JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

يمكن للتوازن الكريستال الكوارتز الدقيقة توفر خصائص الكتلة والمرونة للأفلام في نطاق ميكرون أو submicron ، والتي هي ذات الصلة للتحقيقات في الطب الحيوي والاستشعار البيئي ، والطلاء ، وعلم البوليمر. سمك العينة يؤثر علي المعلومات التي يمكن الحصول عليها من المواد في اتصال مع جهاز الاستشعار.

Abstract

في هذه الدراسة ، ونحن نقدم أمثله مختلفه عن كيفيه اعداد الفيلم رقيقه للتجارب الكوارتز الكريستال موازين يعلم النمذجة المناسبة للبيانات ويحدد الخصائص التي يمكن قياسها من الفيلم. يوفر الميزان المجهري البلوري الكوارتز منصة حساسة فريدة لقياس التغيرات الدقيقة في الخصائص الشاملة و/أو الميكانيكية للفيلم التطبيقي من خلال مراقبه التغيرات في الرنين الميكانيكي لبلوره الكوارتز المتذبذبة بتردد عال. وتشمل مزايا هذا النهج براعة التجريبية ، والقدرة علي دراسة التغيرات في الخصائص علي مدي مجموعه واسعه من أطوال الوقت التجريبي ، واستخدام احجام العينات الصغيرة. نحن نثبت ان, يؤسس علي السماكة وقص معامل من الطبقة يرسب علي المحس, نحن يستطيع اكتسبت معلومة مختلفه من المادة. هنا ، يتم استغلال هذا المفهوم علي وجه التحديد لعرض المعلمات التجريبية مما ادي إلى الحسابات الشاملة والمرنة من الكولاجين الممتز علي الذهب والمجمعات بوليالكتروليت خلال تورم كوظيفة من تركيز الملح.

Introduction

الكوارتز الكريستال المجهرية (QCM) روافع التاثير الكهربائي من كريستال الكوارتز لرصد ترددها الرنانة ، والتي تعتمد علي كتله التمسك السطح. وتقارن هذه التقنية بين التردد الرنان وعرض النطاق الترددي لمستشعر كريستال الكوارتز من القطع (في نطاق MHz 5)1 في الهواء أو السائل إلى التردد وعرض النطاق الترددي لجهاز الاستشعار بعد ترسب الفيلم. هناك العديد من الفوائد لاستخدام QCM لدراسة خصائص الفيلم رقيقه والواجات ، بما في ذلك حساسية عاليه للكتلة ويحتمل ان تغيرات الملكية المرنة (اعتمادا علي عينه التوحيد والسماكة) ، والقدرة علي أداء الدراسات في الموقع2، والقدرة علي التحقق من مقياس الحركة أقصر بكثير من الريولوجيا التحقق من فتره زمنيه قصيرة ريولوجيكال يسمح ملاحظه كيف الاستجابة في هذا المقياس الزمني يتغير علي حد سواء علي مدي قصيرة للغاية (ms)3 وطويلة (سنوات) المدد4. هذه القدرة مفيده لدراسة مجموعه متنوعة من العمليات الحركية وأيضا امتدادا مفيدا للتقنيات الريمتريه التقليدية5,6.

وقد أدت الحساسية العالية لل QCM أيضا إلى استخدامها الكثيف في التطبيقات البيولوجية التي تدرس التفاعلات الاساسيه لجزيئات حيوية صغيره للغاية. ويمكن استخدام سطح الاستشعار غير المصقول أو وظيفية للتحقيق في الامتزاز البروتين. وعلاوة علي ذلك ، يمكن فحص الاستشعار البيولوجي من خلال احداث الربط المعقدة بين الانزيمات والأجسام المضادة والابتامرات استنادا إلى التغييرات في الكتلة7و8و9. علي سبيل المثال ، تم استخدام هذه التقنية لفهم تحويل الحويصلات إلى طبقه من الدهون المستوه كعمليه من مرحلتين الامتزاز من الحويصلات المحتوية علي السوائل إلى بنيه جامده من خلال مراقبه التغيرات المرتبطة بالتردد ومرونة الرؤية10. في السنوات الاخيره ، قدمت QCM بالاضافه إلى ذلك منصة قويه لرصد تسليم المخدرات عن طريق الحويصلات أو الجسيمات النانويه11. عند تقاطع هندسه المواد والبيولوجيا الجزيئية والخلوية ، يمكننا استخدام QCM لتوضيح التفاعلات الرئيسية بين المواد والمكونات النشطة بيولوجيا مثل البروتينات ، والأحماض النووية ، والدهنيات ، والخلايا. علي سبيل المثال ، الامتزاز البروتين إلى الكيمياء الحيوية يتوسط الاستجابات الخلوية المصب مثل التهاب وغالبا ما يستخدم كمؤشر إيجابي من التوافق البيولوجي ، بينما في حالات أخرى ملحق البروتين خارج الخلية إلى الطلاء التي واجهه مع الدم يمكن ان تحفز تخثر خطيره في السفن12،13. التالي يمكن استخدام QCM كاداه لاختيار المرشحين الأمثل لتلبيه الاحتياجات المختلفة.

