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
  • תוצאות
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

המיקרו-איזון בגביש הקוורץ יכול לספק מגוון מדויק וגמיש לסרטים בטווח מיקרון או סאב-מיקרון, הרלוונטי לחקירות בעלי חישה והסביבה, ציפויים ומדעי הפולימר. עובי המדגם משפיע על המידע שניתן להשיג מהחומר במגע עם החיישן.

Abstract

במחקר זה, אנו מציגים דוגמאות שונות של כמה דק הכנת הסרט לניסויים במיקרואיזון קריסטל קוורץ המודיעה על המידול המתאים של הנתונים וקובעת אילו מאפיינים של הסרט ניתן לכמת. המיקרו-מאזן גביש הקוורץ מציע פלטפורמה רגישה במיוחד למדידת שינויים עדינים בתכונות מסה ו/או מכניות של סרט שהוחל על-ידי התבוננות בשינויים בתהודה מכנית של גביש קוורץ בתדר גבוה. היתרונות של גישה זו כוללים את הרב-תכליתיות הניסיונית שלה, יכולת ללמוד שינויים בנכסים במגוון רחב של אורכי זמן ניסיוניים ושימוש במידות מדגם קטנות. אנו מדגימים כי, בהתבסס על עובי ולהטות את מודול השכבה שהופקדו על החיישן, אנו יכולים להשיג מידע שונה מן החומר. כאן, קונספט זה מנוצל במיוחד כדי להציג פרמטרים ניסיוניים וכתוצאה מכך חישובי המסה והגמיש של קולגן נספחת על מכלולי זהב ופוליאלקטרוליט במהלך נפיחות כפונקציה של ריכוז מלח.

Introduction

מאזן המיקרואיזון הגבישי של גביש הקוורץ (QCM) ממנף את האפקט הפיזואלקטרי של גביש קוורץ כדי לנטר את תדר התהודה שלו, התלוי בנפח המסה שעל פני השטח. הטכניקה משווה את התדר התהודה ואת רוחב הפס של חיישן AT גזור גביש קוורץ (בדרך כלל בטווח של 5 MHz)1 באוויר או נוזל לתדר רוחב פס של החיישן לאחר התצהיר של סרט. ישנם מספר יתרונות עבור שימוש QCM לחקר מאפייני הסרט דק וממשקים, כולל רגישות גבוהה למסה ופוטנציאלי שינויים אלסטי המאפיין (בהתאם אחידות לדוגמה עובי), את היכולת לבצע מחקרים באתרו2, ואת היכולת לחקור ציר זמן הרבה יותר קצר מאשר להטות מסורתי הטיה או ניתוח מכני דינאמי (DMA) בדיקת ציר זמן קצר לאחר מאפשרת התבוננות באופן שבו התגובה בציר הזמן הזה משתנה במהלך קצר מאוד (אלפיות)3 וארוך (שנים) משכי זמן4. יכולת זו מועילה לחקר מגוון תהליכים קינטית והיא גם הרחבה שימושית של טכניקות מסורתיות מסוג rheometric5,6.

הרגישות הגבוהה של QCM הובילה גם את השימוש הכבד שלה ביישומים ביולוגיים לחקור את האינטראקציות הבסיסיות של biomolecules קטן מאוד. ניתן להשתמש במשטח חיישנים בלתי מצופה או פונקציונליזציה כדי לחקור ספיחה של חלבונים; עוד יותר, ביוחישה באמצעות אירועי קשירה מורכבים בין אנזימים, נוגדנים ואפתמים ניתן לבחון על פי שינויים במסה7,8,9. למשל, הטכניקה שימש כדי להבין את הטרנספורמציה של ושלפוחיות לשומנים מישורי bilayer כתהליך דו-שלבי של ספיחה של נוזלים המכילים שלפוחיות למבנה נוקשה על ידי התבוננות בשינויים הקשורים בתדירות ובגמישות אלסטיות10. בשנים האחרונות, QCM הציע בנוסף פלטפורמה חזקה כדי לפקח על אספקת סמים על ידי שלפוחיות או חלקיקים11. בהצטלבות של הנדסת חומרים וביולוגיה מולקולרית ותאית, אנו יכולים להשתמש ב-QCM כדי להבהיר אינטראקציות מפתח בין חומרים ורכיבים ביו-אקטיביים כגון חלבונים, חומצות גרעין, ליפוזומים ותאים. לדוגמה, ספיחה חלבון כדי ביומטריה במורד התגובות הסלולר כגון דלקת משמש לעתים קרובות כאינדיקטור חיובי של biocompatibility, ואילו במקרים אחרים מצורף חלבון לציפוי ממשק עם דם יכול לגרום קרישה מסוכן בכלי12,13. לפיכך, ניתן להשתמש ב-QCM ככלי לבחירת מועמדים אופטימליים לצרכים שונים.

