Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.

Methodenartikel

Monstervoorbereiding in kwartskristal microbalans metingen van eiwit adsorptie en polymeer mechanica

13.3K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/60584

⸱

22 januari 2020

 ,  ,  ,  , 
1Department of Materials Science and Engineering, Northwestern University, 2Department of Biomedical Engineering, Northwestern University

* These authors contributed equally

In dit artikel

Samenvatting

De Quartz Crystal micro Balance kan nauwkeurige massa-en viscoelastische eigenschappen bieden voor films in het micron-of submicron bereik, wat relevant is voor onderzoeken in biomedische en milieu-sensing, coatings en polymeer wetenschappen. De monster dikte beïnvloedt welke informatie kan worden verkregen uit het materiaal dat in aanraking komt met de sensor.

Samenvatting

In deze studie presenteren we verschillende voorbeelden van hoe dunne film voorbereiding voor kwartskristal microbalans experimenten de juiste modellering van de gegevens informeert en bepaalt welke eigenschappen van de film kunnen worden gekwantificeerd. De Quartz Crystal micro Balance biedt een uniek gevoelig platform voor het meten van fijne veranderingen in de massa en/of mechanische eigenschappen van een toegepaste film door het observeren van de veranderingen in mechanische resonantie van een kwartskristal oscillerend bij hoge frequentie. De voordelen van deze aanpak zijn de experimentele veelzijdigheid, het vermogen om veranderingen in eigenschappen te bestuderen over een breed scala aan experimentele tijds lengtes en het gebruik van kleine steekproefgroottes. We laten zien dat we, op basis van de dikte en shear modulus van de laag die op de sensor is afgezet, verschillende informatie uit het materiaal kunnen verkrijgen. Hier wordt dit concept specifiek benut om experimentele parameters weer te geven, resulterend in massa-en viscoelastische berekeningen van geadsorlakte collageen op goud en poly elektrolyten complexen tijdens zwelling als functie van zoutconcentratie.

Inleiding

De Quartz Crystal micro Balance (QCM) maakt gebruik van het piëzo-elektrische effect van een kwartskristal om de resonante frequentie te bewaken, die afhankelijk is van de massa die aan het oppervlak wordt gehecht. De techniek vergelijkt de resonante frequentie en bandbreedte van een AT cut Quartz Crystal sensor (meestal in het bereik van 5 MHz)1 in lucht of een vloeistof naar de frequentie en bandbreedte van de sensor na de afzetting van een film. Er zijn verschillende voordelen voor het gebruik van de QCM te bestuderen van dunne film eigenschappen en interfaces, met inbegrip van de hoge gevoeligheid voor massa en potentieel aan viscoelastische eigenschaps wijzigingen (afhankelijk van de monster uniformiteit en dikte), de mogelijkheid om studies uit te voeren in situ2, en de mogelijkheid om te sonde een veel kortere Rheologische tijdschaal dan traditionele shear reologie of dynamische mechanische analyse Het terugdringen van een korte Rheologische tijdschaal maakt het mogelijk om te observeren hoe de respons op deze tijdschaal zowel over extreem korte (MS)3 als over lange (jaren) duur4verandert. Deze mogelijkheid is gunstig voor de studie van een verscheidenheid aan kinetische processen en is ook een nuttige uitbreiding van de traditionele rheometrische technieken5,6.

De hoge gevoeligheid van de QCM heeft ook geleid tot een intensief gebruik in biologische toepassingen die de fundamentele interacties van extreem kleine biomoleules bestuderen. Een ongecoat of gefunctionaliseerd sensoroppervlak kan worden gebruikt om de eiwit adsorptie te onderzoeken; nog verder kan biosensing door complexe bindings gebeurtenissen tussen enzymen, antilichamen en aptamers worden onderzocht op basis van veranderingen in massa7,8,9. De techniek is bijvoorbeeld gebruikt om de transformatie van blaasjes naar een vlakke lipide dubbellaag te begrijpen als een tweefasig proces van adsorptie van vloeistof-bevattende blaasjes naar een stijve structuur door het observeren van correlerende veranderingen in frequentie en visco-elasticiteit10. De afgelopen jaren heeft de QCM bovendien een robuust platform aangeboden om de levering van geneesmiddelen door blaasjes of nanodeeltjes11te controleren. Op de kruising van Materials Engineering en moleculaire en cellulaire biologie, kunnen we de QCM gebruiken om de belangrijkste interacties tussen materialen en bioactieve componenten zoals eiwitten, nucleïnezuren, liposomen en cellen te verhelmaken. Bijvoorbeeld, eiwit adsorptie aan een biomateriaal bemiddelt downstream cellulaire reacties zoals ontsteking en wordt vaak gebruikt als een positieve indicator van biocompatibiliteit, terwijl in andere gevallen extracellulaire eiwit gehechtheid aan coatings die interface met bloed kunnen induceren gevaarlijke stolling in vaartuigen12,13. De QCM kan daarom worden gebruikt als een tool om kandidaten optimaal te selecteren voor verschillende behoeften.