ويجمع النهجان الشائع لاجراء تجارب QCM بيانات مماثله من التجربة: يسجل النهج الأول تحول التردد ونصف العرض الترددي (Γ) لذروه التوصيل. النهج الثاني ، QCM مع تبديد (QCM-D) ، يسجل التحول التردد وعامل تبديد ، والذي يتناسب مباشره مع Γ من خلال المعادلة 1 ،14

figure-introduction-28811

حيث D هو عامل تبديد و ƒ هو التردد. وترتبط كل من D و Γ إلى تاثير التخميد الفيلم لديه علي جهاز الاستشعار ، والذي يعطي مؤشرا علي صلابة الفيلم. ال [سوببت ] يدل ال [اوفرتون] تردد أو توافقي, اي يكون الترددات غريبه رنانه من الكوارتز محس (ن = 1, 3, 5, 7...). ويمكن الاطلاع علي مزيد من المناقشة للنماذج باستخدام التوافقيات متعددة للحصول علي خصائص الكتلة والمرونة من الفيلم في مراجعه من قبل جوهنسمان14 والأوراق السابقة من مجموعه shull15,16,17,18.

أحد الاعتبارات الرئيسية لاعداد عينات QCM هو كيفيه تطبيق الفيلم رقيقه علي سطح الاستشعار. وتشمل بعض الطرق الشائعة الطلاء ، وتراجع طلاء ، وانخفاض الطلاء ، أو الامتزاز من الفيلم علي سطح الاستشعار خلال التجربة19،20. هناك أربع مناطق لعينات QCM: الحد ساوربري ، ونظام المرونة ، والنظام السائب ، والنظام المحموم. لأفلام رقيقه بما فيه الكفاية, يطبق الحد ساوربري, حيث التردد تغير (Δƒ) يزود السطح كثافة كتله من الفيلم. داخل الحد ساوربري ، والتحول تردد موازين خطيا مع التوافقي الرنانة ، ن ، والتغيرات في عامل التخميد (D أو Γ) هي عموما صغيره. في هذا النظام لا تتوفر معلومات كافيه لتحديد خصائص الريولوجيكال للطبقة بشكل فريد دون القيام بافتراضات اضافيه. وتستخدم البيانات في هذا النظام لحساب كثافة الكتلة السطحية (أو سمك إذا كانت الكثافة معروفه مسبقا) من الفيلم. في النظام السائب حيث المتوسطة في اتصال مع الكريستال سميكه بما فيه الكفاية ، تنتشر موجه القص التي لا تخدير في الوسط قبل ان يتم التراجع تماما. هنا ، لا يمكن الحصول علي معلومات شامله باستخدام Δƒ. ومع ذلك ، في هذه المنطقة ، يتم تحديد خصائص لزجه بشكل موثوق باستخدام مزيج من Δƒ و δγ 15،18. في نظام السائبة ، إذا كانت الوسيلة جامده جدا ، فان الفيلم رطبه من صدي الاستشعار ، ومنع جمع اي بيانات موثوق بها من QCM. النظام المرن هو النظام الوسيط حيث الفيلم هو رقيقه بما يكفي ليكون موجه القص تنتشر بالبالكامل من خلال الفيلم ، فضلا عن القيم التي يمكن الاعتماد عليها لعامل التخميد. ويمكن بعد ذلك استخدام عامل التخميد و Δƒ لتحديد الخصائص المرنة للفيلم وكذلك كتلته. هنا ، يتم إعطاء خصائص الفيكومرن من قبل المنتج من كثافة وحجم معامل القص المعقدة | G* | p وزاوية المرحلة المعطية بواسطة Φ = arctan (g " / g '). عندما يتم اعداد الأفلام في الحد ساوربري ، يمكن حساب كتله لكل وحده المنطقة مباشره استنادا إلى معادله ساوربري المبينة أدناه21،

figure-introduction-55692

حيث Δƒn هو التغيير في تردد رنانه ، n هو يغلب من الفائدة ، ƒ1 هو تردد رنانه من جهاز الاستشعار ، Δm / A هو كتله لكل منطقه من الفيلم ، و zس هو معاوقه الصوتية من الكوارتز ، والتي ل في قطع الكوارتز هو zq = 8.84 x 106كغ / م2s. النظام المرن هو الأنسب لدراسة أفلام البوليمر ، والحد الأكبر هو مفيد لدراسة البوليمر اللزج22 أو حلول البروتين16. يعتمد النظامات مختلفه علي الخاصية من المادة من فائده, مع السماكة مثلي ل يشبع [فيكومرن] ووصف شامله عموما يزيد مع الفيلم صلابة. ويصف الشكل 1 المناطق الأربع فيما يتعلق بالكثافة المساحية للفيلم ، ومعامل القص المعقد ، وزاوية المرحلة ، حيث افترضنا علاقة محدده بين زاوية المرحلة وصلابة الفيلم التي ثبت انها ذات صله بالمواد من هذا النوع. العديد من الأفلام ذات الاهتمام العملي هي سميكه جدا لدراسة خصائص المرونة مع QCM ، مثل الاغشيه البيولوجية معينه ، حيث سمك هي علي ترتيب عشرات إلى مئات من ميكرون23. هذه الأفلام السميكة عموما ليست مناسبه للدراسة باستخدام QCM ، ولكن يمكن قياسها باستخدام رنانات تردد اقل بكثير (مثل الرنات الدوارة)23، مما يسمح للموجه القص لنشر المزيد في الفيلم.

