Name: sample preparation in quartz crystal microbalance measurements of protein adsorption and polymer mechanics
Uploaded: 2020-01-22T12:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Sample Preparation in Quartz Crystal Microbalance Measurements of Protein Adsorption and Polymer Mechanics at JoVE.com

Detta arbete stöddes av NSF (DMR-1710491, OISE-1743748). Jr och E.S. erkänner stöd från NSF (DMR-1751308).

QCM-D kollagen adsorption
1. provberedning och sensor för rengöring
<ol><li>Förbered 20 mL 0,1 M acetatbuffert, justera pH med HCl och NaOH som behövs för att uppnå pH = 5,6.</li>
	<li>Tillsätt rått svans kollagen lösning till 20 mL acetatbuffert under sterila förhållanden till en slutlig koncentration av 10 μg/mL.</li>
	<li>Rengör den guldbelagda kvarts sensorn för att avlägsna organiskt och biologiskt material25,<sup class=...

<ol>
	<li>Marx, K. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quartz+crystal+microbalance:+A+useful+tool+for+studying+thin+polymer+films+and+complex+biomolecular+systems+at+the+solution+-+Surface+interface.">Quartz crystal microbalance: A useful tool for studying thin polymer films and complex biomolecular systems at the solution - Surface interface.</a> Biomacromolecules. 4 (5), 1099-1120 (2003).</li><li>Kleber, C., Hilfrich, U., Schreiner, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+situ+QCM+and+TM-AFM+investigations+of+the+early+stages+of+degradation+of+silver+and+copper+surfaces.">In situ QCM and TM-AFM investigations of the early stages of degradation of silver and copper surfaces.</a> Applied Surface Science. 253 (7), 3712-3721 (2007).</li><li>Yeh, C. J., Hu, M., Shull, K. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Oxygen+Inhibition+of+Radical+Polymerizations+Investigated+with+the+Rheometric+Quartz+Crystal+Microbalance.">Oxygen Inhibition of Radical Polymerizations Investigated with the Rheometric Quartz Crystal Microbalance.</a> Macromolecules. 51 (15), 5511-5518 (2018).</li><li>Sturdy, L. F., Yee, A., Casadio, F., Shull, K. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantitative+characterization+of+alkyd+cure+kinetics+with+the+quartz+crystal+microbalance.">Quantitative characterization of alkyd cure kinetics with the quartz crystal microbalance.</a> Polymer. 103, 387-396 (2016).</li><li>Delgado, D. E., Sturdy, L. F., Burkhart, C. W., Shull, K. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Validation+of+quartz+crystal+rheometry+in+the+megahertz+frequency+regime.">Validation of quartz crystal rheometry in the megahertz frequency regime.</a> Journal of Polymer Science, Part B: Polymer Physics. , 1-9 (2019).</li><li>Bilchak, C. R., Huang, Y., Benicewicz, B. C., Durning, C. J., Kumar, S. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-Frequency+Mechanical+Behavior+of+Pure+Polymer-Grafted+Nanoparticle+Constructs.">High-Frequency Mechanical Behavior of Pure Polymer-Grafted Nanoparticle Constructs.</a> ACS Macro Letters. 8 (3), 294-298 (2019).</li><li>Hook, F., Rodahl, M., Brzezinski, P., Kasemo, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Energy+dissipation+kinetics+for+protein+and+antibody-antigen+adsorption+under+shear+oscillation+on+a+quartz+crystal+microbalance.">Energy dissipation kinetics for protein and antibody-antigen adsorption under shear oscillation on a quartz crystal microbalance.</a> Langmuir. 14, 729-734 (1998).</li><li>Liss, M., Petersen, B., Wolf, H., Prohaska, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+aptamer-based+quartz+crystal+protein+biosensor.">An aptamer-based quartz crystal protein biosensor.</a> Analytical Chemistry. 74 (17), 4488-4495 (2002).</li><li>Felgueiras, H. P., Murthy, N. S., Sommerfeld, S. D., Br&#225;s, M. M., Migonney, V., Kohn, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Competitive+Adsorption+of+Plasma+Proteins+Using+a+Quartz+Crystal+Microbalance.">Competitive Adsorption of Plasma Proteins Using a Quartz Crystal Microbalance.</a> ACS Applied Materials and Interfaces. 8 (21), 13207-13217 (2016).</li><li>Keller, C. A., Kasemo, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Surface+specific+kinetics+of+lipid+vesicle+adsorption+measured+with+a+quartz+crystal+microbalance.">Surface specific kinetics of lipid vesicle adsorption measured with a quartz crystal microbalance.</a> Biophysical Journal. 75, 1397-1402 (1998).</li><li>Olsson, A. L. J., Quevedo, I. R., He, D., Basnet, M., Tufenkji, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Using+the+quartz+crystal+microbalance+with+dissipation+monitoring+to+evaluate+the+size+of+nanoparticles+deposited+on+surfaces.">Using the quartz crystal microbalance with dissipation monitoring to evaluate the size of nanoparticles deposited on surfaces.</a> ACS Nano. 7 (9), 7833-7843 (2013).