar em cima do superfície produzem transientes semelhantes ao sinal.

Positivo

Cristais podem ser limpos com uma aplicação de tensão 1.4 V durante 120 s.

A alternativa convencional (solução Piranha) estraga a camada de ouro depois de alguns ciclos.

Fig. l- QCM’s resonant frequency readings noise level obtained after each regeneration cycle procedure.

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

Initialreading

1stcycle

2ndcycle

3rdcycle

4thcycle

5thcycle

6thcycle

7thcycle

Noi

se le

vel (

Hz)

Electrochemical procedure

"Piranha" solution procedure

Implementação CBME / OptoEl

Shockwave / interference

Shear wave Impuriy

medium

quartz

liquid surface

Implementação CBME / OptoEl

Shockwave / interference

Shear wave Impuriy

medium

quartz

liquid surface

Implementação CBME / OptoEl

Shockwave / interference

Shear wave Impuriy

medium

quartz

Interference / standing wavesliquid surface

Shockwaves

Velocity of sound in ethanol:1207 m/s

Frequency: 5 MHz

λ= 0.24 mm

#ocillations: 26

Liquid height: 6.2 mm= 26*0.24

Ethanol dried-up