Kuvars Kristal Mikroterazi (QCM)

Sensörler, kimya, biyoloji, fizik, mühendislik gibi birçok bilim alanından yararlanıp analit ile seçimli bir şekilde etkileşime girebilecek şekilde tasarlanan ve etkileşim sonucunda oluşan değişimleri çevirici bir sistem ile yorumlanabilir sinyaller haline getiren analitik cihazlardır (Wang 1997).

Sensörler, çalışma prensiplerine ve dönüştürücü adı verilen yapılarına göre sınıflandırılır. Isıl, mekanik, kimyasal, akustik, radyoaktif sensörler ve biyosensörler bunlardan bazılarıdır (Bunde ve ark. 1998). İlgi alanımıza giren biyosensörler Uluslararası Temel ve Uygulamalı Kimya Birliği (The International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC) tarafından, biyolojik olarak aktif bileşenlerin bir fizikokimyasal çevirici ile birleştirilmesiyle oluşan kompakt analitik cihazlar olarak tanımlanmıştır (Guilherme ve ark. 2009) (Şekil 2.7).

26

Şekil 2.7. Bir biyosensörün konfigürasyonu (Uludağ ve ark. 2007).

2.3.1.1. Piezoelektrik Kristalli Biyosensörler (Kütle Duyarlı Biyosensörler) Piezoelektrik etki ilk olarak 1880 yılında Jaques ve Pierre Curie tarafından gözlenmiştir. Bazı kristallerin yüzeylerine mekanik gerilim uygulandıktan sonra kristal yüzeyleri arasında uygulanan bu gerilimin şiddeti ile doğru orantılı bir elektriksel potansiyel farkı oluşur. Bu etki “piezoelektrik etki” olarak adlandırılmıştır.

Sonraki yıllarda yapılan çalışmalarda, elektriksel potansiyel farkının, uygulanan mekanik gerilim sonucu kristaldeki boyut değişimi ile ilgili olduğu anlaşılmıştır. Piezoelektrik kristalinin iki yüzeyi arasına uygulanan elektriksel gerilim farkının kristallerde boyut değişimine ve gerinime yol açtığı belirlenmiştir. Bu özellikteki bir kristal, uygun bir elektrik devresine bağlanması kristalin şekline ve kütlesine bağlı olarak sabit bir frekansta titreşim yapar (Guilherme ve ark. 2009). Kütle duyarlı sensörlerin çalışma prensibi asimetrik kristallerin sahip oldukları piezoelektrik etki özelliğine dayanır (Şener ve ark. 2010, Yılmaz ve ark. 2015).

Şekil 2.8‟de piezoelektrik etkiye sahip kuvars kristalinin x-ekseni doğrultusunda uygulanan çekme veya itme kuvvetleri ile deformasyonu ve y-ekseninde oluşan yük değişimi gösterilmektedir (Özgür 2011). Kuvars kristallerin bu özelliğinden faydalanılarak birçok doğru ve hassas analitik cihazlar yapılmaktadır. Piezoelektrik sensörlerin en önemli uygulaması, kütleye bağlı ölçüm yapan ve oldukça hassas olan Kuvars Kristal Mikroterazi (QCM) sensör sistemidir.

Kuvars, üç boyutlu simetrik bir eksene sahipken merkezi bir simetriye sahip olmayan kristal yapıdaki silika (SiO2)‟dır. Kuvars kristalin gerilimden yoksun olması,

27

merkezlerinin ve elektrik polarizasyonunun ayrılması ile sonuçlanır. Kuvars kristalin kimyasal, mekanik ve elektriksel özelliklerinden dolayı ticari piezoelektrik malzemelerin en kullanışlı olanıdır (Lu ve Czanderna 1984) (Şekil 2.9).