</li><li>Xu, X., Zhang, C., Zhou, Y., Cheng, Q. L. J., Yao, K., Chen, Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quartz+crystal+microbalance+study+of+protein+adsorption+on+chitosan,+chitosan/poly(vinyl+pyrrolidone)+blends+and+chitosan-graft-poly(vinyl+pyrrolidone)+surfaces.">Quartz crystal microbalance study of protein adsorption on chitosan, chitosan/poly(vinyl pyrrolidone) blends and chitosan-graft-poly(vinyl pyrrolidone) surfaces.</a> Journal of Bioactive and Compatible Polymers. 22, 195-206 (2007).</li><li>Weber, N., Pesnell, A., Bolikal, D., Zeltinger, J., Kohn, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Viscoelastic+properties+of+fibrinogen+adsorbed+to+the+surface+of+biomaterials+used+in+blood-contacting+medical+devices.">Viscoelastic properties of fibrinogen adsorbed to the surface of biomaterials used in blood-contacting medical devices.</a> Langmuir. 23, 3298-3304 (2007).</li><li>Johannsmann, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Viscoelastic,+mechanical,+and+dielectric+measurements+on+complex+samples+with+the+quartz+crystal+microbalance.">Viscoelastic, mechanical, and dielectric measurements on complex samples with the quartz crystal microbalance.</a> Physical Chemistry Chemical Physics. 10 (31), 4516-4534 (2008).</li><li>Denolf, G. C., Sturdy, L. F., Shull, K. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-frequency+rheological+characterization+of+homogeneous+polymer+films+with+the+quartz+crystal+microbalance.">High-frequency rheological characterization of homogeneous polymer films with the quartz crystal microbalance.</a> Langmuir. 30 (32), 9731-9740 (2014).</li><li>Martin, E. J., Mathew, M. T., Shull, K. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Viscoelastic+properties+of+electrochemically+deposited+protein/metal+complexes.">Viscoelastic properties of electrochemically deposited protein/metal complexes.</a> Langmuir. 31 (13), 4008-4017 (2015).</li><li>Sturdy, L., Casadio, F., Kokkori, M., Muir, K., Shull, K. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quartz+crystal+rheometry:+A+quantitative+technique+for+studying+curing+and+aging+in+artists'+paints.">Quartz crystal rheometry: A quantitative technique for studying curing and aging in artists' paints.</a> Polymer Degradation and Stability. 107, 348-355 (2014).</li><li>Sadman, K., Wiener, C. G., Weiss, R. A., White, C. C., Shull, K. R., Vogt, B. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantitative+Rheometry+of+Thin+Soft+Materials+Using+the+Quartz+Crystal+Microbalance+with+Dissipation.">Quantitative Rheometry of Thin Soft Materials Using the Quartz Crystal Microbalance with Dissipation.</a> Analytical Chemistry. 90 (6), 4079-4088 (2018).</li><li>Wasilewski, T., Szulczy&#324;ski, B., Kamysz, W., G&#281;bicki, J., Namie&#347;nik, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Evaluation+of+three+peptide+immobilization+techniques+on+a+qcm+surface+related+to+acetaldehyde+responses+in+the+gas+phase.">Evaluation of three peptide immobilization techniques on a qcm surface related to acetaldehyde responses in the gas phase.</a> Sensors (Switzerland). 18 (11), 1-15 (2018).</li><li>Lvov, Y., Ariga, K., Kunitake, T., Ichinose, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Assembly+of+Multicomponent+Protein+Films+by+Means+of+Electrostatic+Layer-by-Layer+Adsorption.">Assembly of Multicomponent Protein Films by Means of Electrostatic Layer-by-Layer Adsorption.</a> Journal of the American Chemical Society. 117 (22), 6117-6123 (1995).</li><li>Sauerbrey, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Verwendung+von+Schwingquarzen+zur+W&#228;gung+d&#252;nner+Schichten+und+zur+Mikrow&#228;gung.">Verwendung von Schwingquarzen zur W&#228;gung d&#252;nner Schichten und zur Mikrow&#228;gung.</a> Zeitschrift f&#252;r Physik. 155 (2), 206-222 (1959).</li><li>Sadman, K., Wang, Q., Chen, Y., Keshavarz, B., Jiang, Z., Shull, K. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Influence+of+Hydrophobicity+on+Polyelectrolyte+Complexation.">Influence of Hydrophobicity on Polyelectrolyte Complexation.</a> Macromolecules. 50 (23), 9417-9426 (2017).</li><li>Sievers, P., Mo&#223;, C., Schr&#246;der, U., Johannsmann, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Use+of+torsional+resonators+to+monitor+electroactive+biofilms.">Use of torsional resonators to monitor electroactive biofilms.</a> Biosensors and Bioelectronics. 110, 225-232 (2018).</li><li>Ringberg, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Q-Sense+Explorer+Operator+Manual.">Q-Sense Explorer Operator Manual.</a> Biolin Scientific. , (2017).</li><li>Ringberg, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Q-Sense+User+Guide:+Instrument+care+and+sensor+pre-cleaning.">Q-Sense User Guide: Instrument care and sensor pre-cleaning.</a> Biolin Scientific. , (2015).</li><li>Kern, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Evolution+of+Silicon+Wafer+Cleaning+Technology.">The Evolution of Silicon Wafer Cleaning Technology.</a> Journal of The Electrochemical Society. 137 (6), 1887 (1990).</li><li>Sadman, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> sadmankazi/QCM-D-Analysis-GUI: QCMD-Analyze. , (2018).</li></ol>

