Quartz kristal mikrobalans (QCM) ve interdigital transduser (IDT)’lerde arayüzey film preparasyon parametrelerinin gaz algılama özelliklerine etkisinin incelenmesi

Abstract

Kimyasal sensörler, kısaca kimyasal bir girşi elektriksel yada optik sinyale çeviren aygıtlardır. Kimyasal sensörler bir kimyasal arayüzey ile bir transduserden ibarettir. Kimyasal sensörler arasında oldukça önemli ve üzerinde en çok çalışılan sensör tipi Quartz Kristal Mikrobalans olarakda bilinen Quartz Kristal Rezonatördür. Quartz kristal rezonatörlerinin kimyasal sensör olarak kullanımı King ile başlar[8]. O yıllarda King, ilk olarak gaz kromatografisinde detektör olarak kimyasal bir film ile kaplanmış quartz kristalleri kullandı. Daha sonra aynı yöntem takip eden yıllarda sıvı kromatografiye de uygulandı. Kimyasal sensörlerin esas unsurlarından olan algılayıcı malzemeler hiç şüphesiz hangi gazın detekte edileceğini belirleyen önemli bir unsurdur. Bu sebeple algılayıcı malzemenin uygun şekilde değiştirilmesi ile istenen gazın detekte edilmesi mümkün olmaktadır. Bu sebeple geliştirilmeye açık kimyasal ara yüzeyli gaz sensörlerine ilgi giderek artmaktadır. Ancak yapısındaki bu basitliğe rağmen sensör hazırlama sürecinde dikkat edilmesi gereken iki önemli nokta bulunmaktadır. Bunlar algılayıcı malzemenin tespiti ile bu malzemenin transduser üzerine kaplama yöntemidir. Algılayıcı malzeme olarak genellikle oksim ve ftalosiyanin gibi büyük moleküllü kimyasallar popüler olarak kullanılmaktadır. Film hazırlama yöntemlerinin sensör karakteristiğine etkisi kimyasal sensör teknolojisine paralel olarak çeşitli tarihlerde incelenmiş ve halen de üzerinde çalışılan önemli konulardandır. Özellikle quartz yüzeyinde homojen olarak dağılmış veya belli yönlere yönelmiş moleküllerden ibaret film elde etmeyi hedefleyen yöntemler üzerinde yapılan çalışmalar mevcut yöntemleri geliştirmeyi ve yeni yöntemler oluşturmayı hedeflemektedir. Ancak film elde etme çalışmalarında filmi hazırlanmak istenen molekülün yapısının da film hazırlama yöntemini etkilediği göz önüne alınırsa film hazırlama tekniğininin önemi bir kat daha ortaya çıkmış olmaktadır. Bu çalışmada ilk önce smearing yöntemi ile hazırlanan oksim filmlerinin CCI4 duuyarlılığı incelenmiştir. Smearin yöntemi calışmalarımızda quartz üzerine cözünmüş halde bulunan kimyasal algılayıcı maddenin damlatılması şeklinde uygulanmıştır. Bu inceleme sonucunda bir optimum kalınlık tespit edilmiştir. Ancak tespit edilen bu kalınlığın bu yöntemle tekrarlanmasının zor olduğu ortaya çıkmış ve bu durumu ortadan kaldıracak ve dyarlılığı maksimuma çıkaracak yeni yöntemler aranmaya başlanmıştır. Bu süreç içerisinde jetsprey olarak isimlendirilen yeni bir kaplama yöntemi geliştirilmiştir. Bu inceleminin sonunda gerek QCM gerekse IDT tipi sensörlerde sensör cevabını sensör kaplama yöntemlerinin etkilediği sonucu ortaya çıkmıştır. Sensör cevabının maksimum olması ise transduser üzerinde oluşturulacak filmin homojenliğine ve kalınlığına bağlıdır. Sensör cevabının maksimum olması yanında önemli bir parametrede bir defa elde edilen sensörün daha sonra aynı karakteristikte tekrar elde edilebilmesidir. Yani tekrarlanabilirliğin sağlanması gerekir. Tekrarlanabilirlik parametresini ise smearing ile etmek mümkün olmamaktadır. Bu parametre jetsprey yöntemi ile sağlanabilmiştir. QCM sensörlerin kaplanmasında kaplama miktarını(kalınlığı) frekansmetre ile denetimi sağlanabilir. Frekansmetre ile kaplama işlemi belli konsantrasyonda hazırlama işlemini ortadan kaldırmaktadır. Bu nedenle kimyasal sensör elde edilme sürecinde frekansmetre denetiminin kullanılması diğer metotlara göre daha avantajlı olacaktır. Önemli bir başka nokta ise geliştirilen yöntem yalnızca kimyasal sensör hazırlamak amacıyla değil ince film kaplama teknikleri için oldukça elverişlidir.

The quartz crystal resonators work on the principle of changing mechanical energy into electrical energy. Gas chromotogtaph works on the principle that gas absorbtion directly effect the crystal natural frequency. Since the frequency can be measured with high accuracy, this method is used widely to detect gas or gases in a media. Chemical sensors are transducers which convert chemical signals into electrical or optical signals. They consist of a chemical interface unit and a transducer. The use of QCM as chemical sensors is first attributed to King . King[8] used quartz crystals which is coated with chemical film, as chemical detectors in gas cromatography. The same method were applied to liquid cromatography in the following years. The detection materials (chemical film) which is the main part of chemical sensors determine which gas or gases to be detected. It is possible to detect a certain gas or gases by changing the amount of detection materials. Researchers are interested in chemical sensors with coating material due to its capability to be used byvarious purposes. Though structure of chemical film is simple, there are two important issues during its preparetion process. The first is the selction of material and the second is the coating method over the transducer. Oksim and ftalosiyanin are the most used detection materials. The effect of film preparetion process over its characteristics have been investigated by researchers and research is still continuing with increasing trend. Researchers are encouraged to obtain films which dispersed on quartz cryistal surface homogenously. The film preparetion process strongly affect the structure of molecules of film materials and consequently sensor characteristics. This shows the importance of film preparetion process. This work first examines the sensitivity of oksim films to CCl4 which is prepared using the smearing methods. An optimum thicknes is searched where the sensitivity is maximum. A thichnes value is found where sensitivith is maximum compared to other thicknes values. But the experiment is not repeatable with this method, i.e the same thichness and homogenouty cannot be obtained whenever desired. The other known methods to obtain film over the crystal surface is LB (Langmuir Blodget), spin coating, smearing, vakum sublimation. All the methods require certain conditions which cannot easily be set up. In order to investigate the effect of film thichness over the sensitivity, a new method is searhed where the film thickness can be adjusted easily and homogenity is satisfied. The method called jetsprey coating method is developed in conjunction with this work. An optimum film thichnes is found where frequency sensitivity to amount of gas is maximum. The film thickness on QCM sensors coating process can be controlled by a frequencymeter. The use of frequencymeter will remove the burden of solution preparation process which is necessary in smearing coating process. For this reason the use of frequencymeter in coating process will be more advantageous over another coating process. The important point here is that the developed method can also be used for the thin organic film coats as well as chemical coats techniques.