La microbalance à Quartz (QCM) en milieu liquide

 

La microbalance à quartz est un transducteur piézo-électrique de plus en plus utilisé dans le domaine de l'électrochimie. Les premiers essais en milieu liquide remontent au début des années 1980. Elle permet de transformer une variation de masse en une variation de fréquence, sous certaines conditions, facilement mesurable. Le grand intérêt de ce dispositif repose sur sa grande sensibilité pour étudier in situ et en temps réel un processus électrochimique.

Le principe de mesure fait appel à des techniques de type chronométrie : un résonateur, en général un cristal de quartz, est inséré dans un circuit électronique qui délivre un signal très stable dans le temps, l'ensemble formant un oscillateur. Toute perturbation à la surface du cristal se répercute immédiatement sur la fréquence d'oscillation, grandeur mesurée, et il est possible d'établir une relation simple, dite de Sauerbrey, entre la variation de masse et celle de cette fréquence1 :

formule QCM                                               (1)

 ∆fm est la variation de fréquence de la microbalance (Hz), S est la surface donnée par les électrodes métalliques déposées sur le quartz (cm2), r est la densité du quartz (2,648 g cm-3), m est le module de cisaillement du quartz (2,947´1011 g s-2 cm-1), n est le numéro de l'harmonique et f0 est la fréquence de la microbalance dans l'air. Avec une microbalance opérant à 9 MHz, une variation de 1 Hz correspond à une variation de masse de 1,1 ng pour 0,2 cm2 de surface active, ce qui représente une fraction de monocouche d'oxygène adsorbée.

 

 

Résonateur à quartz à 9MHz placé dans une     cellule AWS

 

 

Résonateur à quartz à 9MHz placé dans une cellule AWS.

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Courbes de calibration d’une microbalance à quartz fonctionnant à 27 MHz par électrogénération de cuivre.

 

Cet outil très sensible a été perfectionné au laboratoire afin d'obtenir des informations prépondérantes sur différents processus de type électrochimique (corrosion2, energie3), biologique (capteur ADN4) et physico-chimique (dépôts calco-carboniques5).

 

Références :

1. H. Perrot, “Chemical Sensors and Biosensors", edited by R. Lalauze, ISTE, Wiley 2012, ISBN 978-1-84821-403-3.

2. "Corrosion inhibition of Al 2024 alloy in a dilute NaCl by 1-pyrrolidine dithiocarbamate" , W. Qafsaoui, M.W. Kendig, H. Perrot, F. Pillier et H. Takenouti, Corrosion Science, 92 (2015) 245–255.

3. "Gravimetric and Dynamic Deconvolution of Global EQCM Response of Carbon Nanotube Based Electrodes by Ac-Electrogravimetry”, F. Escobar, A. Arnau, J. V. Garcia, Y. Jiménez, H. Perrot and O. Sel, Electrochem. Com., 70(2016)73-77.

4. "Development of a mass sensitive quartz crystal microbalance (QCM)-based DNA biosensor using a 50MHz electronic oscillator circuit", G. García-Martinez, E. Bustabad, H. Perrot, C. Gabrielli, B. Bucur, M. Lazerges, D. Rose, L. Rodriguez-Pardo, J. Fariña,C. Compère et A. Arnau-Vives, Sensors, 11, 8(2011)7656-7664.

5. "Direct detection of Calcium Carbonate Scaling via a Pre-Calcified Sensitive Area of a Quartz Crystal Microbalance", Y. Chao, O. Horner, F. Hui, J. Lédion et H. Perrot, Desalination, 352 (2014) 103-108.