Кварцевые микровесы с контролем рассеивания
В области науки о поверхности кварцевые микровесы с мониторингом рассеивания ( QCM-D ) — это тип кварцевых микровесов (QCM), основанный на методе кольцевого падения. Они используются в акустическом зондировании на границе раздела. Наиболее распространенное их применение — определение толщины пленки в жидкой среде (например, толщины адсорбированного слоя белка). Их можно использовать для исследования дополнительных свойств образца, в частности, мягкости слоя.
Метод
Ring-down как метод опроса акустических резонаторов был создан в 1954 году. [1] В контексте QCM он был описан Хирао и др. [2] и Родалем и др. [3] Активный компонент QCM представляет собой тонкий кварцевый кристаллический диск, зажатый между парой электродов. [4] Приложение переменного напряжения к электродам заставляет кристалл колебаться на своей акустической резонансной частоте . Когда переменное напряжение отключается, колебание затухает экспоненциально («rings down»). Это затухание регистрируется, и извлекаются резонансная частота (f) и коэффициент рассеяния энергии (D). D определяется как потеря энергии за период колебания, деленная на общую энергию, запасенную в системе. D равен резонансной полосе пропускания, деленной на резонансную частоту. Другие приборы QCM определяют полосу пропускания из спектров проводимости. Будучи QCM, QCM-D работает в режиме реального времени, не нуждается в маркировке и чувствителен к поверхности. Современное оборудование QCM-D позволяет измерять более 200 точек данных в секунду.
Изменения резонансной частоты (Δf) в первую очередь связаны с поглощением или высвобождением массы на поверхности датчика. При использовании в качестве датчика массы прибор имеет чувствительность около 0,5 нг/см 2 по данным производителя. Изменения коэффициента рассеяния (ΔD) в первую очередь связаны с вязкоупругостью (мягкостью). [5] Мягкость, в свою очередь, часто связана со структурными изменениями пленки, прилипшей к поверхности датчика.
Датчик массы
При работе в качестве датчика массы QCM-D часто используется для изучения молекулярной адсорбции/десорбции и кинетики связывания с различными типами поверхностей. В отличие от оптических методов, таких как спектроскопия поверхностного плазмонного резонанса (SPR), эллипсометрия или интерферометрия с двойной поляризацией , QCM определяет массу адсорбированной пленки, включая захваченный растворитель. Сравнение «акустической толщины», определенной с помощью QCM, и «оптической толщины», определенной любым из оптических методов, позволяет оценить степень набухания пленки в окружающей жидкости. [6] Разница в сухой и влажной массе, измеренная с помощью QCM-D и MP-SPR, более значительна в сильно гидратированных слоях, как можно видеть в. [7] [8] [9]
Поскольку на мягкость образца влияет множество параметров, QCM-D полезен для изучения молекулярных взаимодействий с поверхностями, а также взаимодействий между молекулами. QCM-D обычно используется в областях биоматериалов , клеточной адгезии, открытия лекарств, материаловедения и биофизики. Другие типичные приложения — это характеристика вязкоупругих пленок, конформационные изменения осажденных макромолекул, наращивание полиэлектролитных мультислоев и деградация или коррозия пленок и покрытий.
Ссылки
- ^ Sittel, Karl; Rouse, II, Prince E.; Bailey, Emerson D. (1954). «Метод определения вязкоупругих свойств разбавленных полимерных растворов на аудиочастотах». Journal of Applied Physics . 25 (10): 1312–1320. Bibcode : 1954JAP....25.1312S. doi : 10.1063/1.1721552.
- ^ Хирао, Масахико; Оги, Хироцугу; Фукуока, Хидеказу (1993). «Система резонансного ЭМА для измерения акустоупругого напряжения в листовых металлах». Обзор научных приборов . 64 (11): 3198–3205. Bibcode :1993RScI...64.3198H. doi :10.1063/1.1144328. hdl : 11094/3191 .
- ^ Родаль, Майкл; Касемо, Бенгт Герберт (1998-06-04) [май 1996]. "Простая установка для одновременного измерения резонансной частоты и абсолютного коэффициента рассеяния кварцевого кристалла микровесов". Обзор научных приборов . 67 (9): 3238–3241. Bibcode : 1996RScI...67.3238R. doi : 10.1063/1.1147494 .
- ^ Йохансманн, Дитхельм (2007). «Исследования вязкоупругости с помощью QCM». В Steinem, Claudia; Janshoff, Andreas (ред.). Пьезоэлектрические датчики . Серия Springer по химическим датчикам и биосенсорам. Том 5. Берлин / Гейдельберг: Springer-Verlag (опубликовано 2006-09-08). стр. 49–109. doi :10.1007/5346_024. ISBN 978-3-540-36567-9. ISSN 1612-7617.
- ^ Йохансманн, Дитхельм (2008). «Вязкоупругие, механические и диэлектрические измерения на сложных образцах с помощью кварцевого микровеса». Физическая химия Химическая физика . 10 (31): 4516–4534. Bibcode : 2008PCCP...10.4516J. doi : 10.1039/b803960g. PMID 18665301.
- ^ Планкетт, Марк А.; Ван, Чжэхуэй; Ратленд, Марк В.; Йохансманн, Дитхельм (2003). «Адсорбция слоев pNIPAM на гидрофобных золотых поверхностях, измеренная in situ с помощью QCM и SPR». Langmuir . 19 (17): 6837–6844. doi :10.1021/la034281a.
- ^ Vuoriluoto, Maija; Orelma, Hannes; Johansson, Leena-Sisko; Zhu, Baolei; Poutanen, Mikko; Walther, Andreas; Laine, Janne; Rojas, Orlando J. (10 декабря 2015 г.). «Влияние молекулярной архитектуры статистических и блочных сополимеров PDMAEMA–POEGMA на их адсорбцию на регенерированных и анионных наноцеллюлозах и доказательства вытеснения воды с поверхности раздела». The Journal of Physical Chemistry B. 119 ( 49): 15275–15286. doi :10.1021/acs.jpcb.5b07628. PMID 26560798.
- ^ Мохан, Тамилсельван; Нигельхелл, Катрин; Зарт, Синтия Саломао Пинту; Каргл, Руперт; Кестлер, Стефан; Рибич, Волкер; Хайнце, Томас; Спирк, Стефан; Стана-Кляйншек, Карин (10 ноября 2014 г.). «Запуск адсорбции белка на специально подобранных катионных целлюлозных поверхностях». Биомакромолекулы . 15 (11): 3931–3941. дои : 10.1021/bm500997s. ПМИД 25233035.
- ^ Эмильссон, Густав; Шох, Рафаэль Л.; Фойц, Лоран; Хёк, Фредрик; Лим, Родерик Й. Х.; Далин, Андреас Б. (15 апреля 2015 г.). «Сильно растянутые протеин-устойчивые щетки из полиэтиленгликоля, полученные методом прививки». ACS Applied Materials & Interfaces . 7 (14): 7505–7515. doi : 10.1021/acsami.5b01590 . PMID 25812004.