Kollagen adsorptionsresultaten spänner över Sauerbrey och viskoelastiska regimer. Genom att plotta frekvens Skift normaliserade till motsvarande harmoniska tal, vi Observera att Sauerbrey gränsen gäller för ungefär de första 2 h av mätningen. Med ökande massa ansluter sig till sensorn, dock normaliserade frekvens SKIFT för den tredje och femte övertoner börjar avvika från varandra (t > 2 h), vilket indikerar en förmåga att bestämma viskoelastiska egenskaper av adsorberad film.
<p class="jove_...

Kvartskristall Microbalance (QCM) utnyttjar den piezoelektriska effekten av en kvartskristall för att övervaka dess resonant frekvens, som är beroende av massan anslutit sig till ytan. Tekniken jämför resonant frekvens och bandbredd av en vid cut Quartz Crystal sensor (typiskt i intervallet 5 MHz)1 i luft eller en vätska till frekvens och bandbredd av sensorn efter nedfall av en film. Det finns flera fördelar med att använda QCM för att studera tunnfilms egenskaper och gränssnitt, inklusive hög känslighet för massa och potentiellt till viskoelastiska egenskaps förändringar (beroende på prov enhetlighet och tjocklek), förmågan att utföra studier på plats2, och förmågan att söka en mycket kortare reologiska tidsperiod än traditionell skjuvning reologi eller dynamisk mekanisk analys (DMA). Genom att sondera en kort relogisk tidsskala kan observationen av hur responsen i denna tidsskala förändras både under extremt korta (MS)3 och långa (år) varaktigheter4. Denna förmåga är fördelaktigt för studiet av en mängd olika kinetiska processer och är också en användbar förlängning av traditionella rheometriska tekniker5,6.
Den höga känsligheten hos QCM har också lett till dess tunga användning i biologiska tillämpningar som studerar de grundläggande interaktionerna hos extremt små biomolekyler. En obelagd eller funktionaliserad sensoryta kan användas för att undersöka proteinadsorption; Ytterligare, Avkännings genom komplexa bindande händelser mellan enzymer, antikroppar, och aptamers kan undersökas baserat på förändringar i massan7,8,9. Till exempel har tekniken använts för att förstå omvandlingen av vesikler till en planar lipidbilayer som en två-fas process av adsorption av vätska som innehåller blåsor till en styv struktur genom att observera korrelera förändringar i frekvens och viskoelasticiteten10. Under de senaste åren har QCM dessutom erbjudit en robust plattform för att övervaka läkemedelsleverans genom vesikler eller nanopartiklar11. I skärningspunkten mellan materialteknik och molekylär och cellulär biologi kan vi använda QCM för att belysa viktiga interaktioner mellan material och bioaktiva komponenter som proteiner, nukleinsyror, liposomer och celler. Till exempel, protein adsorption till ett biomaterial förmedlar nedströms cellulära svar såsom inflammation och används ofta som en positiv indikator på biokompatibilitet, medan i andra fall extracellulära protein fastsättning att beläggningar som gränssnitt med blod kan framkalla farlig koagulering i fartyg12,13. QCM kan därför användas som ett verktyg för att välja kandidater som är optimala för olika behov.
Två vanliga metoder för att utföra QCM experiment samla in analoga data från experimentet: den första metoden registrerar frekvens skiftet och halva bandbredden (Γ) av värmeledningsförmåga Peak. Den andra metoden, QCM med försvinnande (QCM-D), registrerar frekvens förskjutningen och avledning faktorn, som är direkt proportionell mot Γ genom ekvation 1,14
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/60584/60584eq1.jpg">1
där D är avledning faktorn och ƒ är frekvensen. Både D och Γ är relaterade till dämpnings effekten som filmen har på sensorn, vilket ger en indikation på styvheten i filmen. Nedsänkt n betecknar frekvens övertonen eller övertoningen, som är kvarts sensorns udda resonansfrekvenser (n = 1, 3, 5, 7...). Vidare diskussion av modeller med hjälp av flera övertoner för att få massa och viskoelastiska egenskaper hos en film kan hittas i en recension av johannsmann14 och tidigare artiklar från Shull Group15,16,17,18.