שתי גישות משותפות לביצוע ניסויים ב-QCM אוספות נתונים מקובלים מהניסוי: הגישה הראשונה מתעדת את משמרת התדר ואת רוחב הפס החצי (Γ) של הפסגה החשמלית. הגישה השנייה, QCM עם פליטת (QCM-D), מתעדת את משמרת התדר ואת פקטור הפיזור, אשר פרופורציונלי ישירות Γ דרך המשוואה 1,14

figure-introduction-26401

כאשר D הוא גורם הפיזור ו מואייסיב הוא התדר. הן D ו Γ קשורים אפקט השיכוך הסרט יש על החיישן, אשר נותן אינדיקציה לנוקשות של הסרט. הכתב התחתי n מציין את התדר או הרמוני, שהם תדרי התהודה המוזרים של חיישן הקוורץ (n = 1, 3, 5, 7...). לדיון נוסף במודלים המשתמשים בהרמוניה מרובה, ניתן למצוא את המסה והתכונות האלסטיים של הסרט בסקירה של יוחנן בן14 ומסמכים קודמים מקבוצת שובל15,16,17,18.

שיקול מפתח אחד להכנת דגימות QCM הוא כיצד להחיל את הסרט הדק על משטח החיישן. כמה שיטות נפוצות כוללות ציפוי ספין, ציפוי מטבל, ציפוי ירידה, או ספיחה של הסרט על פני החיישן במהלך הניסוי19,20. ישנם ארבעה אזורים לדגימות QCM: מגבלת Sauerbrey, משטר הגמיש, המשטר הצובר והמשטר העילי. עבור סרטים דקים מספיק, מגבלת Sauerbrey חל, כאשר התדירות משמרת (Δמואייסיב) מספק את הצפיפות המסה של פני השטח של הסרט. בתוך מגבלת Sauerbrey, תדירות משמרת המאזניים ליניארי עם הרמוני התהודה, n, ושינויים מקדם השיכוך (D או Γ) הם בדרך כלל קטנים. במשטר זה לא ניתן למצוא מידע מספיק כדי לקבוע באופן ייחודי את המאפיינים הרטילוגיים של השכבה מבלי לקבל הנחות נוספות. נתונים במשטר זה משמשים כדי לחשב את הצפיפות המסה של פני השטח (או עובי אם הצפיפות ידועה הפריורי) של הסרט. במשטר הצובר, שבו המדיום במגע עם הגביש הוא עבה מספיק, גל האוונזאת מפיץ את הגל לתוך המדיום לפני שהוא מוכנס לגמרי. כאן, לא ניתן להשיג מידע המוני באמצעות Δמואייסיב. עם זאת, באזור זה, מאפיינים גמישים הגמיש נקבעים באופן אמין באמצעות שילוב של Δמואייסיב ו ΔΓ 15,18. במשטר בצובר, אם המדיום הוא נוקשה מדי, הסרט להלח את התהודה של החיישן, מונע את האוסף של כל הנתונים האמינים מ QCM. המשטר הגמיש והנידק הוא המשטר המתווך שבו הסרט הוא רזה מספיק כדי לקבל את גל ההטיה במלואו דרך הסרט, כמו גם ערכים אמינים עבור הגורם החשמלי. מקדם השיכוך ו Δמואייסיב ניתן להשתמש כדי לקבוע את המאפיינים אלסטי וגמיש של הסרט, כמו גם המסה שלה. כאן, מאפיינים גמישים וגמיש מקבלים על ידי תוצר של הצפיפות ואת הגודל של מודול ההטיה המורכבת | G* | p ואת השלב זווית שניתנו על ידי Φ = arctan (g " / g"). כאשר הסרטים מוכנים במגבלת Sauerbrey, ניתן לחשב את האזור מסה לכל יחידה בהתבסס על משוואת Sauerbrey המוצגת מתחת ל-21,