Şekil 2.8. Piezoelektrik etkinin şematik gösterimi (Özgür 2011)

Şekil 2.9. Kuvars kristal (Özgür 2011)

Kuvars kristal, kimyasal doğasına, şekline, boyutuna ve kütlesine bağlı olan doğal bir titreşim frekansına sahiptir. Kristalin kırılması rezonans frekansı üzerinde bir etkiye sahiptir (Heising 1946). Temel olarak bir frekans sayacı, gerilim kaynağı ve bir osilatör devreden oluşan QCM, temel rezonans frekansları genellikle 5-30 MHz aralığındaki kuvars plakalar temeline dayanır (Janshoff ve ark. 2000). Altın, gümüş, aluminyum veya nikel olabilen iki metal elektrot arasındaki bu kuvars plakalar ters yönde sıyırma modu (TSM) rezonatörler olarak adlandırılır (Smith 2008). Piezoelektrik

28

uygulamalarında kullanılan kristaller, disk, kare veya dikdörtgen şeklinde, 10-16 mm boyutlarında, ortalama 0.15 mm kalınlığında olabilirler. Rezonans frekansları çoğu zaman 5, 9 veya 10 MHz olan kuvars kristaller kullanılır (Richard ve Jerome 1996) (Şekil 2.10).

(a) (b) (c)

Şekil 2.10. (a) Piezoelektrik kristalinin şematik görünümü, (b) QCM kristalin üst yüzey görüntüsü,

(c) QCM kristalin alt yüzey görüntüsü (Özgür 2011)

Kuvars kristaller, piezoelektrik dedektör özelliğinin ortaya çıkması için belli bir açıyla kesilir. Kristal yapının karakteristik düzlemi ile kesme tabakasının arasındaki açı AT ve BT kesmelerde sırasıyla 35°15‟ ve -49°00‟dir (O‟Sullivan ve Guilbault 1999) (Şekil 2.11). QCM sensörleri sıyırma mod‟da kütle değişimine en duyarlı olmalarından dolayı bu oryantasyonda kesilirler (Guilbault ve Jordan 1988). Piezoelektrik uygulamalarında çoğunlukla Δf/f ~ 10-8 gibi yüksek frekans kararlılığı ve 0-50 °C aralığında sıfıra yakın sıcaklık katsayısına sahip AT-kesme kristaller tercih edilir. Bu özelliğinden dolayı da AT-kesme kristalleri birçok elektronik cihaz için vazgeçilmez olmaktadır (Janshoff ve ark. 2000).

29

Kuvars kristal mikroterazi, piezoelektrik etkiye sahip doğal ya da sentetik kuvars kristalden belli açıyla kesilmiş kuvars kristal rezonatörler içerir. Kuvars kristalin iki yüzeyi birbirine paralel yönlerde hareket ederek alternatif bir elektrik alan uygulanması kristal yığın yapısında mekanik strese yol açmıştır. Salınan elektrik alan, kristal boyunca yayılan akustik bir dalga ortaya çıkarır, bununla birlikte oluşan akustik dalga kristal yüzeyine dik bir şekilde yayılır ve rezonatörün kalınlığının akustik dalganın dalga boyunun yarım katları olmasından dolayı düşük direnç ile karşılaşırlar (Guilherme ve ark. 2009) (Şekil 2.12-2.13).

Şekil 2.12. Kayma deformasyonu (Yüzey hareketi) (Özgür 2011)

Şekil 2.13. Akustik dalga yayılma modu (Kaspar ve ark. 2000)

Uygun titreşim frekanslarına ulaşılabilmesi için, kuvars kristal plaka belli bir oryantasyonda ve düzgün kesilmelidir (AT-kesme ya da BT-kesme). Kristal yüzeyindeki biriken filmin kütlesi ile orantılı olarak rezonatörün frekansı azalır. Bir rezonans salınımına, elektrik ve mekanik salınımının kristal temel frekansına yakın olduğu salınım (osilasyon) devresine kristalin eklenmesiyle ulaşılır. Temel frekans

30

rezonatörün kalınlığına, kimyasal yapısına, şekline ve kütlesine bağlıdır. Ortamın da (sıvı ya da gaz faz olması) salınım frekansı üzerinde etkisi vardır (O‟Sullivan ve ark. 1999).

Kuvars kristal rezonatörün frekansındaki değişimin (Δf), mutlak kütle değişiminin (Δm) doğrusal bir fonksiyonu olduğunu Sauerbrey (1959) tarafından gösterilmiştir.

fo2 fo2 Δms

Δfm= - ms = -

Fqρq Fqρq Ael

Rezonatör üzerinde biriken ince katı tabakalar Eşitlik 1‟deki gibi hesaplanır. QCM ölçümleri ilk olarak katı faz ölçümler için kullanılmıştır. Ancak daha sonrasında uygun salınım devrelerinin geliştirilmesiyle sıvı fazda da ölçümler yapılmaya başlanmıştır (Nomura ve Okuhara 1982). Kanazawa (1997) tarafından türetilen Eşitlik 2, sıvının yoğunluğu (ρ1), viskositesi (ƞ1) ve kuvars kristal rezonatörün frekansı

arasındaki ilişkiyi açıklar.