لتحديد النظام الذي هو ذات الصلة لعينه qcm معينه ، فمن المهم ان نفهم المعلمة d /λn ، والذي هو نسبه سمك الفيلم (د) إلى الطول الموجي القص من التذبذب الميكانيكية للاستشعار الكريستال الكوارتز (λn)15،16،18. نظام لزج المثالي هو d /λn = 0.05-0.218، حيث القيم أدناه 0.05 هي في حدود ساوربري والقيم أعلاه 0.2 تقترب من النظام السائب. ويرد وصف أكثر صرامة من d /λn في مكان آخر15,18, ولكنها معلمه كميه تحديد الحد ساوربري والحد لزجه. توفر برامج التحليل المستخدمة أدناه هذه المعلمة مباشره.

هناك بعض القيود الاضافيه لتحليل الأفلام الرقيقة مع QCM. تفترض الحسابات الساوربريه والمطاطية ان الفيلم متجانس في كل من سماكه الفيلم وأفقيا عبر سطح القطب الكهربائي لل QCM. في حين ان هذا الافتراض يجعل من الصعب دراسة الأفلام التي لديها فراغات أو الحشو الحالية ، كانت هناك بعض التحقيقات QCM في الأفلام التي تتكون من المواد النانويه المطعمة6. إذا كانت تغاير صغيره بالمقارنة مع سمك الفيلم العام ، يمكن الحصول علي خصائص المرونة التي يمكن الاعتماد عليها من النظام المركب لا يزال. النسبة للانظمه الأكثر تجانسا ، ينبغي دائما النظر إلى القيم التي يتم الحصول عليها من تحليل المرونة الفائقة بحذر شديد. ومن الناحية المثالية ، ينبغي التحقق من صحة النتائج التي يتم الحصول عليها من نظم ذات تغاير غير معروف ضد النظم المعروفة بأنها متجانسة. وهذا هو النهج الذي اتبعناه في نظام المثال الموصوف في هذه الورقة.

ومن النقاط المهمة التي نوضحها في هذه الورقة التطابق الدقيق بين قياسات QCM التي أجريت في مجال الترددات (حيث تم الإبلاغ عن Γ ) وتجارب النطاق الزمني (حيث يتم الإبلاغ عن D ). يتم وصف النتائج من تجربتين مختلفتين QCM ، مجال زمني واحد ومجال تردد واحد ، كل منها يتضمن نظام نموذج مختلف ولكن من الناحية المفاهيمية. النظام الأول هو مثال بسيط علي التصاق الكولاجين بالمستشعر لتوضيح حركيه الربط التمثيلية وتاخيرمن الامتزاز مع مرور الوقت اثناء قياس النطاق الزمني (QCM-D). الكولاجين هو البروتين الأكثر وفره في الجسم ، والمعروف ببراعته في السلوكيات الملزمة والمورفولوجية. محلول الكولاجين المستخدم هنا لا يتطلب المزيد من الوظيفية لسطح الاستشعار الذهب للحث علي الامتزاز9. اما النظام التجريبي الثاني فهو مركب متعدد الشوارد (PEC) يتالف من سلفونات البوليسترين الانيوني (PSS) والبولية التي أعدت بنفس الطريقة مثل Sadman et al.22... هذه المواد تنتفخ وتصبح لينه في الملح (KBr في هذه الحالة) الحلول ، وتقدم منصة بسيطه لدراسة ميكانيكا البوليمر باستخدام نهج مجال التردد (QCM-Z). النسبة لكل بروتوكول ، فان عمليه اعداد وأخذ وتحليل القياس مبينه في الشكل 2. ويبين التخطيط ان الفرق الرئيسي بين النهج QCM-Z و QCM-D هو في خطوه جمع البيانات والاجهزه المستخدمة في التجربة. وجميع تقنيات اعداد العينات المذكورة متوافقة مع كلا النهجين ، ويمكن لكل نهج ان يحلل العينات في المناطق الثلاث المبينة في الشكل 1.

بياناتنا تثبت ان اعداد العينات ، سواء عن طريق طلاء الاستشعار قبل أو اثناء القياس ، يملي القدرة علي استخراج الخصائص المرنة للنظام. من خلال تصميم المراحل المبكرة من التجربة بشكل مناسب ، يمكننا تحديد المعلومات التي يمكننا جمعها بدقه اثناء خطوه التحليل.