En viktig faktor för att förbereda QCM-prover är hur man applicerar den tunna filmen på sensorns yta. Några vanliga metoder inkluderar spinn beläggning, DIP beläggning, droppe beläggning, eller adsorption av filmen på sensorn ytan under experimentet19,20. Det finns fyra regioner för QCM-prover: Sauerbrey-gränsen, viskoelastiska regimen, bulksystemet och den överansträngda regimen. För tillräckligt tunt filmar, Sauerbrey begränsar applicerar, var frekvens förskjutningen (Δƒ) ger ytbehandla samlas täthet av filma. Inom Sauerbrey gräns skalor frekvens Skift linjärt med resonant Harmonic, n, och förändringar i Dämpfaktor (D eller Γ) är i allmänhet små. I detta system är tillräcklig information inte tillgänglig för att unikt bestämma de reologiska egenskaperna hos skiktet utan att göra ytterligare antaganden. Data i denna regim används för att beräkna ytan massa densitet (eller tjocklek om densiteten är känd a priori) av filmen. I bulk regim där mediet i kontakt med kristallen är tillräckligt tjock, den försvinnande skjuvning vågen sprider sig till mediet innan de helt dämpas. Här kan ingen massinformation erhållas med Δƒ. Men i denna region bestäms de viskoelastiska egenskaperna tillförlitligt med kombinationen av Δƒ och δγ 15,18. I bulk regimen, om mediet är för stel, kommer filmen att dämpa resonans av sensorn, vilket förhindrar insamling av tillförlitliga data från QCM. Den viskoelastiska regimen är den mellanliggande regim där filmen är tunn nog att ha skjuvvågen fullt propagera genom filmen samt ha pålitliga värden för Dämpningsfaktorn. Dämpningsfaktorn och Δƒ kan sedan användas för att bestämma de viskoelastiska egenskaperna hos filmen samt dess massa. Här ges viskoelastiska egenskaper av produkten av densiteten och omfattningen av komplexa skjuvning modulus | G* | p och fasvinkeln som ges av Φ = ARCTAN (g " / g"). När filmer bereds i Sauerbrey-gränsen kan massan per ytenhet beräknas direkt baserat på den Sauerbrey-ekvation som visas under21.
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/60584/60584eq2.jpg">2
var Δƒn är ändringen i resonanten frekvens, n är övertonen av intresserar, ƒ1 är den resonant frekvensen av avkännaren, Δm / A är samlas per område av filma, och Zq är den akustiska impedansen av kvartar, som för på snittet kvartar är Zq = 8,84 x 106kg / m2s. Den viskoelastiska regimen är lämpligast för studiet av polymerfilmer, och bulkgränsen är användbar för att studera trögflytande polymer22 eller proteinlösningar16. De olika regimerna beror på egenskaperna hos det material av intresse, med optimal tjocklek för full viskoelastiska och massa karakterisering allmänhet ökar med filmen styvhet. Figur 1 beskriver de fyra regionerna med avseende på filtrets ytdensitet, komplexa skjuvmodulus och fasvinkel, där vi har antagit ett specifikt förhållande mellan fasvinkeln och den film styvhet som har visats vara relevant för material av denna typ. Många filmer av praktiskt intresse är för tjocka för att studera viskoelastiska egenskaper med QCM, såsom vissa biofilmer, där tjocklekar är på order av tiotals till hundratals mikrometer23. Sådana tjocka filmer är i allmänhet inte lämpliga för att studera med hjälp av QCM, men kan mätas med hjälp av mycket lägre frekvens resonatorer (såsom vridresonatorer)23, vilket gör att skjuvvågen att propagera längre in i filmen.
För att avgöra vilken regim som är relevant för ett givet QCM-prov är det viktigt att förstå d /λn -parametern, som är förhållandet mellan filmtjockleken (d) och skjuvvåglängden för den mekaniska svängningen i kvartskristall sensorn (λn)15,16,18. Den ideala viskoelastiska regimen är d /λn = 0,05-0,218, där värden under 0,05 ligger inom sauerbrey-gränsen och värdena över 0,2 närmar sig bulksystemet. En mer rigorös Beskrivning av d /λn ges på andra ställen15,18, men det är en kvantitativ parameter som avgränsningen av Sauerbrey-gränsen och viskoelastiska gränsen. De analysprogram som används nedan ger den här parametern direkt.
Det finns några ytterligare begränsningar för att analysera tunna filmer med QCM. Den Sauerbrey och viskoelastiska beräkningar förutsätter att filmen är homogen både under hela filmtjockleken och sidled över elektrod ytan av QCM. Även om detta antagande gör det svårt att studera filmer som har tomrum eller fyllmedel närvarande, har det förekommit några QCM utredningar i filmer som består av ympade nanopartiklar6. Om heterolikteterna är små jämfört med den totala filmtjockleken, kan tillförlitliga viskoelastiska egenskaper hos det sammansatta systemet fortfarande erhållas. För mer heterogena system, värden som erhålls från en viskoelastiska analys bör alltid ses med stor försiktighet. De resultat som erhålls från system med okänd heterogenitet bör helst valideras mot system som är kända för att vara homogena. Detta är den strategi som vi har tagit i det exempel system som beskrivs i detta dokument.
