Cristales de cuarzo usados como sensores

Mucho se habla de los poderes mágicos, incluso para sanar enfermedades, que tienen los cristales de cuarzo. Sin embargo, estos materiales tienen también poderes mágicos cuando se utilizan como dispositivos electrónicos. Es muy conocido que el cuarzo tiene vibraciones a determinadas frecuencias. Dichas vibraciones se deben a que, al estar conformados como cristales, los átomos que lo componen se encuentran enlazados en un orden determinado, lo cual permite que oscilen en determinadas direcciones. Las oscilaciones se realizan a una frecuencia bastante exacta y bien definida denominada frecuencia de resonancia, la cual está determinada también por la manera en que se corta el material. Los valores de las frecuencias de vibración se encuentran desde unos cuantas decenas de kilohertz (kHz) hasta cientos de megahertz (MHz). Debido al efecto piezoeléctrico, las vibraciones mecánicas de los átomos se transforman en vibraciones eléctricas, lo cual permite utilizar este material en dispositivos osciladores, frecuentemente usados en relojes, radios, computadoras y hasta en teléfonos celulares.

Cristales de cuarzo, Irún, por J Lazcano, en www,flickr.comEsta propiedad oscilatoria se utiliza también para diseñar sensores que detectan cambios de masa muy pequeños, por lo cual se les llama comúnmente microbalanzas de cristal de cuarzo (Quartz Crystal Microbalance, QCM por sus siglas en Inglés). Dentro de los sensores que se pueden fabricar, se encuentran aquellos que detectan gases o vapores de compuestos orgánicos como alcoholes, gas doméstico o gases contaminantes, entre otros. Los cristales de cuarzo que se utilizan como sensores de gas están cortados en forma de disco de unos cuantos milímetros de diámetro y unos cientos de micrómetros de espesor. En las caras del disco de cuarzo se coloca un electrodo metálico que puede ser de oro, plata o platino para poder registrar las vibraciones eléctricas y conectarlo a un circuito oscilador. Asimismo, se deposita sobre dicho electrodo una película sensible de un material que pueda interactuar con las moléculas de gas que se encuentran en el medio ambiente. El fenómeno que se aprovecha se denomina carga de masa, y es similar al que se presenta en un resorte en vibración, es decir, cuando cambia la masa del resorte se produce un cambio en la frecuencia de oscilación. De la misma manera, en los sensores de gas a base de QCM, cuando las moléculas de gas se adhieren a la película sensible, se produce un corrimiento en la frecuencia de resonancia del cristal. El corrimiento de frecuencia está directamente relacionado con la cantidad de masa que se adhiere a la película sensible, así como a la frecuencia de resonancia y al área del electrodo. Así, para un cristal con una frecuencia de resonancia de 20 MHz con un electrodo de 0.1 cm2, un corrimiento de 1 Hz significa una detección de un cambio de masa de 1 ng (un nanogramo es la milmillonésima parte de un gramo). Debido a su alta resolución se han utilizado para medir concentraciones de gas muy bajas. Además, tienen la ventaja de que se puede obtener diferente sensibilidad y selectividad, ya que se pueden depositar sobre el cuarzo diferentes materiales tales como proteínas, lípidos, ADN o polímeros. Por lo anterior se pueden detectar diversos tipos de gases.

El desarrollo de sensores de gas ha dado pie al desarrollo de sistemas más complejos denominados narices electrónicas. Los olores son mezclas de diferentes gases y vapores. El reconocimiento de los olores en el sistema olfativo de los mamíferos se lleva a cabo por medio de patrones que detectan las células sensoriales de la nariz, encargadas de enviarlos en forma de señales a las neuronas y a la corteza cerebral que después se interpreta como un olor. La nariz electrónica está compuesta principalmente de un arreglo de sensores conectados a una serie de circuitos para registrar todas las respuestas obtenidas y, a través de un software, se realiza el procesamiento de las señales y se lleva a cabo una clasificación y reconocimiento de los olores. Los sensores de cristal de cuarzo son los más adecuados para este tipo de sistemas ya que se pueden diseñar diferentes características de los sensores únicamente cambiando la película sensible, por lo que los sistemas pueden ser más baratos.

Estos sistemas tienen muchas aplicaciones tales como en la industria de alimentos y bebidas para realizar el control de calidad. También se utilizan en la industria de cosméticos o en el monitoreo ambiental y para la detección de drogas y explosivos. Además, se han utilizado en aplicaciones biomédicas para la detección de enfermedades como caries, dengue, e incluso cáncer. Tal es el poder mágico y curativo de los cristales de cuarzo.

 

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