MICROBALANÇA DE CRISTAL DE QUARTZO – QCM

3.2.1. Piezoeletricidade

Os sensores de ondas acústicas que operam através da QCM apresentam capacidade de monitoramento de eventos de superfície semelhantes à SPR, embora os princípios de transdução das técnicas sejam completamente distintos.

Sob aspectos fundamentais, certos materiais quando perturbados mecanicamente (deformações ou aplicações de pressões externas) respondem com uma perturbação elétrica. Por outro lado, perturbações elétricas são acompanhadas por respostas mecânicas desses materiais, tal como o movimento cisalhante (movimentação do material na direção perpendicular à direção normal de aplicação do campo elétrico). A esses fenômenos dá-se o nome de piezoeletricidade (“eletricidade por pressão”, piezo do grego), nome proposto por Hankel em 1881 um ano antes do fenômeno ser observado primeiramente pelos irmãos Pierre e Jacques Currie. 73,74

Os cristais que apresentam essa propriedade são denominados de cristais piezoelétricos, tendo o quartzo como um dos principais representantes. Assim, quando pressionado, o cristal de quartzo deforma-se como resultado do rearranjo de sua rede cristalina, de tal forma que cargas opostas são induzidas em suas faces. Como consequência, um campo elétrico é gerado, que por sua vez, promove um movimento vibracional no cristal. Neste instante, é estabelecida uma onda acústica transversa que se propaga através do cristal, resultando no deslocamento dos átomos paralelo à sua superfície. Dessa forma, se um material é depositado sobre a superfície do cristal ocorre uma redução no movimento de oscilação do mesmo, ocasionando diminuição de sua frequência de ressonância. 73-75

3.2.2. Princípio básico de operação de um sensor baseado em QCM

A Figura 6 evidencia um esquema de um circuito genérico simples utilizado para produzir a oscilação mecânica e medir a frequência de ressonância do cristal piezoelétrico. Diretamente ligado ao circuito oscilador é conectado um contador de frequência (frequencímetro) responsável pelo monitoramento das variações na frequência de oscilação do cristal e um computador para obtenção e tratamento dos dados. É importante mencionar que o circuito deve estar o mais próximo possível do quartzo para evitar interferências que produzam variações na frequência de oscilação.

Figura 6. Representação esquemática de um sistema genérico empregado para produzir oscilação mecânica e medir a frequência de oscilação do cristal piezoelétrico. Constituintes básicos: cristal piezoelétrico inserido no interior da célula de fluxo, circuito oscilador, frequencímetro e um computador pessoal.

De forma geral, o efeito comum básico para toda as classes de sensores que operam mediante ondas acústicas é a diminuição na frequência de ressonância causada pela deposição de uma massa pelicular sobre a superfície. Esse efeito gravimétrico motiva à denominação de Microbalança de Cristal de Quartzo (QCM), que desde sua primeira aplicação em 1959 por G. Sauerbrey, 76 _{cristais de quartzo recobertos com filmes finos de metais nobres (ouro ou prata,}

por exemplo) passaram a ser utilizados diretamente como eletrodos ou como substratos funcionalizados em uma variedade de aplicações. Atualmente, a QCM é referida como o instrumento de escolha no campo de sensores acústicos. 15

De acordo com a equação desenvolvida por Sauerbrey (equação 5) uma relação quantitativa entre a variação de massa de filmes rígidos depositados em fase gasosa sobre o cristal (∆𝑚) com a variação de sua frequência de ressonância (∆𝑓) pode ser obtida:

∆𝑓 = −2𝑓

𝐴√ρ𝑐 µ𝑐

∆

Sendo, 𝑓o a frequência de ressonância fundamental, 𝜌_𝑐 a densidade do cristal, µc o módulo de cisalhamento do cristal e 𝐴 é a área do cristal que entra em contato com o meio de detecção.

Pode ser observado através da equação de Sauerbrey que apenas o efeito gravimétrico é levado em consideração sobre a ∆𝑓.

No entanto, para casos em que se tem uma maior carga envolvida (estudos envolvendo biomoléculas, por exemplo), há um afastamento do regime gravimétrico e a variação da frequência torna-se uma função da massa, assim como, das propriedades viscoelásticas do filme. 74,77

Neste contexto, a aplicação de amostras biológicas em QCM tornou-se possível quando circuitos osciladores foram modificados para operarem em meio líquido. 78 _Outro

aspecto a ser levado em consideração é a necessidade da não variação das propriedades do líquido circundante durante os experimentos, uma vez que as mudanças nos parâmetros da QCM devem ser devidas somente à deposição ou interação biomolecular que ocorre sobre a interface metal-líquido. Além disso, nenhuma alteração na impedância acústica do sistema deve ser monitorada durante o experimento, assegurando o comportamento de Sauerbrey como o da camada de interface e efeitos insignificantes em relação às alterações das propriedades de líquidos. 15,77

Em virtude da elevada sensibilidade e seletividade alcançada através da combinação de receptores biológicos e o avanço tecnológico dos dispositivos piezoelétricos, nos últimos anos, a grande maioria dos trabalhos publicados com QCM envolveu aplicações em que o cristal de quartzo é utilizado como suporte para ligação de biomoléculas (Figura 7). Para estes sistemas, a interação biomolecular pode ser acompanhada em tempo real através de variações da frequência de oscilação do cristal piezoelétrico (Figura 7).

Figura 7. Representação esquemática da resposta característica observada em um sensor baseado em QCM, evidenciando que a interação biomolecular é acompanhada pela diminuição da frequência de oscilação do cristal de quartzo (f).

Δf

Tempo

Quartzo

Quartzo

Este tipo de abordagem permite a obtenção de parâmetros cinéticos e termodinâmicos acerca dos eventos de natureza biológica e, portanto, tem se apresentado como uma excelente ferramenta para o entendimento a nível molecular desses sistemas. 16,18,79

3.2.3. Instrumentação - QCM

O aperfeiçoamento da tecnologia de QCM para avaliação de eventos de reconhecimento molecular, tais como, afinidade de ligação, cinética e mudança conformacional, tem impulsionado um crescente número de sistemas disponíveis no mercado. Esta tendência se deve em grande parte ao reconhecimento da versatilidade e capacidade analítica de sensores acústicos. 15 _{A Figura 8 é a fotografia de uma QCM (Metrohm-Autolab,}

Utrecht, Holanda) utilizada como sensor químico em laboratório. Observa-se o local da célula onde o cristal de quartzo é inserido e o acoplamento desse sistema ao circuito oscilador (Figura 8A).

Figura 8. Fotografia do cristal de quartzo recoberto com uma camada nanométrica de ouro sendo inserido no interior da célula (A); e acoplamento do sistema (célula e cristal) ao circuito oscilador (B).

Atualmente, os sensores baseados em QCM disponíveis comercialmente estão inseridos em dois principais mercados. O primeiro consiste na investigação científica, a qual está voltada à ciência dos materiais e da vida, sendo os sensores de QCM empregados para estudar as interações biológicas e características de superfície. 80-82 _{O segundo está relacionado}

à sistemas de detecção do tipo point of care para aplicações médicas e detecção química de drogas e explosivos, por exemplo. 77,79,83

(A)

Uma vez conhecido o potencial de aplicação das configurações baseadas em SPR e QCM para a construção de sensores, uma ênfase será voltada ao uso dessas técnicas para o desenvolvimento de biossensores, sendo este um campo interdisciplinar que tem despertado grande atenção em inúmeras áreas da ciência.