如何使用耗散型石英晶體微天平

測量質(zhì)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(dān)任應(yīng)用科學(xué)家和銷售經(jīng)理。他是工程物理學(xué)博士，花費(fèi)了大量時(shí)間開發(fā)軟物質(zhì)材料應(yīng)用相關(guān)的傳感技術(shù)，他在這項(xiàng)研究中的主要工具之一是QCM-D技術(shù)。

為什么要測量薄膜的質(zhì)量和厚度？監(jiān)測這兩個(gè)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(zhì)上是動(dòng)態(tài)的，并且會(huì)隨著各種物理?xiàng)l件例如光、溫度、鹽濃度或pH的變化而變化。這些變化會(huì)影響材料的質(zhì)量、厚度和結(jié)構(gòu)特性。因此，質(zhì)量和厚度是和薄膜的生成、變化以及降解密切相關(guān)兩個(gè)參數(shù)。我們可以通過監(jiān)測這兩個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行薄膜和涂層的設(shè)計(jì)、表征、評(píng)估和優(yōu)化工作。

監(jiān)測分子層的質(zhì)量和厚度變化

在表面相互作用過程中，例如分子的結(jié)合、吸附、解吸、聚集和多層膜的堆積、分子層的質(zhì)量和厚度發(fā)生變化。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測這些變化，我們可以監(jiān)測分子結(jié)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(shí)時(shí)的納米級(jí)技術(shù)。該技術(shù)就是耗散型石英晶體微天平技術(shù)（QCM-D）。QCM-D測量共振頻率(f)和能量耗散(D)兩個(gè)參數(shù)的變化，從這兩個(gè)參數(shù)中可以得出表面質(zhì)量和厚度的變化。通常，隨著表面質(zhì)量增加，f將減小。D值能標(biāo)示出圖層的柔軟程度。分子層越軟，D值越大。在質(zhì)量損失的情況下，頻率則會(huì)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(zhì)量增加和質(zhì)量損失

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

我們舉一個(gè)質(zhì)量測量的例子。在這里，我們感興趣的是何時(shí)抗生物素的抗體首先與生物素化的脂質(zhì)雙層結(jié)合。我們還想檢測酶對(duì)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(biāo)記的脂質(zhì)雙層結(jié)構(gòu)(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(zhì)雙層，可以立即監(jiān)測到質(zhì)量的增加，這意味著抗體與生物素結(jié)合。當(dāng)抗體結(jié)合直到飽和時(shí)，有1100ng /cm²的質(zhì)量增加。

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

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

圖1：當(dāng)抗體與表面生物素化的雙層結(jié)構(gòu)(I-II)結(jié)合時(shí)，質(zhì)量會(huì)發(fā)生變化，接著是酶裂解(III)，它會(huì)去除表面上1/3的物質(zhì)質(zhì)量。

在實(shí)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(shí)驗(yàn)設(shè)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(shí)驗(yàn)過程中可以精確控制溫度、濕度、滲透壓和pH等參數(shù)。

3.實(shí)時(shí)監(jiān)控 - 在整個(gè)測量過程中，薄膜的質(zhì)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(zhì)，如粘彈性和水合作用也可以監(jiān)測到。