اعداد العينات في الكوارتز الكريستال ميكروتوازن قياسات الامتزاز البروتين وميكانيكا البوليمر
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
1
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،
2
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
Representative Results
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…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وكان هذا العمل مدعوما من NSF (DMR-1710491, OISE-1743748). J.R. و E.S. الاعتراف بالدعم من NSF (DMR-1751308).
Materials
| Acetic acid | Sigma-Aldrich | A6283 | For collagen adsorption |
| Ammonium hydroxide solution | Sigma-Aldrich | 221228 | For collagen adsorption |
| Aqueous QCM probe | AWSensors | CLS 00050 A | For polyelectrolyte swelling |
| Collagen I Rat Protein, Tail | Thermo Fisher Scientific | A1048301 | For collagen adsorption |
| Distilled water | Sigma-Aldrich | EM3234 | For polyelectrolyte swelling; generally easy to acquire in research labs, but there is a catalog number in case it is not accessible |
| Ethanol | Sigma-Aldrich | 793175-1GA-PB | For polyelectrolyte swelling |
| Gibco Phosphate Buffered Saline | Thermo Fisher Scientific | 20012-027 | For collagen adsorption |
| Hellmanex III | Sigma-Aldrich | Z805939 | For collagen adsorption |
| Hydrogen peroxide solution | Sigma-Aldrich | 216763 | For collagen adsorption |
| Kimberly-Clark Professional Kimtech Science Kimwipes Delicate Task Wipers, 1-Ply | Fisher Scientific | 06-666A | For polyelectrolyte swelling |
| NP2K VNA | Makarov Instruments | For polyelectrolyte swelling | |
| Poly(diallyldimethylammonium chloride), MW 200,000 | Sigma-Aldrich | 409022 | For polyelectrolyte swelling; for full synthesis procedure see Sadman et al. |
| Poly(styrene-sulfonate) sodium salt 30% weight in water | Sigma-Aldrich | 561967-500G | For polyelectrolyte swelling; for full synthesis procedure see Sadman et al. |
| Potassium Bromide | Sigma-Aldrich | 793604-1KG | For polyelectrolyte swelling |
| QSense QCM Explorer System | Biolin Scientific | For collagen adsorption | |
| Sodium acetate, anhydrous | Sigma-Aldrich | S2889 | For collagen adsorption |
| Spin coater, Model WS-650MZ-23NPP | Laurell technologies | For polyelectrolyte swelling |
Referências
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Liss, M., Petersen, B., Wolf, H., Prohaska, E. An aptamer-based quartz crystal protein biosensor. Analytical Chemistry. 74 (17), 4488-4495 (2002).
- 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).
- Keller, C. A., Kasemo, B. Surface specific kinetics of lipid vesicle adsorption measured with a quartz crystal microbalance. Biophysical Journal. 75, 1397-1402 (1998).
- 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).
- 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).
- 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).
- Johannsmann, D. Viscoelastic, mechanical, and dielectric measurements on complex samples with the quartz crystal microbalance. Physical Chemistry Chemical Physics. 10 (31), 4516-4534 (2008).
- 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).
- Martin, E. J., Mathew, M. T., Shull, K. R. Viscoelastic properties of electrochemically deposited protein/metal complexes. Langmuir. 31 (13), 4008-4017 (2015).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Sauerbrey, G. Verwendung von Schwingquarzen zur Wägung dünner Schichten und zur Mikrowägung. Zeitschrift für Physik. 155 (2), 206-222 (1959).
- 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).
- Sievers, P., Moß, C., Schröder, U., Johannsmann, D. Use of torsional resonators to monitor electroactive biofilms. Biosensors and Bioelectronics. 110, 225-232 (2018).
- Ringberg, J. Q-Sense Explorer Operator Manual. Biolin Scientific. , (2017).
- Ringberg, J. Q-Sense User Guide: Instrument care and sensor pre-cleaning. Biolin Scientific. , (2015).
- Kern, W. The Evolution of Silicon Wafer Cleaning Technology. Journal of The Electrochemical Society. 137 (6), 1887 (1990).
- Sadman, K. . sadmankazi/QCM-D-Analysis-GUI: QCMD-Analyze. , (2018).