Protocol

QCM-D الكولاجين الامتزاز

1. اعداد العينة والاستشعار قبل التنظيف

  1. اعداد 20 مل من 0.1 M خلات العازلة ، وضبط درجه الحموضة مع حمض الهيدروكلوريك و NaOH حسب الضرورة لتحقيق الأس الهيدروجيني = 5.6.
  2. أضافه محلول الكولاجين ذيل الفئران إلى 20 مل من العازلة خلات في ظل ظروف معقمه للتركيز النهائي من 10 ميكروغرام/مل.
  3. تنظيف مستشعر الكوارتز المطلي بالذهب لأزاله المواد العضوية والبيولوجية25،26.
    1. وضع جهاز استشعار الجانب النشط حتى في غرفه الاشعه فوق البنفسجية/الأوزون وعلاج السطح لمده 10 دقيقه تقريبا.
    2. سخني خليط 5:1:1 من الماء منزوع الأيونات (2س) ، الأمونيا (25%) وبيروكسيد الهيدروجين (30 ٪) إلى 75 درجه مئوية. ضع جهاز الاستشعار في الحل لمده 5 دقائق.
    3. شطف جهاز الاستشعار مع dH2س والجافة مع تيار من غاز النيتروجين.
    4. وضع جهاز استشعار الجانب النشط حتى في غرفه الاشعه فوق البنفسجية/الأوزون وعلاج السطح لمده 10 دقيقه.
      ملاحظه: يجب اجراء التنظيف علي الفور قبل قياس للتقليل من التلوث البيئي علي سطح المستشعر.

2. الحصول علي بيانات القياس QCM-D

  1. تشغيل جميع المعدات اللازمة لاتخاذ قياس بما في ذلك مضخة ، وحده الكترونيات ، وبرامج الكمبيوتر.
  2. أزاله وحده تدفق من منصة الغرفة وفك مسامير الإبهام كبيره لفتح وحده نمطيه.
  3. إذا تم ترك المستشعر بعد التنظيف الاولي (الخطوات 1-3-1-1.3.4) ، اشطف جهاز الاستشعار بالماء منزوع الأيونات (dH2س) وجففه بتيار من غاز النيتروجين لضمان عدم وجود ملوثات علي السطح.
  4. جبل الاستشعار في وحده تدفق علي المكشوفة يا الدائري ، أولا تجفيف المنطقة مع تيار من غاز النيتروجين والتحقق من ان O-الدائري هو الكذب شقه. يجب وضع جهاز الاستشعار مع الجانب السطح النشط لأسفل والقطب علي شكل مرساه المنحى نحو علامة في وحده تدفق.
  5. تحويل مسامير الإبهام لختم وحده التدفق واستبدالها علي منصة الغرفة. نعلق اي أنابيب مضخة PTFE اللازمة لوحده التدفق والمضخة الخارجية.
  6. باستخدام برامج الكمبيوتر المناسبة ، قم بتعيين درجه حرارة وحده التدفق إلى 37 درجه مئوية. مراقبه درجه الحرارة المتغيرة لمده 10-15 دقيقه للتاكد من انه يتوازن في القيمة المطلوبة.
  7. العثور علي ترددات الرنين الاولي للاستشعار. إذا لم يتم العثور علي اي ترددات الرنين من قبل البرنامج ، تحقق من ان وحده التدفق هو وضعها بشكل صحيح علي منصة الغرفة أو أعاده تركيب جهاز الاستشعار في وحده تدفق للتاكد من انه يتركز وجعل الاتصال الكهربائية المناسبة.
  8. وضع أنابيب مضخة مدخل في محلول الفوسفات 1x المخزنة مؤقتا (تلفزيوني). بدء تدفق مضخة خارجيه في 25 μL/min وبصريا فحص الأنابيب للتاكد من ان السائل يتدفق من خلال الأنبوب.
    ملاحظه: قد يكون تدفق السوائل أسهل لرؤية بشكل مؤقت زيادة معدل تدفق السائل إلى 100 μL/min أو أكبر. إذا كان السائل لا يبدو ان تتحرك من خلال الأنبوب ، فمن المرجح ان الجزءين من وحده تدفق لا تخلق ختم السليم. محاولة تشديد مسامير الإبهام ، وتشديد الموصلات من الأنابيب إلى مدخل ومخرج ، أو أعاده تركيب جهاز استشعار للتاكد من ان O-الدائري هو مسطح وتوسيط.
  9. السماح تدفق السوائل من برنامج تلفزيوني 1x من خلال وحده تدفق لمده 15 دقيقه علي الأقل لتتوازن بشكل صحيح.
  10. بدء القياس في برنامج الكمبيوتر لبدء الحصول علي البيانات. راقب قيم التردد والتبديد لمده 5 دقائق علي الأقل لضمان خط أساس مستقر.
  11. إيقاف المضخة ونقل أنابيب مدخل إلى محلول الكولاجين خلات العازلة ، واستئناف تدفق السوائل. لاحظ وقت هذا الحدث للتحليل اللاحق.
  12. السماح لقيم التردد والتبديد الجديدة بالتتوازن إلى قيمه ثابته. هنا ، نتوقع ان يحدث هذا الاستقرار بعد 8-12 h.
  13. وقف المضخة ، ونقل الأنابيب مدخل مره أخرى إلى الحل تلفزيوني 1x ، واستئناف تدفق السوائل. لاحظ وقت هذا الحدث للتحليل اللاحق.
  14. السماح لقيم التردد والتبديد الجديدة بالتتوازن إلى قيمه ثابته. هنا ، يحدث هذا الاستقرار بعد 30 دقيقه.
    ملاحظه: يمكن تكرار الخطوات 2.13 و 2.14 لكل فتره جديده من تدفق السوائل في تجارب أكثر صرامة مع عدد أكبر من المراحل.
  15. إنهاء الحصول علي البيانات من القياس وحفظ البيانات.
  16. تنظيف وتفكيك معدات QCM.
    1. زيادة معدل تدفق السوائل من المضخة الخارجية إلى 500 μL/min أو أكبر ووضع أنابيب مدخل في حل من 2 ٪ حل التنظيف Hellmanex لمده 20 دقيقه علي الأقل.
      ملاحظه: بالنسبة للتجارب الأخرى ، إذا كان من المرغوب فيه اجراء مزيد من التحليل لجهاز الاستشعار ، قم بازاله جهاز الاستشعار قبل 2.16.1 الخطوة ووضع مستشعر تنظيف آخر في الوحدة النمطية.
    2. إيقاف المضخة ونقل أنابيب مدخل إلى dH2س ، واستئناف تدفق السوائل لمزيد من تدفق النظام لمده 20 دقيقه علي الأقل.
    3. إيقاف تدفق السوائل وأزاله جهاز الاستشعار من وحده التدفق. تجفيف جهاز الاستشعار وداخل وحده تدفق مع تيار من غاز النيتروجين. قم بإيقاف تشغيل برامج الكمبيوتر ووحده الكترونيات والمضخة التمعجيه.
      ملاحظه: يمكن تنظيف أجهزه الاستشعار المطلية بالذهب بشكل صحيح ، كما هو مفصل في الخطوات 1-3-1-1.3.4 ، وأعاده استخدامها لعده قياسات. وقد تشمل المؤشرات التي تفيد بأنه لم يعد من الممكن أعاده استخدام المستشعر لاجراء قياسات موثوق بها ، ولكنها لا تقتصر علي التغير الكبير في ترددات الرنين الاولي والانجرافات الكبيرة في قياسات خط الأساس مع التدفق الاحتياطي. يمكن فتح البيانات وتحليلها في البرنامج المفضل ، بما في ذلك تلك التي تقدمها الشركات المتخصصة في معدات QCM-D.