Twee gemeenschappelijke benaderingen voor het uitvoeren van QCM-experimenten verzamelen analoge gegevens uit het experiment: de eerste benadering registreert de frequentieverschuiving en de halve bandbreedte (Γ) van de geleidings piek. De tweede benadering, QCM met dissipatie (QCM-D), registreert de frequentieverschuiving en de dissipatiefactor, die direct evenredig is met Γ door vergelijking 1,14

figure-introduction-11

waarbij D de dissipatiefactor is en ƒ de frequentie. Zowel D als Γ zijn gerelateerd aan het dempings effect dat de film op de sensor heeft, wat een indicatie geeft van de stijfheid van de film. Het subscript n duidt de frequentie-Overtoon of harmonische aan, die de oneven resonerende frequenties van de kwarts sensor zijn (n = 1, 3, 5, 7...). Verdere bespreking van modellen met behulp van meerdere harmonischen om de massa en visco-elastische eigenschappen van een film te verkrijgen, kan worden gevonden in een review door johannsmann14 en eerdere papers uit de Shull-groep15,16,17,18.

Een belangrijke overweging voor het voorbereiden van QCM-samples is het toepassen van de dunne film op het sensoroppervlak. Enkele veelgebruikte methoden zijn spin coating, dip coating, druppel coating of adsorptie van de film op het sensoroppervlak tijdens het experiment19,20. Er zijn vier regio's voor QCM-samples: de Sauerbrey-limiet, het visco-elastische regime, het bulk regime en het overbevochte regime. Voor voldoende dunne folies geldt de Sauerbrey-limiet, waarbij de frequentieverschuiving (Δƒ) de oppervlakte massa van de film vormt. Binnen de Sauerbrey-limiet schaalt de frequentieverschuiving lineair met de resonante harmonische, n, en veranderingen in de dempingsfactor (D of Γ) zijn over het algemeen klein. In dit regime is onvoldoende informatie beschikbaar om de Rheologische eigenschappen van de laag op unieke wijze te bepalen zonder bijkomende veronderstellingen te maken. Gegevens in dit regime worden gebruikt voor het berekenen van de oppervlakte massa (of dikte als de dichtheid a prioribekend is) van de film. In het bulk regime waar het medium dat in aanraking komt met het kristal voldoende dik is, wordt de afschuiving Golf doorgegeven in het medium voordat het volledig wordt bevochtigd. Hier kan geen massa-informatie worden verkregen met behulp van Δƒ. Echter, in deze regio, de visco-elastische eigenschappen worden betrouwbaar bepaald met behulp van de combinatie van Δƒ en δγ 15,18. In het bulk regime, als het medium te stijf is, zal de film de resonantie van de sensor uitdamp, waardoor het verzamelen van betrouwbare gegevens uit de QCM wordt voorkomen. Het visco-elastische regime is het tussenliggende regime waarbij de film dun genoeg is om de afschuif Golf volledig door de film te laten propageren en betrouwbare waarden te hebben voor de dempingsfactor. De dempingsfactor en Δƒ kunnen vervolgens worden gebruikt om de visco-elastische eigenschappen van de film te bepalen, evenals de massa ervan. Hier worden de visco-elastische eigenschappen gegeven door het product van de dichtheid en de grootte van de complexe shear modulus | G* | p en de fasehoek gegeven door Φ = arctan (g " / g '). Wanneer films worden bereid in de Sauerbrey-limiet, kan de massa per eenheids gebied direct worden berekend op basis van de Sauerbrey-vergelijking die onder21wordt weergegeven,