En viktig punkt som vi illustrerar i detta dokument är den exakta överensstämmelsen mellan QCM mätningar görs i frekvensdomänen (där Γ rapporteras) och tidsdomän experiment (där D rapporteras). Resultaten från två olika QCM-experiment, en tidsdomän och en frekvens domän, beskrivs, var och en med ett annat men begreppsmässigt relaterat modellsystem. Det första systemet är ett enkelt exempel på kollagen infästning till sensorn för att illustrera representativ bindningskinetik och jämvikt av adsorption över tiden under en tidsdomän (QCM-D) mätning. Kollagen är det mest förekommande proteinet i kroppen, känd för sin mångsidighet av bindande beteenden och morfologi. Den kollagen lösning som används här kräver inte ytterligare funktionalisering av sensorns guld yta för att inducera adsorption9. Det andra experimentella systemet är ett polyelektrolytkomplex (PEC) som består av anjoniskt polystyrensulfonat (PSS) och katjoniska poly (diallyldimetylammonium) (PDADMA) som bereds på samma sätt som Sadman m.22. Dessa material sväller och blir mjuka i salt (KBr i detta fall) lösningar, som erbjuder en enkel plattform för att studera polymermekanik med hjälp av en frekvens domän strategi (QCM-Z). För varje protokoll visas processen att förbereda, ta och analysera en mätning i figur 2. Den schematiska visar att den största skillnaden mellan QCM-Z och QCM-D-metoder är i datainsamlings steget och instrumenteringen som används i experimentet. Alla de nämnda prov berednings teknikerna är förenliga med båda metoderna, och varje metod kan analysera prover i de tre regioner som avbildas i figur 1.
Våra data visar att beredningen av prover, vare sig genom sensor beläggning före eller under en mätning, dikterar förmågan att extrahera viskoelastiska egenskaper hos ett system. Genom att utforma de tidiga stadierna i ett experiment på lämpligt sätt kan vi avgöra vilken information vi kan samla in exakt under analys steget.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Acetic acid</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>A6283</td>
			<td>For collagen adsorption</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ammonium hydroxide solution</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>221228</td>
			<td>For collagen adsorption</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Aqueous QCM probe</td>
			<td>AWSensors</td>
			<td>CLS 00050 A</td>
			<td>For polyelectrolyte swelling</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Collagen I Rat Protein, Tail</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific</td>
			<td>A1048301</td>
			<td>For collagen adsorption</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Distilled water</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>EM3234</td>
			<td>For polyelectrolyte swelling; generally easy to acquire in research labs, but there is a catalog number in case it is not accessible</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ethanol</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>793175-1GA-PB</td>
			<td>For polyelectrolyte swelling</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gibco Phosphate Buffered Saline</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific</td>
			<td>20012-027</td>
			<td>For collagen adsorption</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hellmanex III</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>Z805939</td>
			<td>For collagen adsorption</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hydrogen peroxide solution</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>216763</td>
			<td>For collagen adsorption</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Kimberly-Clark Professional Kimtech Science Kimwipes Delicate Task Wipers, 1-Ply</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>06-666A</td>
			<td>For polyelectrolyte swelling</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NP2K VNA</td>
			<td>Makarov Instruments</td>
			<td></td>
			<td>For polyelectrolyte swelling</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Poly(diallyldimethylammonium chloride), MW 200,000</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>409022</td>
			<td>For polyelectrolyte swelling; for full synthesis procedure see Sadman et al.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Poly(styrene-sulfonate) sodium salt 30% weight in water</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>561967-500G</td>
			<td>For polyelectrolyte swelling; for full synthesis procedure see Sadman et al.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Potassium Bromide</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>793604-1KG</td>
			<td>For polyelectrolyte swelling</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>QSense QCM Explorer System</td>
			<td>Biolin Scientific</td>
			<td></td>
			<td>For collagen adsorption</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium acetate, anhydrous</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>S2889</td>
			<td>For collagen adsorption</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Spin coater, Model WS-650MZ-23NPP</td>
			<td>Laurell technologies</td>
			<td></td>
			<td>For polyelectrolyte swelling</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