figure-introduction-52022

כאשר Δמואייסיבn הוא השינוי בתדר התהודה, n הוא הטון של עניין, מואייסיב1 הוא תדירות התהודה של החיישן, Δm / A הוא המסה לאזור של הסרט, ו- Zq הוא עכבה אקוסטית של קוורץ, אשר בשנת לחתוך קוורץ הוא Zq = 8.84 x 106ק ג / m2s. המשטר הגמיש והגמישה מתאים ביותר לחקר הסרטים הפולימריים, ומגבלת הכמויות היא שימושית ללימוד פולימר בנפח22 או פתרונות חלבון16. המשטרים השונים תלויים בתכונות של חומר העניין, עם העובי האופטימלי באופן מיטבי, ובדרך כלל הולך וגובר עם קשיות הסרט. איור 1 מתאר את ארבעת האזורים ביחס לצפיפות אריאל של הסרט, מודול הטיה מורכבים, וזווית הפאזה, שם הנחנו מערכת יחסים ספציפית בין זווית השלב ואת קשיות הסרט כי הוכח להיות רלוונטי לחומרים מסוג זה. סרטים רבים של התעניינות מעשית עבים מדי ללימוד התכונות האלסטיים של הגמיש עם QCM, כגון ביואמים מסוימים, שבהם העוביים מסודרים על פי הסדר של עשרות עד מאות מיקרון23. סרטים עבים כאלה הם בדרך כלל לא מתאימים ללמוד באמצעות QCM, אבל ניתן למדוד באמצעות מהדהד בתדר נמוך יותר (כגון המאיירים)23, המאפשר גל להטות להפיץ עוד לתוך הסרט.

כדי לקבוע איזה משטר רלוונטי למדגם qcm נתון, חשוב להבין את הפרמטר d /λn , שהוא היחס של עובי הסרט (ד) כדי להטות את אורך הגל של תנודה מכנית של חיישן גביש קוורץ (λn)15,16,18. המשטר האידיאלי האלסטי גמיש הוא d /λn = 0.05-0.218, שבו ערכים מתחת 0.05 נמצאים בתוך המגבלה Sauerbrey וערכים לעיל 0.2 גישה למשטר בצובר. תיאור קפדני יותר של d /λn מסופק במקום אחר15,18, אבל זה פרמטר כמותי להתוות את המגבלה Sauerbrey ואת המגבלה אלסטי הגמיש. תוכניות הניתוח המשמשות להלן מספקות פרמטר זה ישירות.

יש כמה מגבלות נוספות לניתוח סרטים דקים עם QCM. Sauerbrey והחישובים אלסטי וגמיש להניח את הסרט הוא הומוגנית הן ברחבי עובי הסרט ולרוחב על פני השטח אלקטרודה של QCM. בעוד הנחה זו עושה את זה מאתגר ללמוד סרטים שיש להם חללים או מילוי נוכח, היו כמה חקירות QCM לסרטים המורכב של חלקיקים מושתל6. אם ההטרוסקסואלים קטנים בהשוואה לעובי הסרט הכולל, ניתן להשיג באופן אמין מאפיינים אלסטיים של המערכת המורכבת. למערכות הטרוגניות נוספות, יש לצפות בערכים המתקבלים מניתוח גמיש ובזהירות רבה. באופן אידיאלי, התוצאות שהתקבלו ממערכות עם טרוגניות לא ידוע צריך להיות מאומת נגד מערכות אשר ידועים להיות הומוגנית. זוהי הגישה שאנו לקחנו במערכת הדוגמה המתוארת במאמר זה.