figure-introduction-22

waar Δƒn is de verandering in de resonante frequentie, n is de Overtoon van belang, ƒ1 is de resonante frequentie van de sensor, Δm / A is de massa per gebied van de film, en Zq is de akoestische impedantie van kwarts, die voor bij cut Quartz Zq = 8,84 x 106kg / m2s. Het viscoelastische regime is het meest geschikt voor de studie van polymeer films, en de bulk limiet is nuttig voor het bestuderen van viskeuze polymeer22 of eiwit oplossingen16. De verschillende regimes zijn afhankelijk van de eigenschappen van het materiaal van belang, met de optimale dikte voor volledige visco-elastisch en massa karakterisering in het algemeen toenemen met de film stijfheid. Figuur 1 beschrijft de vier regio's met betrekking tot de gebieddichtheid van de film, complexe shear modulus en fasehoek, waar we een specifieke relatie hebben aangenomen tussen de fasehoek en de film stijfheid waarvan is aangetoond dat ze relevant zijn voor materialen van dit type. Veel films van praktisch belang zijn te dik voor het bestuderen van de visco-elastische eigenschappen met QCM, zoals bepaalde biofilms, waar de diktes zijn op de orde van de tientallen tot honderden micron23. Dergelijke dikke films zijn over het algemeen niet geschikt om te studeren met behulp van de QCM, maar kunnen worden gemeten met veel lagere frequentie resonatoren (zoals torsie resonatoren)23, waardoor de afschuif Golf verder in de film voortspruit.

Om te bepalen welk regime relevant is voor een bepaald QCM-monster, is het belangrijk om de parameter d /λn te begrijpen, wat de verhouding is tussen de laagdikte (d) en de afschuif golflengte van de mechanische oscillatie van de kwarts kristallen sensor (λn)15,16,18. Het ideale viscoelastische regime is d /λn = 0,05-0,218, waarbij de waarden onder 0,05 binnen de Sauerbrey-limiet liggen en de waarden boven 0,2 de bulk regeling benaderen. Een striktere beschrijving van d /λn is elders15,18, maar het is een kwantitatieve parameter die de Sauerbrey-limiet en de viscoelastische grens afbakenen. De hieronder gebruikte analyseprogramma's bieden deze parameter rechtstreeks.

Er zijn enkele extra beperkingen voor het analyseren van dunne films met de QCM. De Sauerbrey en viscoelastische berekeningen veronderstellen dat de film homogeen is, zowel in de hele filmdikte als lateraal over het elektrode oppervlak van de QCM. Hoewel deze veronderstelling het uitdagend maakt om films te bestuderen die holtes of vulstoffen aanwezig zijn, zijn er enkele QCM-onderzoeken uitgevoerd naar films bestaande uit geënt nanodeeltjes6. Als de heterogeneities klein zijn in vergelijking met de totale filmdikte, kunnen er nog steeds betrouwbare viscoselastische eigenschappen van het samengestelde systeem worden verkregen. Voor meer heterogene systemen moeten waarden die zijn verkregen uit een viscoelastische analyse altijd met grote voorzichtigheid worden bekeken. Idealiter moeten de resultaten van systemen met een onbekende heterogeniteit worden gevalideerd tegen systemen waarvan bekend is dat ze homogeen zijn. Dat is de aanpak die we hebben ingenomen in het voorbeeld systeem dat in dit document wordt beschreven.

Een belangrijk punt dat we illustreren in dit artikel is de exacte correspondentie tussen QCM-metingen gedaan in het frequentiedomein (waar Γ wordt gerapporteerd) en de tijddomein experimenten (waarbij D wordt gerapporteerd). De resultaten van twee verschillende QCM-experimenten, één tijddomein en één frequentiedomein worden beschreven, elk met een verschillend maar conceptueel verwant modelsysteem. Het eerste systeem is een eenvoudig voorbeeld van collageen gehechtheid aan de sensor ter illustratie van representatieve bindende kinetiek en equilibratie van adsorptie in de loop van de tijd gedurende een tijdsdomein (QCM-D) meting. Collageen is het meest overvloedige eiwit in het lichaam, bekend om zijn veelzijdigheid van bindend gedrag en morfologie. De hier gebruikte collageen oplossing vereist geen extra functionalisatie van het goud oppervlak van de sensor om adsorptie9te induceren. Het tweede experimentele systeem is een polyelektrolyt complex (PEC) bestaande uit anionisch polystyreen sulfonaat (PSS) en kationisch poly (diallyldimethylammonium) (PDADMA), bereid op dezelfde manier als Sadman et al.22. Deze materialen zwellen en worden zacht in zout (KBr in dit geval) oplossingen, het aanbieden van een eenvoudig platform voor het bestuderen van polymeer mechanica met behulp van een frequentiedomein benadering (QCM-Z). Voor elk protocol wordt het proces van het voorbereiden, nemen en analyseren van een meting weergegeven in Figuur 2. Het schematische beeld geeft aan dat het belangrijkste verschil tussen de QCM-Z-en QCM-D-benaderingen zich bevindt in de stap voor het verzamelen van gegevens en de instrumentatie die in het experiment wordt gebruikt. Alle genoemde monster voorbereidings technieken zijn compatibel met beide benaderingen, en elke benadering kan monsters analyseren in de drie regio's afgebeeld in Figuur 1.