QCM معقده البولي بالكهرباء تورم

3. اعداد العينات

ملاحظه: تم تنفيذ هذه التجربة باستخدام برنامج MATLAB التي تم تطويرها داخل مجموعه البحث Shull لجمع البيانات وتحليلها.

  1. أولا ، وضع جهاز استشعار الكريستال الكوارتز العارية في حامل عينه متصلة محلل الشبكة المتجهة والكمبيوتر. بدوره علي محلل لتطبيق الجهد تتارجح إلى جهاز الاستشعار ، وجمع الطيف الموصلات المرجعية للاستشعار في الهواء.
  2. دمج حامل العينة في كوب 100 mL التعساء مملوءة بالماء المقطر وجمع الطيف الموصلات المرجعية للاستشعار العارية في الماء.
  3. اعداد محلول 0.5 M من بروميد البوتاسيوم (KBr).
    1. ذوب 1.79 غ من KBr في 30 مل من الماء المقطر. يهز حتى يذوب.
    2. ادراج رقاقه السيليكون الصغيرة في الحل KBr في زاوية لخلق شريحة للاستشعار الكوارتز خلال خطوه الصلب لمنع الفيلم من الخروج من جهاز الاستشعار.
  4. اعداد جهاز استشعار لطلاء تدور.
    1. تعيين المعلمات تدور معطف إلى 10,000 لفه في الدقيقة ، 8,000 تسارع ، و 5 ق.
    2. ادراج الاستشعار علي المغطي تدور وتشغيل الفراغ.
    3. تغطيه سطح جهاز الاستشعار مع الايثانول وتشغيل المغطي تدور لتنظيف سطح الاستشعار.
    4. أضافه PEC (PSS: PDADMA أعدت بنفس الطريقة كما هو مفصل في Sadmanوآخرون. 22) علي سطح جهاز الاستشعار.
      1. إذا كان المجمع علي مرحلتين (البوليمر الغنية والبوليمر الفقراء) ، ببطء ادراج ماصه pipet-x في الحل. اخلاء ماصه pipet-x عن طريق نفخ فقاعات اثناء تحريك ماصه pipet-x في المرحلة الغنية البوليمر أكثر كثافة.
      2. بعد الإفراج عن فقاعات زوجين في المرحلة الغنية البوليمر ، ورسم ما يصل 0.5-0.75 مل من محلول البوليمر الغنية في pipet. الحفاظ علي الضغط علي لمبة ماصه pipet-x لعدم السماح للمرحلة الفقراء البوليمر لدخول ماصه pipet-x ، ورسم ماصه pipet-x للخروج من الحل.
      3. امسحي الخارج من الأنابيب باستخدام الكيممسح. أضافه الحل بما فيه الكفاية قطره علي سطح جهاز استشعار الكوارتز لتغطيه السطح تماما. تاكد من عدم وجود فقاعات مرئية في الحل علي سطح جهاز الاستشعار.
  5. تدور طبقه العينة PEC وعلي الفور دمج جهاز الاستشعار في الحل 0.5 M KBr لمنع تبلور الملح علي الفيلم.
    ملاحظه: هذه الخطوة في بعض الأحيان من الصعب تنسيق. الإفراج عن جهاز الاستشعار فقط فوق الحل KBr للحصول علي أفضل النتائج.
  6. السماح للفيلم إلى اننيل لمده 12 ساعة علي الأقل.
    ملاحظه: لسهوله تنفيذ التجربة ، واعداد الخطوة 4 في المساء والسماح للفيلم إلى اننيل بين عشيه وضحيها.

