Aplicações analíticas de sensores de massa baseados em diferentes substratos piezoeléctricos

Abstract

Neste trabalho pretendeu-se desenvolver um novo sensor de massa baseado em cerâmicas de titanato zirconato de chumbo (PZT), capaz de competir com as já conhecidas microbalanças de cristais piezoeléctricos de quartzo. Através dos estudos efectuados sobre o comportamento das microbalanças de cristais de quartzo em meio líquido e utilizando o método passivo de monitorização de frequências, foi possível verificar a existência de uma frequência característica do sensor à qual estavam associados os sinais analíticos mais elevados, sendo esta frequência característica a frequência à impedância mínima. Utilizando a metodologia desenvolvida neste trabalho e através da monitorização da frequência à impedância mínima, foi possível desenvolver um método de quantificação de etanol em vinhos, alternativo ao método areométrico usual, recomendado pela AOAC (Association of Official Analytical Chemists). Com a mesma metodologia foi igualmente possível analisar misturas de etanolglicerol nas gamas de concentrações existentes nos vinhos. Quanto aos sensores cerâmicos, foram fabricadas diversas cerâmicas baseadas em titanato zirconato de chumbo com diferentes composições e diferentes condições de sinterização, obtendo-se sensores cerâmicos com diferentes propriedades eléctricas e piezoeléctricas. Todos os sensores de massa testados na determinação de s-butilamina em meio gasoso e na determinação de soluções de frutose apresentaram sensibilidade à variação de massa, verificando-se contudo uma dependência da sensibilidade com a densidade da cerâmica. Utilizando a cerâmica que apresentou maior sensibilidade na detecção da s-butilamina e da frutose em solução foi possível desenvolver um sensor de massa que provou ser capaz de competir com as microbalanças de cristais de quartzo na análise em meio gasoso. A rugosidade das superfícies dos diferentes materiais utilizados como sensores de massa foi estudada, tendo-se verificado que esta desempenhava um papel relevante na resposta do sensor, sendo este factor mais importante na detecção em meio gasoso.

The main purpose of this work was to develop a new kind of mass sensor using piezoelectric ceramics based in lead titanate zirconate (PZT), able to compete with the common quartz crystal microbalances. From the studies of the behaviour of the quartz crystal microbalance in liquid media and using a passive method of monitoring frequencies, it was possible to conclude that there was a characteristic frequency of the sensor that leads to the highest results, the frequency at minimum impedance. Using the methodology developed in this work with the monitoring of the frequency at minimum impedance it was possible to develop a new method for the determination of ethanol in wines, which is an alternative to the areometric method recommended by the AOAC (Association of Official Analytical Chemists). This same methodology allowed us to detect and quantify mixtures of ethanol-glycerol in solutions, for concentrations in the range founded in wines. Concerning the ceramic mass sensors, several lead titanate zirconate ceramic discs, with different compositions, were prepared under different sintering conditions, in order to obtain ceramic discs with different electric and piezoelectric properties. All the mass sensors tested in the determination of s-butylamine in vapour and fructose solutions showed to be sensitive to mass changes. It was found a relationship between sensitivity and density of the ceramic disc. Using the ceramic disc which showed the highest sensitivity in the detection of s-butylamine in vapour and fructose in solutions, it was possible to develop a mass sensor that showed to be competitive with the quartz crystals microbalances, especially in gas media. The roughness of the surfaces of the different kind of materials used as mass sensors was studied, and it was found to play a very important role in the sensitivity of the mass sensor, specially when operated in gas media.