Onze gegevens tonen aan dat de voorbereiding van monsters, hetzij door sensor coating vóór of tijdens een meting, dicleert de mogelijkheid om de viscoelastische eigenschappen van een systeem te extraheren. Door het ontwerpen van de vroege stadia van een experiment op de juiste manier, kunnen we bepalen welke informatie we nauwkeurig kunnen verzamelen tijdens de analyse stap.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

QCM-D collageen adsorptie

1. monstervoorbereiding en voor reiniging van de sensor

  1. Bereid 20 mL van 0,1 M acetaatbuffer, aanpassing van de pH met HCl en NaOH indien nodig om pH = 5,6.
  2. Voeg rat tail collageen oplossing toe aan de 20 mL acetaatbuffer onder steriele omstandigheden tot een uiteindelijke concentratie van 10 μg/mL.
  3. Reinig de goudgecoate kwarts sensor om organisch en biologisch materiaal te verwijderen25,26.
    1. Plaats de sensor actieve kant omhoog in een UV/ozon kamer en behandel het oppervlak ongeveer 10 min.
    2. Verhit een 5:1:1 mengsel van gedeïoniseerd water (dH2O), ammoniak (25%) en waterstofperoxide (30%) tot 75 °C. Plaats de sensor gedurende 5 minuten in de oplossing.
    3. Spoel de sensor af met dH2O en droog met een stroom stikstofgas.
    4. Plaats de sensor actieve kant omhoog in een UV/ozon kamer en behandel het oppervlak gedurende 10 minuten.
      Opmerking: de reinigingsprocedure moet onmiddellijk worden uitgevoerd voordat een meting de milieuverontreiniging op het sensoroppervlak minimaliseert.

