Microbalance ai cristalli di quarzo

Le microbilance a cristalli di quarzo, come la QCMagic EpsilonPI, si basano sul meccanismo di trasduzione di un quarzo, il quale risiede nella sua capacità piezoelettrica, scoperta dai fratelli Curie nel 1880. E’ un elemento in cui le onde acustiche si propagano in una direzione perpendicolare alla superficie del cristallo. La frequenza di oscillazione è influenzata dallo spessore, dalla densità e dal tipo di taglio del quarzo e dalle proprietà fisiche del mezzo con cui il quarzo è posto in contatto, come ad esempio la densità e la viscosità. Proprio sfruttando questa caratteristica, nel 1959 Saurbrey ha dimostrato che la variazione della frequenza di oscillazione di un quarzo è collegata ad una massa solidamente adesa alla sua superficie dalla relazione:

formula Saurbrey

dove ?f é la variazione di frequenza, ?m è la variazione di massa (per unità di area) adesa alla superficie, n è l’overtone number del quarzo, f0 è la sua frequenza di oscillazione fondamentale e nq e pq sono rispettivamente la densità e la viscosità del quarzo stesso. Per un quarzo di taglio AT, ?f = – 2.26 x10-6 f0 2 ?m

Questa relazione di proporzionalità inversa tra ?f e ?m vale per in fase gassosa e per una massa rigidamente adesa alla superficie del quarzo.
In una fase liquida, il quarzo non è più solo un sensore di massa ma è influenzato anche e soprattutto dai parametri chimico-fisici della soluzione con cui è in contatto; la relazione che lega la sua variazione di frequenza diventa quindi (Nomura et al, 1982):

formula Nomura

dove f0 è la frequenza di oscillazione fondamentale e nq e pq sono la densità e la viscosità del quarzo stesso e n e p sono la densità e la viscosità della soluzione. Per un quarzo di taglio AT, che oscilla ad una frequenza fondamentale di 10MHz, con una faccia esposta ad una soluzione diluita, vicino alla temperatura ambiente, ?.

Vantaggi della tecnica

I vantaggi della tecnica descritta sono essenzialmente la capacità di quantificare la variazione di massa legata alla superficie del quarzo e la possibilità di caratterizzarla dal punto di vista visco-elastico.
Ci sono altre peculiarità che danno complessivamente un’idea dell’efficacia dell’utilizzo della tecnologia QCM:

  • la tecnica è label-free, quindi non necessita della presenza di alcun marcatore per rilevare l’avvenuto riconoscimento tra una specie adesa sulla superficie del quarzo ed una in soluzione o in fase gassosa;
  • la trasduzione del segnale attraverso il quarzo e quindi attraverso un principio piezoelettrico permette di lavorare con soluzioni complesse e spesso otticamente opache;
  • la tecnica è in grado di rivelare “piccoli” cambiamenti all’interfaccia soluzione-superficie del quarzo che possono essere dovuti a variazioni di massa adesa (dell’ordine delle frazioni di nanogrammo), a cambiamenti di viscosità-densità nella soluzione e a cambiamenti viscoelastici nello strato di legame tra soluzione e superficie del quarzo drettamente in real-time e in situ;
  • la tecnica è relativamente semplice da usare e la strumentazione di base per utilizzarla è non troppo costosa.

Sebbene la tecnica non permetta l’equivalente di un “high throughput array” per lo screening di farmaci o biomateriali, può essere utilizzata come “low throughput array”, utile ad esempio in casi in cui si necessiti di uno screening secondario. In questa situazione, la tecnologia QCM è interessante per caratterizzare la massa e le proprietà viscoelastiche di sottili strati biopolimerici che incorporano sistemi biomolecolari, sia durante la loro formazione che una volta formatisi e in condizioni ambientali reali.

Applicazioni

La tecnologia QCM è applicabile allo sviluppo di biosensori per gas e per liquido, allo studio di polimeri e biopolimeri, allo studio e alla caratterizzazione di biomateriali, allo studio e allo sviluppo di nuovi farmaci e, in generale, alla caratterizzazione “di quello che succede” tra uno strato adeso sulla superficie di un quarzo e di una specie con cui viene a contatto.