Δf= - fo3/2

ρ1ƞ1 𝜋ρqμq

İki tabakalı bir sistemde frekans değişimi, tüm değişimlerin toplanması ile hesaplanır.

Δf= Δfm + Δf1 = - fo2

(

Δms

𝐹𝑞ρq Ael

+

ρ1ƞ1

𝑓𝑜𝜋 ρqμq

)

fo (Hz), rezonans frekansı; Fq, (Fq= ¼ fo.dq) (Hz.cm2/ng), kristalin frekans sabiti; dq

(mm), kristalin kalınlığı; pq (g/cm3), yoğunluğu; Ael (mm2), kristal rezonatörün elektrot

boyutu; ql (g/cm3), sıvının yoğunluğu; ƞ1 (kg/m/s), sıvının viskositesi.

1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 3

31

Şekil 2.14. Akış kanalında QCM algılamasının şematik gösterimi (Özgür 2011)

Eşitlik 2‟den anlaşılacağı üzere kuvars kristal rezonatör sadece kütle değişimine hassas olmayıp, ayrıca rezonatör yüzeyinde viskosite ve yoğunluk değişimlerine de hassasiyet gösterir (Uludağ ve ark. 2007). Kütle hassasiyetine dayanan ölçüm yöntemiyle sinyal dönüştürme mekanizmasının bir kısmı olan işaretleme basamağına gerek duyulmamaktadır. Piezoelektrik mekanizma üzerinden sinyal iletimi kompleks, optikçe opak karışım ortamında iyi sonuç vermektedir. Çözeltideki yoğunluk-vizkosite değişimlerinden, bağlanan ara yüzey malzemedeki vizkoelastik değişimlerinden ve yüzeydeki serbest enerji değişimlerinden dolayı bu teknik çözelti-yüzey ara yüzeyindeki algılanması zor olan değişiklikler tayin edebilir. Elektrokimyasal kuvars kristal mikroterazi türleri, metal elektrodun üst kısmına potansiyel uygulamasıyla araştırmacılara olanak sağlar. Böylece bir elektrokimyasal hücre ortaya çıkar aynı zamanda elektrokimyasal reaksiyonların ve elektron transfer süreçlerinin incelenmesi mümkün hale gelir (Şekil 2.14). Kullanımı oldukça kolay olan bu tekniğin temel ekipmanlarının pahalı olmaması avantajları arasındadır (Marx 2003).

Piezoelektrik kristallerin ilk analitik uygulaması King (1964) tarafından rapor edilmiştir. Sonraki yıllarda yoğun çalışmalar sonucunda organik buharların (Guilbault 1983, Guilbault ve Jordan 1988), çevre kirleticilerinin (Guilbault ve Jordan 1988) analizi için birçok gaz faz dedektörleri ve kromatografi dedektörleri (Konash ve Bastiaans 1980) literatürdeki yerlerini almıştır. İlk piezoelektrik immünosensör Shons ve ark. (1972) tarafından geliştirilmiştir. Sensör yüzeyine immobilizasyonu yapılmış antibadilerin kullanıldığı QCM immünosensörler, HIV virüsünün de içlerinde bulunduğu birçok analitin tayini için kullanılmıştır (Kösslinger ve ark. 1992, Carter ve ark. 1995, Yun ve ark. 1998). Antibadi immobilizasyonu ile birlikte Protein-A kaplı kristal yüzeyler de pestisitlerin, bakterilerin, virüslerin vb. birçok analitin tespitinde

32

kullanılmıştır (O‟Sullivan ve ark. 1999). Fawcett ve ark. (1988)‟ı ilk olarak hibridizasyon sonucunda kütle artışını algılayan piezoelektrik DNA sensörü geliştirdiklerini ileri sürmüşlerdir. Bu kapsamda, ilk rapor edilmesinin (1964) ardından 50 yıllık bir zaman sürecinde QCM temelli sensörler araştırmacılar için önemli konularından biri haline gelmiştir. Bu bağlamda; pek çok analit için farklı yaklaşımlar uygulanarak sensörler geliştirilmiş ve konuyla ilgili çalışmalar giderek artmıştır.