2. QCM-D meetgegevens verzamelen

  1. Schakel alle benodigde apparatuur in om een meting te doen, inclusief de pomp, elektronica-eenheid en computer software.
  2. Verwijder de stroom module uit het kamer platform en draai de grote duimschroeven los om de module te openen.
  3. Als de sensor is achtergelaten na de initiële reiniging (stappen 1.3.1-1.3.4), spoel de sensor dan af met gedeïoniseerd water (dH2O) en droog met een stroom stikstof gas om ervoor te zorgen dat er geen verontreinigingen op het oppervlak zijn.
  4. Monteer de sensor in de stromings module op de blootgestelde O-ring, droog eerst het gebied met een stroom van stikstofgas en controleer of de O-ring plat ligt. De sensor moet worden geplaatst met de actieve oppervlakte zijde naar beneden en anker-vormige elektrode gericht op de marker in de stroom module.
  5. Draai de duimschroeven om de stroom module te verzegelen en vervang deze op het kamer platform. Bevestig alle benodigde PTFE-pomp slangen aan de stromings module en de externe pomp.
  6. Stel met behulp van de juiste computer software de temperatuur van de stromings module in op 37 °C. Bewaak de veranderende temperatuur gedurende 10-15 min om ervoor te zorgen dat deze op de gewenste waarde wordt weer.
  7. Zoek de eerste resonantiefrequenties van de sensor. Als er geen resonantiefrequenties worden gevonden door de software, controleer dan of de stroom module correct op het kamer platform is geplaatst of Monteer de sensor in de stroom module om ervoor te zorgen dat deze gecentreerd is en goed elektrisch contact maakt.
  8. Plaats de inlaat pomp slang in de 1x fosfaat-gebufferde zoutoplossing (PBS). Start de externe pomp stroom op 25 μL/min en Inspecteer de slang visueel om er zeker van te zijn dat de vloeistof door de buis stroomt.
    Opmerking: vloeistofstroom kan gemakkelijker te zien zijn door de vloeistofstroom tijdelijk te verhogen tot 100 μL/min of hoger. Als vloeistof niet door de buis lijkt te bewegen, is het zeer waarschijnlijk dat de twee delen van de stromings module geen goede afdichting creëren. Probeer de duimschroeven aan te spannen, de aansluitingen van de slang aan de inlaat en uitlaat aan te spannen of de sensor opnieuw te monteren om er zeker van te zijn dat de O-ring plat en gecentreerd is.
  9. Laat gedurende ten minste 15 minuten de vloeistofstroom van de 1x PBS via de stroom module toe.
  10. Start de meting in de computer software om data-acquisitie te starten. Bewaak de frequentie-en dissipatiewaarden gedurende ten minste 5 minuten om een stabiele basislijn te garanderen.
  11. Stop de pomp en verplaats de inlaat slang naar de collageen-acetaatbuffer oplossing en hervat de vloeistofstroom. Noteer de tijd van deze gebeurtenis voor latere analyse.
  12. Laat de nieuwe waarden voor frequentie en dissipatie naar een stabiele waarde gaan. Hier verwachten we dat deze stabilisatie plaatsvindt na 8-12 uur.
  13. Stop de pomp, verplaats de inlaat slang terug naar de 1x PBS-oplossing en hervat de vloeistofstroom. Noteer de tijd van deze gebeurtenis voor latere analyse.
  14. Laat de nieuwe waarden voor frequentie en dissipatie naar een stabiele waarde gaan. Hier vindt deze stabilisatie plaats na 30 minuten.
    Opmerking: stappen 2,13 en 2,14 kunnen worden herhaald voor elke nieuwe periode van vloeistofstroom in meer rigoureuze experimenten met een groter aantal stadia.
  15. Beëindig de gegevensverzameling van de meting en sla de gegevens op.
  16. Reinig en Demonteer de QCM-apparatuur.
    1. Verhoog de vloeistofstroom van de externe pomp tot 500 μL/min of meer en plaats de inlaat slang in een oplossing van 2% Hellmanex reinigingsoplossing gedurende ten minste 20 minuten.
      Opmerking: voor andere experimenten, als verdere analyse van de sensor gewenst is, verwijder de sensor voor stap 2.16.1 en plaats een andere reinigings sensor in de module.
    2. Stop de pomp en verplaats de inlaat slang naar dH2O, en hervat de vloeistofstroom om het systeem verder te spoelen gedurende ten minste 20 minuten.
    3. Stop de vloeistofstroom en verwijder de sensor uit de stroom module. Droog de sensor en de binnenkant van de stromings module met een stroom van stikstofgas. Schakel de computer software, elektronica-eenheid en peristaltische pomp uit.
      Opmerking: de met goud beklede sensoren kunnen goed worden gereinigd, zoals beschreven in de stappen 1.3.1-1.3.4, en worden hergebruikt voor verschillende metingen. Indicaties dat een sensor niet langer kan worden hergebruikt voor betrouwbare metingen kunnen omvatten maar zijn niet beperkt tot grote variabiliteit in initiële resonantiefrequenties en significante Drifts bij Baseline metingen met buffer stroom. Gegevens kunnen worden geopend en geanalyseerd in de voorkeurs software, inclusief die van bedrijven die gespecialiseerd zijn in QCM-D-apparatuur.

QCM Polyelektrolyt complex zwelling

3. monstervoorbereiding

Opmerking: dit experiment is uitgevoerd met een MATLAB-programma dat is ontwikkeld binnen de Shull-onderzoeksgroep voor het verzamelen en analyseren van gegevens.