4. قياس الفيلم في الهواء والماء

  1. نقل المستشعر إلى كوب مملوء بالماء المقطر لأزاله KBr الزائدة من الفيلم والجانب الخلفي من جهاز الاستشعار. ترك جهاز الاستشعار في الحل لمده 30-60 دقيقه.
  2. اتخاذ قياس الفيلم في الهواء. اشاره إلى جهاز استشعار عاريه في الهواء. السماح للبيانات الفيلم لتتوازن.
  3. ادراج كبريتات الكالسيوم المجففة في الكاس 100 mL التعساء وقياس سمك الفيلم الجاف تماما. أزاله كبريتات الكالسيوم من الكاس وشطف الكاس مع الماء المقطر.
  4. ملء الكاس 100 mL التعساء مع 30 مل من الماء المقطر. ادراج شريط تحريك لضمان المياه المتداولة حول الفيلم. قياس الفيلم في الماء لحوالي 30-45 دقيقه أو حتى يتم معايرتها البيانات الفيلم. الاشاره إلى المستشعر العاري في الماء.
  5. اعداد محلول 15 مل من 3 M KBr في الماء المقطر. قياس 5.35 g من KBr إلى اسطوانه تخرج وملء 15 مل مع الماء المقطر. دوامه حتى يذوب.
  6. أضافه حل KBr إلى الكاس مع الماء المقطر في زيادات 0.1 M. يوضح الجدول 1 زيادات 0.1 m في مل من محلول 3 m KBr. واجه الفيلم بعيدا عن المكان الذي يتم فيه أضافه حل KBr إلى الماء بحيث لا يذوب الفيلم. تاكد من ان النظام قد معايرتها قبل أضافه أضافه أخرى من الحل KBr.
  7. بعد ان تم الحصول علي جميع البيانات ، وأزاله الفيلم من حامل ووضع في كوب من الماء المقطر. السماح للملح لمغادره الفيلم (30-60 دقيقه) والهواء الجاف الفيلم.
  8. لتنظيف الفيلم PEC من جهاز الاستشعار ، أضافه KBr إلى الكاس ودوامه بلطف الحل. السماح للجلوس لمده 5-10 دقيقه. كرر هذه العملية 2-3 مرات ، ثم شطف جهاز الاستشعار مع الماء المقطر.
    ملاحظه: يمكن تنظيف المستشعر وأعاده استخدامه إذا كانت الاستجابة من جهاز الاستشعار لا تزال جيده. ويمكن التحقق من ذلك من قبل جهاز استشعار وجود قراءات عرض النطاق الترددي المطلق الصغيرة للتناسق من الفائدة (< 100 هرتز).

5. تحليل البيانات

  1. فتح تحليل البيانات QCM-D واجهه المستخدم الرسوميه MATLAB التي انشاتها Sadman (https://github.com/sadmankazi/QCM-D-Analysis-GUI)27. فتح الفيلم في ملف بيانات الهواء عن طريق اختيار "تحميل QCM."
    ملاحظه: وقد وضعت مجموعه Shull واجهه المستخدم الرسوميه بيثون مماثله لجمع البيانات وتحليل ل QCM (https://github.com/shullgroup/rheoQCM). ويرد جزء من شفره التحليل في المعلومات التكميلية لتحليل البيانات وتوليد الأرقام في هذه الورقة.
  2. حدد الحساب المطلوب (اما 3 ، 5 ، 3 أو 3 ، 5 ، 5) ، جاما، والفيلم في أيقونات الهواء . انقر فوق الرسم QCM.
  3. تحديد سماكه الفيلم الجاف باستخدام نقطه البيانات الأكثر معايرتها (عاده نقطه البيانات الاخيره) من التجربة. تسجيل هذه القيمة.
  4. فتح الفيلم في ملف بيانات المياه. حدد نفس المعلمات كما في الخطوة 5.2 ، باستثناء فيلم في الماء بدلا من الفيلم في الهواء.
  5. بعد كل خطوه تاخيرمنه من التجربة تورم ، تحديد سمك الفيلم ، ومعامل القص المعقدة ، وزاوية المرحلة لزجه. سجل هذه القيم مع قوه الايونيه (تتراوح بين 0-1 M في زيادات 0.1 M).
  6. تحديد النسبة المئوية لتورم كما
    figure-protocol-104523
    حيث dp هو سمك الفيلم من الحل و موانئ دبيالجافة هو سمك الفيلم الجاف.