sample preparation in quartz crystal microbalance measurements of protein adsorption and polymer mechanics

I denna studie presenterar vi olika exempel på hur tunn film förberedelse för kvartskristall Microbalance experiment informerar lämplig modellering av data och avgör vilka egenskaper av filmen kan kvantifieras. Den Quartz Crystal Microbalance erbjuder en unikt känslig plattform för att mäta fina förändringar i massa och/eller mekaniska egenskaper hos en tillämpad film genom att observera förändringarna i mekanisk resonans av en kvartskristall oscillerande på hög frekvens. Fördelarna med detta tillvägagångssätt inkluderar dess experimentella mångsidighet, förmåga att studera förändringar i egenskaper över ett brett spektrum av experimentella tidslängder, och användningen av små urvalsstorlekar. Vi visar att, baserat på tjocklek och skjuvning Modulus av skiktet deponeras på sensorn, kan vi få olika information från materialet. Här är detta begrepp speciellt utnyttjas för att Visa experimentella parametrar som resulterar i massa och viskoelastiska beräkningar av adsorberat kollagen på guld och polyelektrolyt komplex under svullnad som en funktion av salt koncentration.

Förändringarna i frekvens med tiden under proteinadsorption uppvisar en karakteristisk kurva och platå som visas i figur 3a-B. Den initiala bufferttvätten på 1x PBS över den kala sensorns yta inducerar endast försumbara förändringar i frekvens, vilket ger en stadig baslinje för att fungera som referens för framtida datapunkter. Införandet av kollagen lösning orsakar proteinadsorption att börja, observeras som en stadig minskning av frekvensen över tiden, tills...

Watch this Scientific Journal Video about Sample Preparation in Quartz Crystal Microbalance Measurements of Protein Adsorption and Polymer Mechanics at JoVE.com

Sample Preparation in Quartz Crystal Microbalance Measurements of Protein Adsorption and Polymer Mechanics

Den Quartz Crystal Microbalance kan ge noggrann massa och viskoelastiska egenskaper för filmer i micron eller submicron sortiment, som är relevant för utredningar inom biomedicinsk och miljö-avkänning, beläggningar och polymer vetenskap. Prov tjockleken påverkar vilken information som kan erhållas från materialet i kontakt med sensorn.

Provberedning i kvartskristall Microbalance mätningar av Proteinadsorption och Polymermekanik

In this study, we present various examples of how thin film preparation for quartz crystal microbalance experiments informs the appropriate modeling of ...

Kvartskristallmikrobalansen är användbar för att känna av små koncentrationer av en annan förening och kan appliceras på frågor angående mekaniken i mjuk materia och biomaterialsystem. Den största fördelen är att kvartskristallmikrobalansen kan få mycket exakt information för små urvalsstorlekar. Vid utvinns mekanisk egenskapsinformation är det nödvändigt att arbeta med filmer av lämplig tjocklek.Forskare måste vara noga med att tillämpa rätt modellering för en film under analys. Tekniken är väl lämpad för att studera ett brett spektrum av materialsystem och för att förstå hur mekaniska egenskaper hos polymera material reagerar på miljön. Efter att ha vänt på all nödvändig utrustning, ta bort flödesmodulen från kammarens plattform och skruva loss de stora tumskruvarna för att öppna modulen.Torka O-ringen på flödesmodulen med en ström av kvävegas och kontrollera att O-ringen ligger plant. Montera sensorn på O-ringen genom att placera sensorn med den aktiva ytan nedåt och en ankarformad elektrod som är orienterad mot markören i flödesmodulen. Hitta sensorns initiala resonansfrekvenser.Placera inloppspumpslangen i 1X PBS. Starta det externa pumpflödet med 25 mikroliter per minut och inspektera slangen visuellt för att vara säker på att vätskan flyter genom röret. Låt vätskeflödet vara riktigt jämviktsfritt i minst 15 minuter.I programvaran trycker du på startmätning för att starta mätningen och påbörja datainsamling. Övervaka frekvens- och avledningsvärdena i minst fem minuter för att säkerställa en stabil baslinje. Stoppa pumpen och flytta inloppsslangen till kollagenacetatbuffertlösningen och återuppta vätskeflödet.Notera tidpunkten för denna händelse för senare analys. Låt de nya frekvens- och avledningsvärdena ekvilobalansera i åtta till 12 timmar till ett stabilt värde, stoppa sedan pumpen, flytta inloppsslangen tillbaka till 1X PBS-lösningen och återuppta vätskeflödet. Notera tidpunkten för denna händelse för senare analys.Återigen, låt de nya frekvens- och avledningsvärdena ekviloverka i 30 minuter till ett stabilt värde. Avsluta datainsamlingen av mätningen, spara sedan data. Placera först en bare kvartskristallsensor i en provhållare som är ansluten till vektorns nätverksanalysator och dator.Slå på analysatorn för att applicera en oscillerande spänning på sensorn och samla in ett referensledningsspektrum för sensorn i luft, och dränk sedan provhållaren i en liplös 100 milliliterbägare fylld med destillerat vatten och samla ett referenskonduktionsspektrum för den nakna sensorn i vatten. Sätt in en liten kiselrån i en 0,5 molig kaliumbromidlösning i vinkel för att skapa ett objektglas för kvartssensorn under glödgningssteget för att förhindra att filmen kommer bort från sensorn. Förbered för att lägga till PEC till ytan av sensorn.Om PEC-komplexet beser sig i två faser, dra försiktigt upp ungefär 0,5 milliliter av den polymerrika fasen in i pipetten. Upprätthålla trycket på pipett glödlampan för att inte låta polymer-fattiga fasen att komma in i pipetten, dra pipetten ur lösningen. Torka av utsidan av pipetten med hjälp av en chem torka.Lägg till tillräckligt med lösning droppvis på ytan av kvarts sensorn för att helt täcka ytan. Se till att det inte finns några synliga bubblor i lösningen på sensorytan. Spinnlack PEC provet och omedelbart dränka sensorn i 0,5 molar kaliumbromidlösningen för att förhindra salt kristallisering på filmen.Låt filmen glödgas i minst 12 timmar. Överför sensorn till en bägare fylld med destillerat vatten för att avlägsna överskottet av kaliumbromid från filmen och sensorns baksida. Låt sensorn vara kvar i lösningen i 30 till 60 minuter.Ta en mätning av filmen som appliceras på ytan av sensorn i luft som refereras till den nakna sensorn i luft. Låt filmdatan ekvilligt. Därefter sätter du in torkad kalciumsulfat i en 100 milliliter lipless-bägare och mäter den helt torra filmtjockleken.Ta bort kalciumsulfat från bägaren och skölj bägaren med destillerat vatten. Fyll den 100 milliliter lipless-bägaren med 30 milliliter destillerat vatten. Sätt in en omrörningsstång för att säkerställa att vattnet cirkulerar runt filmen.Med hänvisning till den nakna sensorn i vatten, mät filmen i vatten i ca 30 till 45 minuter eller tills filmdata är ekvilovilliga. Bered en 15 milliliter lösning av tre molarkaliumbromid genom att mäta 5,35 gram kaliumbromid i en graderad cylinder och fyll till 15 milliliter med destillerat vatten. Snurra tills upplöst.Möt filmen bort från där kaliumbromidlösningen tillsätts i vattnet så att filmen inte löses upp. Tillsätt kaliumbromidlösningen i bägaren med destillerat vatten i steg om 0,1 molar. Se till att systemet är ekvilomedelligt innan du lägger till ytterligare en tillsats av kaliumbromidlösningen.Efter att alla data har förvärvats, ta bort filmen från innehavaren och placera i en bägare av destillerat vatten. Låt saltet lämna filmen i 30 till 60 minuter och lufttorka filmen. I denna studie, införandet av kollagen lösning orsakade protein absorption att börja som observerades som en stadig minskning av frekvens och ökning av avledning över tiden tills tätheten av anslutit kollagen platåer vid en stabil baslinjen.Frekvensförändringarna korreleras med filmens massa och avledningsavledningen korreleras med energiavledning från filmen. En teoretisk modell behövs för att erhålla de viskoelastiska egenskaperna kvantitativt. Den viskoelastiska analys av kollagen med hjälp av en makt lag modell visar antennen massa, komplexa skjuvning modulus, och viskoelastiska fas vinkel respektive.De första 10 timmarna anger kollagens huvudsakliga adsorptionsstadium till sensorytan med den period mellan 10 och 20 timmar som visar jämviktsstadiet innan bufferttvätten utförs vid 20 timmar. Här är handlingen i den viskoelastiska fasvinkeln och den komplexa skjuvmodulus över det allmänna utbudet av prover som mättes med hjälp av QCM. Den gröna linjen anger det linjära förhållandet mellan de två egenskaperna.Denna tomt visar hur en PEC kan visa ett brett spektrum av mekaniska egenskaper baserat på förhållandet mellan polymer, vatten och salt i systemet. Provberedningen påverkar direkt resultaten från ett QCM-experiment. Att förstå vilka data du vill lära av ett prov informerar hur tjockt provet ska vara.QCM är mycket användbar för att känna av miljö- och biologiska processer. Det kan också sond det reologiska uppförandet i kickfrekvensregimen för att karakterisera viscoelasticityen av material.

Research

JoVE Journal

Chemistry

Multiplexed Fluorescent Microarray for Human Salivary Protein Analysis Using Polymer Microspheres and Fiber-optic Bundles

Multiplex Fluorescent Microarray för Human Saliv Protein Analysis Använda Polymer Mikro och Fiberoptiska Bundles

Herein, we describe a protocol for simultaneously measuring six proteins in saliva using a fiber-optic microsphere-based antibody array. The immuno-array ...

Preparation of Highly Porous Coordination Polymer Coatings on Macroporous Polymer Monoliths for Enhanced Enrichment of Phosphopeptides

Framställning av mycket porösa samordningspolymerbeläggningar på Makroporösa polymermonoliter för Enhanced Anrikning av fosfopeptider

We describe a protocol for the preparation of hybrid materials based on highly porous coordination polymer coatings on the internal surface of macroporous ...

Preparation of Macroporous Epitaxial Quartz Films on Silicon by Chemical Solution Deposition

Framställning av Makroporösa epitaxiella kvarts filmer Silicon av Chemical Solution Deposition

This work describes the detailed protocol for preparing piezoelectric macroporous epitaxial quartz films on silicon(100) substrates. This is a three-step ...

Synthesis of Protein Bioconjugates via Cysteine-maleimide Chemistry

Synthesis of Protein Bioconjugates via Cysteine-maleimide Chemistry

Syntesen av protein biokonjugat<em&gt; via</em&gt; Cystein-maleimid Chemistry

The chemical linking or bioconjugation of proteins to fluorescent dyes, drugs, polymers and other proteins has a broad range of applications, such as the ...

The Preparation and Properties of Thermo-reversibly Cross-linked Rubber Via Diels-Alder Chemistry

Framställningen och egenskaperna av Thermo-reversibelt tvärbundet gummi Via Diels-Alder kemi

A method for using Diels Alder thermo-reversible chemistry as cross-linking tool for rubber products is demonstrated. In this work, a commercial ...

High Pressure Single Crystal Diffraction at PX^2

Högtrycks Single Crystal diffraktion på PX ^ 2

In this report we describe detailed procedures for carrying out single crystal X-ray diffraction experiments with a diamond anvil cell (DAC) at the ...

Microfluidic Dry-spinning and Characterization of Regenerated Silk Fibroin Fibers

Mikroflödessystem torr-spinning och karakterisering av regenererad Silk Fibroin fibrer

The protocol demonstrates a method for mimicking the spinning process of silkworm. In the native spinning process, the contracting spinning duct enables ...

Measurements of Long-range Electronic Correlations During Femtosecond Diffraction Experiments Performed on Nanocrystals of Buckminsterfullerene

Mätningar av långväga elektroniska korrelationer under femtosekund diffraktion experiment utförs på nanokristaller av Buckminsterfullerene

The precise details of the interaction of intense X-ray pulses with matter are a topic of intense interest to researchers attempting to interpret the ...

Preparation of Poly(pentafluorophenyl acrylate) Functionalized SiO2 Beads for Protein Purification

Preparation of Polypentafluorophenyl acrylate Functionalized SiO2 Beads for Protein Purification

Beredning av Poly(pentafluorophenyl acrylate) Functionalized SiO2 pärlor för Protein rening

We demonstrate a simple method to prepare poly(pentafluorophenyl acrylate) (poly(PFPA)) grafted silica beads for antibody immobilization and subsequent ...

In situ FTIR Spectroscopy as a Tool for Investigation of Gas/Solid Interaction: Water-Enhanced CO2 Adsorption in UiO-66 Metal-Organic Framework

In situ FTIR Spectroscopy as a Tool for Investigation of Gas/Solid Interaction: Water-Enhanced CO2 Adsorption in UiO-66 Metal-Organic Framework

In situ in situ in situ in s FTIR spektroskopi som ett verktyg för undersökning av gas / solid interaktion: Vattenförstärkt CO2 Adsorption i UiO-66 Metall-Organic Framework

In situ infrared spectroscopy is an inexpensive, highly sensitive, and selective valuable tool to investigate the interaction of polycrystalline solids ...