  1. Plaats eerst een blote kwarts kristallen sensor in een monsterhouder aangesloten op de vector Network Analyzer en computer. Schakel de analysator in om een oscillerende spanning op de sensor toe te passen en verzamel een referentie geleidings spectrum voor de sensor in de lucht.
  2. Dompel de monsterhouder onder in een lipless 100 mL bekerglas gevuld met gedistilleerd water en verzamel een referentie geleidings spectrum voor de kale sensor in water.
  3. Bereid een oplossing van 0,5 M kalium bromide (KBr).
    1. Los 1,79 g KBr op in 30 mL gedistilleerd water. Schud totdat het is opgelost.
    2. Plaats een kleine silicium wafer in de KBr-oplossing onder een hoek om een dia voor de kwarts sensor te maken tijdens de gloeien stap om te voorkomen dat de film van de sensor komt.
  4. Maak de sensor klaar voor een spin coating.
    1. Stel de spin Coat parameters in op 10.000 rpm, 8.000 acceleratie en 5 s.
    2. Plaats de sensor op de spin coater en schakel het vacuüm in.
    3. Bedek het oppervlak van de sensor met ethanol en voer de spin coater uit om het sensoroppervlak te reinigen.
    4. Voeg de PEC (PSS: PDADMA op dezelfde manier toe als gedetailleerd in Sadman et al. 22) naar het oppervlak van de sensor.
      1. Als het complex zich in twee fasen bevindt (polymeer rijk en polymeer armen), plaatst u het pipet langzaam in de oplossing. Evacueren het pipet door bubbels te blazen terwijl u het pipet in de dichtere polymeer rijke fase beweegt.
      2. Na het loslaten van een paar bubbels in de polymeer rijke fase, tekent u 0,5-0,75 mL van de polymeer rijke oplossing in het pipet. Door de druk op de pipet lamp te behouden zodat de polymeer arme fase niet in het pipet kan komen, trekt u het pipet uit de oplossing.
      3. Veeg de buitenkant van het pipet af met een Kimwipe. Voeg voldoende oplossing druppelsgewijs toe op het oppervlak van de kwarts sensor om het oppervlak volledig te bedekken. Zorg ervoor dat er geen zichtbare bubbels in de oplossing op het sensoroppervlak zitten.
  5. Spin Coat het PEC-monster en dompel de sensor onmiddellijk onder in de 0,5 M KBr-oplossing om zout kristallisatie op de film te voorkomen.
    Opmerking: deze stap is soms moeilijk te coördineren. Laat de sensor net boven de KBr-oplossing los voor de beste resultaten.
  6. Laat de film minstens 12 uur gloten.
    Opmerking: voor het gemak van het experiment, bereidt u stap 4 's avonds voor en laat u de film 's nachts glouren.

4. meting van de film in lucht en water

  1. Breng de sensor over naar een bekerglas gevuld met gedistilleerd water om de overtollige KBr uit de film en de achterzijde van de sensor te verwijderen. Laat de sensor in de oplossing voor 30-60 min.
  2. Neem een meting van de film in de lucht. Verwijzing naar de kale sensor in de lucht. Laat de filmgegevens op een evenwichts veld.
  3. Plaats gedroogd calciumsulfaat in een lipless bekerglas van 100 mL en meet de volledig droge laagdikte. Verwijder calciumsulfaat uit het bekerglas en spoel het bekerglas af met gedestilleerd water.
  4. Vul het 100 mL lipless bekerglas met 30 mL gedistilleerd water. Plaats een roerstaaf om te zorgen dat het water rond de film circuleert. Meet de film ongeveer 30-45 min in water of totdat de filmgegevens worden geëscaleerd. Verwijzing naar de kale sensor in water.
  5. Bereid een 15 mL oplossing van 3 M KBr in gedistilleerd water. Meet 5,35 g KBr in een gegradueerde cilinder en vul aan tot 15 mL met gedestilleerd water. Zwenken tot het is opgelost.
  6. Voeg de KBr-oplossing toe aan het bekerglas met gedistilleerd water in stappen van 0,1 M. Tabel 1 geeft een overzicht van de stappen van 0,1 m in ml van 3 M KBR-oplossing. Gezicht de film weg van waar de KBr oplossing wordt toegevoegd aan het water, zodat de film niet oplost. Zorg ervoor dat het systeem is geëscaleerd voordat u een andere toevoeging van de KBr-oplossing toevoegt.
  7. Nadat alle gegevens zijn verkregen, verwijdert u de film uit de houder en plaatst u deze in een bekerglas gedistilleerd water. Laat het zout de film verlaten (30-60 min) en lucht drogen de film.
  8. Om de PEC-film van de sensor te reinigen, voeg KBr toe aan het bekerglas en zwenk de oplossing voorzichtig. Laat zitten voor 5-10 min. Herhaal dit proces 2-3 keer en spoel de sensor vervolgens af met gedistilleerd water.
    Opmerking: de sensor kan worden gereinigd en hergebruikt als de reactie van de sensor nog steeds goed is. Dit kan worden gecontroleerd door de sensor met een beperkte absolute bandbreedte metingen voor de harmonischen van belang (< 100 Hz).