النتائج

التغيرات في تردد مع الوقت اثناء الامتزاز البروتين يحمل منحني مميزه والهضبة المبينة في الشكل 3ا-ب. ويؤدي الغسل المؤقت الاولي لجهاز العرض التلفزيوني 1x عبر سطح المستشعر العاري إلى تغييرات طفيفه في التردد ، مما يوفر أساسا ثابتا للعمل كمرجع لنقاط البيانات المستقبلية. ...

Discussion

وتمتد نتائج الامتزاز الكولاجين إلى الانظمه الساوربريه والمطاطية. من خلال التامر علي التحولات تردد تطبيع إلى الرقم التوافقي المطابق ، نلاحظ ان الحد ساوربري ينطبق علي ما يقرب من الأول 2 ح من القياس. مع زيادة التمسك الشامل للاستشعار ، ومع ذلك ، فان التحولات وتيره تطبيع للتوافقيات الثالث والخ...

Disclosures

وليس لدي المؤلفين ما يفصحون عنه.

Acknowledgements

وكان هذا العمل مدعوما من NSF (DMR-1710491, OISE-1743748). J.R. و E.S. الاعتراف بالدعم من NSF (DMR-1751308).

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
Acetic acidSigma-AldrichA6283For collagen adsorption
Ammonium hydroxide solutionSigma-Aldrich221228For collagen adsorption
Aqueous QCM probeAWSensorsCLS 00050 AFor polyelectrolyte swelling
Collagen I Rat Protein, TailThermo Fisher ScientificA1048301For collagen adsorption
Distilled waterSigma-AldrichEM3234For polyelectrolyte swelling; generally easy to acquire in research labs, but there is a catalog number in case it is not accessible
EthanolSigma-Aldrich793175-1GA-PBFor polyelectrolyte swelling
Gibco Phosphate Buffered SalineThermo Fisher Scientific20012-027For collagen adsorption
Hellmanex IIISigma-AldrichZ805939For collagen adsorption
Hydrogen peroxide solutionSigma-Aldrich216763For collagen adsorption
Kimberly-Clark Professional Kimtech Science Kimwipes Delicate Task Wipers, 1-PlyFisher Scientific06-666AFor polyelectrolyte swelling
NP2K VNAMakarov InstrumentsFor polyelectrolyte swelling
Poly(diallyldimethylammonium chloride), MW 200,000Sigma-Aldrich409022For polyelectrolyte swelling; for full synthesis procedure see Sadman et al.
Poly(styrene-sulfonate) sodium salt 30% weight in waterSigma-Aldrich561967-500GFor polyelectrolyte swelling; for full synthesis procedure see Sadman et al.
Potassium BromideSigma-Aldrich793604-1KGFor polyelectrolyte swelling
QSense QCM Explorer SystemBiolin ScientificFor collagen adsorption
Sodium acetate, anhydrousSigma-AldrichS2889For collagen adsorption
Spin coater, Model WS-650MZ-23NPPLaurell technologiesFor polyelectrolyte swelling

