如何使用耗散型石英晶體微天平 測量質量和厚度？

如何使用耗散型石英晶體微天平

測量質量和厚度？

作者簡介：Gabriel Ohlsson一直在瑞典百歐林科技有限公司擔任應用科學家和銷售經(jīng)理。他是工程物理學博士，花費了大量時間開發(fā)軟物質材料應用相關的傳感技術，他在這項研究中的主要工具之一是QCM-D技術。

為什么要測量薄膜的質量和厚度？監(jiān)測這兩個參數(shù)的原因之一是表征分子層的堆積和降解。許多材料和薄膜涂層本質上是動態(tài)的，并且會隨著各種物理條件例如光、溫度、鹽濃度或pH的變化而變化。這些變化會影響材料的質量、厚度和結構特性。因此，質量和厚度是和薄膜的生成、變化以及降解密切相關兩個參數(shù)。我們可以通過監(jiān)測這兩個數(shù)據(jù)進行薄膜和涂層的設計、表征、評估和優(yōu)化工作。

監(jiān)測分子層的質量和厚度變化

在表面相互作用過程中，例如分子的結合、吸附、解吸、聚集和多層膜的堆積、分子層的質量和厚度發(fā)生變化。通過實時監(jiān)測這些變化，我們可以監(jiān)測分子結合的過程和重排。為了在分子尺度上測量這些變化，我們需要實時的納米級技術。該技術就是耗散型石英晶體微天平技術（QCM-D）。QCM-D測量共振頻率(f)和能量耗散(D)兩個參數(shù)的變化，從這兩個參數(shù)中可以得出表面質量和厚度的變化。通常，隨著表面質量增加，f將減小。D值能標示出圖層的柔軟程度。分子層越軟，D值越大。在質量損失的情況下，頻率則會增加。如果圖層從柔軟變?yōu)閯傂�，則D值將減小。

在納克水平描述質量增加和質量損失

可以用這種表界面表征技術研究的分子包括脂類、蛋白質、DNA、聚合物、表面活性劑、納米顆粒等。

我們舉一個質量測量的例子。在這里，我們感興趣的是何時抗生物素的抗體首先與生物素化的脂質雙層結合。我們還想檢測酶對抗體的裂解。

l  第一步，如圖1所示，在表面上形成了一種可生物素標記的脂質雙層結構(在步驟I之前，在本文中沒有描述)。這是我們的參考面。

l  第二步，我們引入抗體溶液通過脂質雙層，可以立即監(jiān)測到質量的增加，這意味著抗體與生物素結合。當抗體結合直到飽和時，有1100ng /cm²的質量增加。

l  第三步，接下來我們引入一種酶，IdeS。由于酶會裂解抗生物素，可能會有質量的損失。如圖1所示，引入酶后，可觀察到質量密度下降了30%。這與1/3的分子被分離的事實是吻合的。

這個實驗展示了監(jiān)測質量變化如何使我們能夠檢測到抗體的結合和酶的裂解作用�？偟膩碚f，該測量提供了對分子相互作用過程的監(jiān)控，并驗證了酶的功能以及抗體在表面的行為。

圖1：當抗體與表面生物素化的雙層結構(I-II)結合時，質量會發(fā)生變化，接著是酶裂解(III)，它會去除表面上1/3的物質質量。

在實踐中如何操作？

1.底物制備 - 將樣品分子吸附到QCM-D芯片上，涂上合適的材料。典型的材料是金屬、玻璃或塑料。

2.實驗設置 – 將芯片放置在儀器中，然后將表面暴露于樣品、化合物或分子之中，從而引發(fā)所需的吸附/解吸現(xiàn)象。在實驗過程中可以精確控制溫度、濕度、滲透壓和pH等參數(shù)。

3.實時監(jiān)控 - 在整個測量過程中，薄膜的質量和厚度是由儀器記錄的共振頻率(f)和能量耗散(D)的變化而得出的。此外其他的薄膜性質，如粘彈性和水合作用也可以監(jiān)測到。