נקודה חשובה שאנו ממחישים במאמר זה היא התכתובת המדויקת בין מדידות QCM שנעשו בתחום התדרים (כאשר Γ מדווח) והניסויים בתחום הזמן (כאשר D מדווחים). תוצאות משני ניסויים QCM שונים, תחום אחד בזמן ותחום תדר אחד, מתוארים, כל אחד מעורב שונה אך מושגית מערכת הקשורים מודל. המערכת הראשונה היא דוגמה פשוטה של קולגן המצורף לחיישן כדי להמחיש את הקינטיקה כריכה הנציגה ואת השפה של ספיחה לאורך זמן במהלך תחום הזמן (qcm-D) מדידה. קולגן הוא החלבון הנפוץ ביותר בגוף, ידוע צדדיות שלה של התנהגויות קשירה מורפולוגיה. פתרון הקולגן המשמש כאן אינו דורש פונקציונליות נוספת של משטח הזהב של החיישן כדי לגרום ספיחה9. המערכת הניסיונית השנייה היא קומפלקס פוליאלקטרוליט (מורכב מקלקר) המורכב מפוליסטירן מוקצף (PSS) ומפולי (דיאלאילדימונומוניום) (PDADMA) שהוכנו באותה צורה כמו Sadman ואח '22. חומרים אלה להתנפח ולהיות רך מלח (KBr במקרה זה) פתרונות, המציעה פלטפורמה פשוטה ללימוד מכניקה פולימר באמצעות גישה תחום תדר (QCM-Z). עבור כל פרוטוקול, תהליך ההכנה, הנקיטת והניתוח של מדידה מוצג באיור 2. הסכמטי מראה כי ההבדל העיקרי בין הגישות QCM-Z ו-QCM-D הוא בשלב איסוף הנתונים והמכשור המשמש בניסוי. כל טכניקות ההכנה לדוגמה המוזכרות תואמות לשתי הגישות, וכל גישה יכולה לנתח דגימות בשלושת האזורים המתוארים באיור 1.

הנתונים שלנו מדגימים כי הכנת דגימות, בין אם על ידי ציפוי חיישן לפני או במהלך מדידה, מכתיב את היכולת לחלץ את התכונות האלסטי הגמיש של מערכת. על ידי עיצוב השלבים המוקדמים של הניסוי כראוי, אנו יכולים לקבוע איזה מידע אנחנו יכולים לאסוף במדויק במהלך שלב הניתוח.

Protocol

QCM-D קולגן וספיחה

1. הכנה לדוגמא וסנסור טרום ניקוי

  1. הכינו 20 מ ל של 0.1 מאגר אצטט M, התאמת ה-pH עם HCl ו NaOH לפי הצורך כדי להשיג pH = 5.6.
  2. הוסף העכבר זנב החולדה פתרון ל 20 מ ל של מאגר אצטט תחת תנאים סטריליים לריכוז הסופי של 10 μg/mL.
  3. נקו את חיישן הקוורץ המצופה בזהב להסרת חומר אורגני וביולוגי25,26.
    1. מניחים את החיישן בצד הפעיל למעלה בחדר UV/אוזון ולטפל במשטח במשך כ 10 דקות.
    2. החום 5:1:1 תערובת של מים מיוהים (dH2O), אמוניה (25%) ותחמוצת מימן (30%) עד 75 ° c. מניחים את החיישן בפתרון עבור 5 דקות.
    3. לשטוף את החיישן עם dH2O ו יבש עם זרם של גז חנקן.
    4. מניחים את החיישן בצד הפעיל למעלה בחדר UV/אוזון ולטפל במשטח עבור 10 דקות.
      הערה: הליך הניקוי צריך להתבצע באופן מיידי לפני מדידה כדי למזער זיהום סביבתי על משטח החיישן.

2. QCM-D-רכישת נתוני מדידה

  1. הפעל את כל הציוד הנדרש כדי לקחת מדידה כולל את המשאבה, יחידת האלקטרוניקה, ותוכנות מחשב.
  2. הסר את מודול הזרימה מהפלטפורמה הקאמרית והוצא את בורגי האגודל הגדולים כדי לפתוח את המודול.
  3. אם החיישן הושאר לאחר ניקוי ראשוני (שלבים 1.3.1-1.3.4), לשטוף את החיישן עם מים מוכי (dH2O) ויבש עם זרם של גז חנקן כדי להבטיח כי אין מזהמים על פני השטח.
  4. הר החיישן במודול הזרימה על O-ring חשוף, תחילה ייבוש האזור עם זרם של גז חנקן ובדיקה כי O-ring הוא שוכב שטוח. החיישן צריך להיות ממוקם עם המשטח הפעיל בצד למטה עוגן בצורת אלקטרודה מונחה לכיוון הסמן במודול הזרימה.
  5. הפעל את בורגי האגודל כדי לאטום את מודול הזרימה ולהחליפו בפלטפורמת החדר. הצמד צינורות משאבה נחוצים למודול הזרימה ולמשאבה חיצונית.
  6. באמצעות תוכנת המחשב המתאימה, הגדר את טמפרטורת מודול הזרימה ל-37 ° c. נטר את הטמפרטורה המשתנה עבור 10-15 דקות כדי לוודא שהיא מעורפלת בהתאם לערך הרצוי.
  7. מצא את תדרי התהודה הראשוניים של החיישן. אם תדרי תהודה כלשהם אינם מצויים על-ידי התוכנה, בדוק שמודול הזרימה ממוקם כראוי על הפלטפורמה הקאמרית או מחדש את החיישן במודול הזרימה כדי להבטיח שהוא ממורכז ומבצע מגע חשמלי מתאים.
  8. מניחים את המשאבה משאבת צינור ב-1x פוספט באגירה מלוחים פתרון (PBS). הפעל את זרימת המשאבה החיצונית ב -25 μL/min ולבדוק באופן חזותי את הצינורות כדי להיות בטוח כי הנוזל זורם דרך הצינור.
    הערה: זרימת הנוזלים עשויה להיות קלה יותר לראות על-ידי הגדלת הזרימה של קצב זרימת הנוזלים ל-100 μL/min או יותר. אם הנוזל אינו נראה נע דרך הצינור, סביר להניח כי שני החלקים של מודול הזרימה אינם יוצרים חותם תקין. נסה להדק את בורגי האגודל, להדק את המחברים של צינורות כדי לשקע ו, או להרכבה מחדש את החיישן כדי להיות בטוח כי O-ring הוא שטוח וממורכז.
  9. אפשר זרימת נוזלים של ה-PBS 1x דרך מודול הזרימה עבור לפחות 15 דקות כדי משקל כראוי.
  10. הפעל את המדידה בתוכנת המחשב כדי להתחיל ברכישת נתונים. נטר את התדירות וערכי הפיזור עבור 5 דקות לפחות כדי להבטיח קו בסיס יציב.
  11. לעצור את המשאבה ולהעביר את צינורות מפרץ לפתרון המאגר אצטט קולגן, ולחדש את זרימת הנוזלים. שים לב למועד האירוע לצורך ניתוח מאוחר יותר.
  12. אפשר לתדר החדש ולערכי הפיזור להיות בעלי ערך יציב. כאן, אנו מצפים ייצוב זה להתרחש לאחר 8-12 h.
  13. לעצור את המשאבה, להזיז את צינורות האוויר בחזרה לפתרון הערוץ 1x, ולחדש את זרימת הנוזלים. שים לב למועד האירוע לצורך ניתוח מאוחר יותר.
  14. אפשר לתדר החדש ולערכי הפיזור להיות בעלי ערך יציב. כאן, ייצוב זה מתרחש לאחר 30 דקות.
    הערה: שלבים 2.13 ו-2.14 ניתן לחזור על כל תקופה חדשה של זרימת נוזלים בניסויים קפדניים יותר עם מספר רב יותר של שלבים.
  15. סיים את רכישת הנתונים של המדידה ושמור את הנתונים.
  16. לנקות ולפרק את הציוד QCM.
    1. הגדל את שיעור זרימת הנוזלים של המשאבה החיצונית כדי 500 μL/min או יותר ומקום אבובים מפרץ לתוך פתרון של 2% הגיהנום פתרון ניקוי עבור לפחות 20 דקות.
      הערה: עבור ניסויים אחרים, אם ניתוח נוסף של החיישן רצוי, להסיר את החיישן לפני שלב 2.16.1 ולמקם חיישן ניקוי אחר במודול.
    2. לעצור את המשאבה ולהעביר את צינורות המים כדי dH2O, ולחדש את זרימת הנוזלים כדי להוסיף עוד לשטוף את המערכת לפחות 20 דקות.
    3. הפסיקו את זרימת הנוזלים והסירו את החיישן ממודול הזרימה. יבש את החיישן בתוך מודול הזרימה עם זרם של גז חנקן. כבו את תוכנת המחשב, יחידת האלקטרוניקה והמשאבה הפריסטלטית.
      הערה: ניתן לנקות את החיישנים המצופים בזהב, כמפורט בשלבים 1.3.1-1.3.4, ולהשתמש בו שוב במספר מדידות. האינדיקציות כי לא ניתן לעשות שימוש חוזר בחיישן עבור מדידות אמינות עשויים לכלול אך אינם מוגבלים לשינויים גדולים בתדרי התהודה הראשוניים ולשימוש משמעותי במידות הבסיסיות עם זרימת המאגר. ניתן לפתוח ולנתח נתונים בתוכנה המועדפת, כולל אלה שסופקו על-ידי חברות המתמחות בציוד QCM-D.

התנפחות מורכבת של QCM

3. הכנה לדוגמא

הערה: ניסוי זה בוצע באמצעות תוכנית MATLAB שפותחה בתוך קבוצת המחקר Shull לאיסוף וניתוח נתונים.

  1. ראשון, מיקום חיישן גביש קוורץ חשוף במחזיק לדוגמה מחובר מנתח רשת וקטורי ומחשב. הפעל את המנתח כדי להחיל מתח נדנוד על החיישן, ולאסוף ספקטרום מוליכות התייחסות החיישן באוויר.
  2. לטבול את מחזיק המדגם בגביע 100 mL ממולא במים מזוקקים ולאסוף ספקטרום מוליכות התייחסות לחיישן חשוף במים.
  3. הכינו פתרון 0.5 M של אשלגן ברומיד (KBr).
    1. מתמוסס 1.79 גרם של KBr ב 30 מ ל של מים מזוקקים. ללחוץ עד התפרקה.
    2. הכנס פרוסת סיליקון קטנה לתוך הפתרון KBr בזווית כדי ליצור שקופית עבור חיישן הקוורץ במהלך שלב הריפוי כדי למנוע מהסרט לרדת מהחיישן.
  4. הכן את החיישן לציפוי מסתובב.
    1. הגדר את פרמטרי מעיל הספין ל-10,000 rpm, 8,000 האצת ו-5 s.
    2. הכנס את החיישן אל מרובע הספין והפעל את הוואקום.
    3. לכסות את פני החיישן עם אתנול ולהפעיל את משטח ספין כדי לנקות את משטח החיישן.
    4. הוסף את ה-(PSS: PDADMA שהוכן באותו אופן כפי שמפורט בסדמאן ואח '. 22) אל פני השטח של החיישן.
      1. אם הקומפלקס הוא בשני שלבים (פולימר עשיר פולימר עני), לאט להכניס את הפייפט לתוך הפתרון. לפנות את הפייפט על ידי ניפוח בועות תוך הזזת מחית המחמד לשלב צפוף הפולימר עשיר.
      2. לאחר שחרור כמה בועות בשלב עשיר פולימר, לצייר את 0.5-0.75 mL של הפתרון העשיר פולימר לתוך pipet. שמירה על הלחץ על הנורה pipet לא לאפשר את השלב המסכן פולימר להיכנס pipet, למשוך את pipet מתוך הפתרון.
      3. נגב את החלק החיצוני של. מחית המחמד באמצעות קינגב הוסף מספיק הפתרון שלך על פני השטח של חיישן הקוורץ כדי לכסות לחלוטין את פני השטח. ודא שאין בועות גלויות בפתרון על משטח החיישן.
  5. ספין המעיל לדוגמה, ובאופן מיידי להטביע את החיישן בפתרון 0.5 M KBr כדי למנוע התגבשות מלח על הסרט.
    הערה: לעיתים קשה לתאם שלב זה. שחרר את החיישן ממש מעל פתרון KBr לקבלת התוצאות הטובות ביותר.
  6. הרשו לסרט לעבור לפחות 12 שעות.
    הערה: כדי להקל על ביצוע הניסוי, הכינו את שלב 4 בערב והרשו לסרט לצאת ללילה.

4. מדידת הסרט באוויר ובמים

  1. העבר את החיישן לגביע ממולא במים מזוקקים כדי להסיר את העודף KBr מהסרט ומהצד האחורי של החיישן. השאר את החיישן בפתרון עבור 30-60 דקות.
  2. קח מדידה של הסרט באוויר. . התייחסות לחיישן החשוף באוויר הרשו לנתוני הסרט להיות בשפה מעורפלת.
  3. הכנס סידן גופרתי מיובש לתוך גביע 100 mL למדוד את עובי הסרט יבש לחלוטין. להסיר סידן גופרתי מן הגביע ולשטוף את הגביע עם מים מזוקקים.
  4. ממלאים את הגביע 100 mL עם 30 מ ל של מים מזוקקים. הכנס מהומה כדי לוודא שהמים מסתובבים סביב הסרט. מדדו את הסרט במים כ-30-45 דקות או עד שנתוני הסרט מסובטים. . התייחסות לחיישן החשוף במים
  5. הכינו פתרון 15 מ"ל של 3 M KBr במים מזוקקים. למדוד 5.35 g של KBr לתוך גליל הדרגתי ולמלא ל 15 מ ל עם מים מזוקקים. . מערבולת עד התפרקה
  6. הוסיפו את פתרון KBr לגביע עם מים מזוקקים ב0.1 מ'. טבלה 1 מתווה את המרווחים 0.1 M ב-mL של 3 M kbr פתרון. התמודד עם הסרט הרחק מהמקום בו הפתרון KBr מתווסף למים כך שהסרט לא מתמוסס. ודא שהמערכת הפכה להיות מעורפלת לפני הוספת תוספת נוספת של פתרון KBr.
  7. לאחר כל הנתונים נרכשו, להסיר את הסרט מן המחזיק ומקום בגביע של מים מזוקקים. אפשר למלח לעזוב את הסרט (30-60 דקות) ולייבש את הסרט באוויר.
  8. כדי לנקות את הסרט מתוך חיישן, להוסיף KBr לגביע ומערבולת בעדינות את הפתרון. אפשר לשבת 5-10 דקות. חזור על תהליך זה 2-3 פעמים, ולאחר מכן לשטוף את החיישן עם מים מזוקקים.
    הערה: ניתן לנקות את החיישן ולעשות בו שימוש חוזר אם התגובה מהחיישן עדיין טובה. ניתן לבדוק זאת על-ידי החיישן בעל קריאות רוחב פס מוחלטות קטנות עבור ההרמוניה של הריבית (< 100 Hz).

5. ניתוח נתונים

  1. פתח את ניתוח נתונים QCM-D MATLAB GUI שנוצרו על ידי Sadman (https://github.com/sadmankazi/QCM-D-Analysis-GUI)27. פתח את הסרט בקובץ נתוני האוויר על ידי בחירת "טען QCM."
    הערה: קבוצת Shull פיתחה ממשק פיתון דומה לאיסוף נתונים וניתוח QCM (https://github.com/shullgroup/rheoQCM). חלק מקוד הניתוח מסופק במידע המשלים הן לניתוח הנתונים והן ליצירת האיורים בנייר זה.
  2. בחר את החישוב הרצוי (בין 3, 5, 3 או 3, 5, 5), גמא, וסרט בסמלים באוויר . לחץ על התוויה QCM.
  3. לקבוע את עובי הסרט היבש באמצעות נקודת הנתונים השווה ביותר (בדרך כלל נקודת הנתונים האחרונה) מהניסוי. הקלט ערך זה.
  4. פתח את הסרט בקובץ נתוני המים. בחר את אותם הפרמטרים כמו בשלב 5.2, למעט הסרט במים במקום הסרט באוויר.
  5. אחרי כל צעד השיווציה של הניסוי נפיחות, לקבוע את עובי הסרט, מורכבות הטיה מודול, ואת זווית הפאזה אלסטי השלב. הקלט ערכים אלה יחד עם חוזק יונית (החל מ-0-1 M בהפרשים של 0.1 M).
  6. קבע את אחוז הנפיחות כמו
    figure-protocol-94513
    כאשר dp הוא הסרט עובי מהפתרון ו- dpיבש הוא עובי הסרט יבש.

תוצאות

השינויים בתדר עם הזמן במהלך התצוגה ספיחה חלבון מאפיין עקומת הרמה המוצגת באיור 3א-ב. שטיפת המאגר הראשונית של 1x PBS על פני שטח החיישן החשוף משרה רק שינויים זניחים בתדר, המציע קו בסיס קבוע כדי לשמש כהפניה לנקודות נתונים עתידיים. המבוא של פתרון קולגן גורם ספיחה חלבון להת...

Discussion

תוצאות הקולגן מSauerbrey ומשטרי הגמיש. על ידי התוויית התדר משתנה מנורמל למספר ההרמוני המתאים, אנו מתבוננים כי המגבלה Sauerbrey מחזיקה נכון עבור כ 2 ה הראשון של המדידה. עם זאת, עם המסה גוברת הקפדה על החיישן, עם זאת, תדירות מנורמלת עבור הרמוני השלישי והחמישי להתחיל לסטות אחד מהשני (t > 2 h), המציין את ?...

Disclosures

. למחברים אין מה לגלות

Acknowledgements

עבודה זו נתמכת על ידי NSF (DMR-1710491, אס-1743748). E.S. ותמיכת הNSF (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

155QCMrheology

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