References

  1. Marx, K. A. Quartz crystal microbalance: A useful tool for studying thin polymer films and complex biomolecular systems at the solution - Surface interface. Biomacromolecules. 4 (5), 1099-1120 (2003).
  2. Kleber, C., Hilfrich, U., Schreiner, M. In situ QCM and TM-AFM investigations of the early stages of degradation of silver and copper surfaces. Applied Surface Science. 253 (7), 3712-3721 (2007).
  3. Yeh, C. J., Hu, M., Shull, K. R. Oxygen Inhibition of Radical Polymerizations Investigated with the Rheometric Quartz Crystal Microbalance. Macromolecules. 51 (15), 5511-5518 (2018).
  4. Sturdy, L. F., Yee, A., Casadio, F., Shull, K. R. Quantitative characterization of alkyd cure kinetics with the quartz crystal microbalance. Polymer. 103, 387-396 (2016).
  5. Delgado, D. E., Sturdy, L. F., Burkhart, C. W., Shull, K. R. Validation of quartz crystal rheometry in the megahertz frequency regime. Journal of Polymer Science, Part B: Polymer Physics. , 1-9 (2019).
  6. Bilchak, C. R., Huang, Y., Benicewicz, B. C., Durning, C. J., Kumar, S. K. High-Frequency Mechanical Behavior of Pure Polymer-Grafted Nanoparticle Constructs. ACS Macro Letters. 8 (3), 294-298 (2019).
  7. Hook, F., Rodahl, M., Brzezinski, P., Kasemo, B. Energy dissipation kinetics for protein and antibody-antigen adsorption under shear oscillation on a quartz crystal microbalance. Langmuir. 14, 729-734 (1998).
  8. Liss, M., Petersen, B., Wolf, H., Prohaska, E. An aptamer-based quartz crystal protein biosensor. Analytical Chemistry. 74 (17), 4488-4495 (2002).
  9. Felgueiras, H. P., Murthy, N. S., Sommerfeld, S. D., Brás, M. M., Migonney, V., Kohn, J. Competitive Adsorption of Plasma Proteins Using a Quartz Crystal Microbalance. ACS Applied Materials and Interfaces. 8 (21), 13207-13217 (2016).
  10. Keller, C. A., Kasemo, B. Surface specific kinetics of lipid vesicle adsorption measured with a quartz crystal microbalance. Biophysical Journal. 75, 1397-1402 (1998).
  11. Olsson, A. L. J., Quevedo, I. R., He, D., Basnet, M., Tufenkji, N. Using the quartz crystal microbalance with dissipation monitoring to evaluate the size of nanoparticles deposited on surfaces. ACS Nano. 7 (9), 7833-7843 (2013).
  12. Xu, X., Zhang, C., Zhou, Y., Cheng, Q. L. J., Yao, K., Chen, Q. Quartz crystal microbalance study of protein adsorption on chitosan, chitosan/poly(vinyl pyrrolidone) blends and chitosan-graft-poly(vinyl pyrrolidone) surfaces. Journal of Bioactive and Compatible Polymers. 22, 195-206 (2007).
  13. Weber, N., Pesnell, A., Bolikal, D., Zeltinger, J., Kohn, J. Viscoelastic properties of fibrinogen adsorbed to the surface of biomaterials used in blood-contacting medical devices. Langmuir. 23, 3298-3304 (2007).
  14. Johannsmann, D. Viscoelastic, mechanical, and dielectric measurements on complex samples with the quartz crystal microbalance. Physical Chemistry Chemical Physics. 10 (31), 4516-4534 (2008).
  15. Denolf, G. C., Sturdy, L. F., Shull, K. R. High-frequency rheological characterization of homogeneous polymer films with the quartz crystal microbalance. Langmuir. 30 (32), 9731-9740 (2014).
  16. Martin, E. J., Mathew, M. T., Shull, K. R. Viscoelastic properties of electrochemically deposited protein/metal complexes. Langmuir. 31 (13), 4008-4017 (2015).
  17. Sturdy, L., Casadio, F., Kokkori, M., Muir, K., Shull, K. R. Quartz crystal rheometry: A quantitative technique for studying curing and aging in artists' paints. Polymer Degradation and Stability. 107, 348-355 (2014).
  18. Sadman, K., Wiener, C. G., Weiss, R. A., White, C. C., Shull, K. R., Vogt, B. D. Quantitative Rheometry of Thin Soft Materials Using the Quartz Crystal Microbalance with Dissipation. Analytical Chemistry. 90 (6), 4079-4088 (2018).
  19. Wasilewski, T., Szulczyński, B., Kamysz, W., Gębicki, J., Namieśnik, J. Evaluation of three peptide immobilization techniques on a qcm surface related to acetaldehyde responses in the gas phase. Sensors (Switzerland). 18 (11), 1-15 (2018).
  20. Lvov, Y., Ariga, K., Kunitake, T., Ichinose, I. Assembly of Multicomponent Protein Films by Means of Electrostatic Layer-by-Layer Adsorption. Journal of the American Chemical Society. 117 (22), 6117-6123 (1995).
  21. Sauerbrey, G. Verwendung von Schwingquarzen zur Wägung dünner Schichten und zur Mikrowägung. Zeitschrift für Physik. 155 (2), 206-222 (1959).
  22. Sadman, K., Wang, Q., Chen, Y., Keshavarz, B., Jiang, Z., Shull, K. R. Influence of Hydrophobicity on Polyelectrolyte Complexation. Macromolecules. 50 (23), 9417-9426 (2017).
  23. Sievers, P., Moß, C., Schröder, U., Johannsmann, D. Use of torsional resonators to monitor electroactive biofilms. Biosensors and Bioelectronics. 110, 225-232 (2018).
  24. Ringberg, J. Q-Sense Explorer Operator Manual. Biolin Scientific. , (2017).
  25. Ringberg, J. Q-Sense User Guide: Instrument care and sensor pre-cleaning. Biolin Scientific. , (2015).
  26. Kern, W. The Evolution of Silicon Wafer Cleaning Technology. Journal of The Electrochemical Society. 137 (6), 1887 (1990).
  27. Sadman, K. . sadmankazi/QCM-D-Analysis-GUI: QCMD-Analyze. , (2018).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

155 QCM

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved