¿Qué instrumento se usa para pesar cantidades ínfimas de materia que una balanza analítica, común de laboratorio, no puede? La microbalanza de cuarzo
Los cristales de la sal de Rochelle fueron las especies precursoras en el desarrollo de la microbalanza de cuarzo, ya que en 1880, cuando los esposos Curie notaron que éstos producían electricidad cuando una presión se aplicaba en ciertas direcciones cristalográficas. Poco tiempo después de esta peculiaridad, demostraron el efecto inverso: la producción de una presión como resultado de la aplicación de electricidad. Ambos fenómenos orillaron a Pierre y Marie Curie a acuñar el término de efecto piezoeléctrico.
A partir de su descubrimiento, el efecto piezoeléctrico no tuvo todo el interés que se esperaría, hasta 1917, cuando se comprueba que el cristal de cuarzo puede ser empleado como transductor o receptor de señales de onda de ultrasonido en el agua. Seguido a este avance, en 1919 se le da el uso en dispositivos de la vida cotidiana como bocinas, micrófonos y altavoces. En 1921, surge el primer oscilador controlado de cristal de cuarzo. Este primer oscilador se basó en cristales cortados en forma de X, cuya desventaja es la alta sensibilidad a la temperatura; sin embargo, actualmente se le usa en transductores de sonares espaciales.
Los cristales de la sal de Rochelle fueron las especies precursoras en el desarrollo de la microbalanza de cuarzo, ya que en 1880, cuando los esposos Curie notaron que éstos producían electricidad cuando una presión se aplicaba en ciertas direcciones cristalográficas. Poco tiempo después de esta peculiaridad, demostraron el efecto inverso: la producción de una presión como resultado de la aplicación de electricidad. Ambos fenómenos orillaron a Pierre y Marie Curie a acuñar el término de efecto piezoeléctrico.
A partir de su descubrimiento, el efecto piezoeléctrico no tuvo todo el interés que se esperaría, hasta 1917, cuando se comprueba que el cristal de cuarzo puede ser empleado como transductor o receptor de señales de onda de ultrasonido en el agua. Seguido a este avance, en 1919 se le da el uso en dispositivos de la vida cotidiana como bocinas, micrófonos y altavoces. En 1921, surge el primer oscilador controlado de cristal de cuarzo. Este primer oscilador se basó en cristales cortados en forma de X, cuya desventaja es la alta sensibilidad a la temperatura; sin embargo, actualmente se le usa en transductores de sonares espaciales.
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
Los cristales, como el cuarzo, que cristalizan en grupos espaciales que no tienen un centro de simetría, presentarán el efecto piezoeléctrico. Un cristal de un material acéntrico posee un eje polar debido a los dipolos asociados a la disposición de los átomos en la red cristalina. La tensión aplicada provoca un desplazamiento de los átomos del cristal y por tanto de los dipolos, generándose una carga eléctrica. El efecto es reversible, es decir, al aplicar una diferencia de potencial a un cristal piezoeléctrico se producen en él tensiones mecánicas que dan lugar al desplazamiento de partículas y a la aparición de ondas acústicas. Este efecto es el principio teórico del funcionamiento de la microbalanza electroquímica de cristal de cuarzo (QCM). En algunas ocasiones las balanzas son conocidas como QCM.
Los cristales, como el cuarzo, que cristalizan en grupos espaciales que no tienen un centro de simetría, presentarán el efecto piezoeléctrico. Un cristal de un material acéntrico posee un eje polar debido a los dipolos asociados a la disposición de los átomos en la red cristalina. La tensión aplicada provoca un desplazamiento de los átomos del cristal y por tanto de los dipolos, generándose una carga eléctrica. El efecto es reversible, es decir, al aplicar una diferencia de potencial a un cristal piezoeléctrico se producen en él tensiones mecánicas que dan lugar al desplazamiento de partículas y a la aparición de ondas acústicas. Este efecto es el principio teórico del funcionamiento de la microbalanza electroquímica de cristal de cuarzo (QCM). En algunas ocasiones las balanzas son conocidas como QCM.
La estructura típica de los sensores QCM consta de tres principales piezas: un disco de cuarzo, dos electrodos de oro en superficies opuestas, en la cual se activa una de las superficies con un polímero. Este tipo de sensores son muy fáciles de construir, además de que no son costosos, trabajan a temperatura ambiente por lo que no requieren una estructura de calentamiento y tienen muy buena resolución.
APLICACIONES
Esta potente herramienta es un dispositivo usado principalmente para medir cantidades de masa muy pequeñas, ya que su sensibilidad es 100 veces mayor a la de la balanza electrónica; razón por la cual su uso se extiende a lo largo de diversas áreas como biotecnología, investigación de fármacos, formación de películas de capa fina e investigación de surfactantes.
o Biotecnología: estudios de la interacción de DNA y RNA con hebras complementarias, reconocimiento de ligantes específicos de proteínas por receptores inmovilizadores, detección de cápsides de virus, adhesión de células, liposomas y proteínas, Formación y prevención de la formación de biopelículas.
o Investigación de fármacos: disolución de recubrimientos poliméricos, interacción molecular de medicamentos, respuesta de las células a sustancias farmacológicas, mecanismo de acción de los fármacos.
o Formación de películas de capa fina: películas de Langmuir, monocapas de autoensamblaje, adsorción polielectrolítica, formación de bicapas.
o Investigación de surfactante: interacción de los surfactantes con las superficies y efectividad del surfactante.
o Biotecnología: estudios de la interacción de DNA y RNA con hebras complementarias, reconocimiento de ligantes específicos de proteínas por receptores inmovilizadores, detección de cápsides de virus, adhesión de células, liposomas y proteínas, Formación y prevención de la formación de biopelículas.
o Investigación de fármacos: disolución de recubrimientos poliméricos, interacción molecular de medicamentos, respuesta de las células a sustancias farmacológicas, mecanismo de acción de los fármacos.
o Formación de películas de capa fina: películas de Langmuir, monocapas de autoensamblaje, adsorción polielectrolítica, formación de bicapas.
o Investigación de surfactante: interacción de los surfactantes con las superficies y efectividad del surfactante.
BIBLIOGRAFÍA
· Bateman, John. Nutrición animal: manual de métodos analíticos. México.1970.
· Eggins, Brian. Chemical sensors & biosensors. John Wiley & sons. New York: 2007.
· Ewing, Galen. Analytical instrumentation handbook. Marcel Dekker. New York :1990
· James, C.S. Analytical Chemistry of foods. Blackie Academic & Professional. New York :1995.
· Kateman, Gerrit. Quality control in analytical chemistry. John Wiley & Sons Inc., New York :1993
· Kenkel, John. Analytical chemistry for technicians. Ann Arbor & Lewis Pub. Boca Raton:1994.
· Moffat, A.C. et.al. Clarke’s analysis of drugs and poisons. Pharmaceutical Press. London: 2004.
· http://www.pharmaceutical-int.com/categories/qcm-technology/quartz-crystal-microbalance-qcm.asp
· http://sensorautorresonantes.blogspot.com/2007/06/principio-de-funcionamiento.html
· http://www.dii.unisi.it/~electron/lab/Ricerca/QCM%20sensors.htm
1 comment:
La piezoelectricidad fue descubierta por los hermanos Curie, pero no por Marie.
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