5. gegevensanalyse

  1. Open de QCM-D Data Analysis MATLAB GUI gemaakt door Sadman (https://github.com/sadmankazi/QCM-D-Analysis-GUI)27. Open de film in Air data file door "load QCM" te selecteren.
    Opmerking: de Shull-groep heeft een vergelijkbare python GUI ontwikkeld voor het verzamelen en analyseren van gegevens voor QCM (https://github.com/shullgroup/rheoQCM). Een deel van de analyse code wordt verstrekt in de aanvullende informatie voor zowel het analyseren van de gegevens als het genereren van de cijfers in dit document.
  2. Selecteer de gewenste berekening ( 3, 5, 3 of 3, 5, 5), gammaen film in Air -pictogrammen. Klik op QCM uitzetten.
  3. Bepaal de dikte van de droge film met behulp van het meest geëquilibreerd gegevenspunt (meestal het laatste gegevenspunt) van het experiment. Deze waarde vastleggen.
  4. Open de film in het gegevensbestand van het water. Selecteer dezelfde parameters als in stap 5,2, behalve film in water in plaats van film in de lucht.
  5. Bepaal na elke evenwichts stap van het zwellen experiment de filmdikte, complexe shear modulus en de viscoelastische fasehoek. Noteer deze waarden samen met de ionensterkte (variërend van 0-1 M in stappen van 0,1 M).
  6. Bepaal het percentage zwelling als
    figure-protocol-13
    waar DP is de filmdikte van de oplossing en DPdroog is de droge laagdikte.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

De veranderingen in frequentie met de tijd tijdens de eiwit adsorptie vertonen een karakteristieke kromme en plateau weergegeven in Figuur 3a-B. De initiële buffer Wash van 1x PBS over het blote sensoroppervlak induceert slechts verwaarloosbare veranderingen in frequentie, en biedt een stabiele basislijn om te fungeren als referentie voor toekomstige gegevenspunten. De introductie van collageen oplossing veroorzaakt eiwit adsorptie om te beginnen, waargenomen als een gestage...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

De adsorptie resultaten van collageen omvatten de Sauerbrey-en viscoelastische regimes. Door het uitzetten van de frequentie verschuivingen genormaliseerd naar het corresponderende harmonische getal, zien we dat de Sauerbrey limiet geldt voor ongeveer de eerste 2 h van de meting. Met toenemende massa aan de sensor, echter, de genormaliseerde frequentie verschuivingen voor de derde en vijfde harmonischen beginnen af te wijken van elkaar (t > 2 h), wat duidt op een vermogen om te bepalen van de viscoelastische eig...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

Dit werk werd gesteund door het NSF (DMR-1710491, OISE-1743748). J.R. en E.S. erkennen de steun van NSF (DMR-1751308).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
AzijnzuurSigma-AldrichA6283Voor collageen adsorptie
Ammoniak hydroxide oplossingSigma-Aldrich221228Voor collageen adsorptie
Waterige QCM sondeAWSensorsCLS 00050 AVoor polyelektrolyt zwelling
Collageen I Rat Eiwit, StaartThermo Fisher ScientificA1048301Voor collageen adsorptie
Gedestilleerd waterSigma-AldrichEM3234Voor polyelektrolyt zwelling; over het algemeen gemakkelijk te verkrijgen in onderzoekslaboratoria, maar er is een catalogusnummer voor het geval het niet toegankelijk is
EthanolSigma-Aldrich793175-1GA-PBVoor polyelektrolyt zwelling
Gibco fosfaatgebufferde zoutoplossingThermo Fisher Scientific20012-027Voor collageen adsorptie
Hellmanex IIISigma-AldrichZ805939Voor collageen adsorptie
Waterstofperoxide oplossingSigma-Aldrich216763Voor collageen adsorptie
Kimberly-Clark Professional Kimtech Science Kimwipes Delicate Task Wipers, 1-PlyFisher Scientific06-666AVoor polyelektrolyt zwelling
NP2K VNAMakarov InstrumentsVoor polyelektrolyt zwelling
Poly(diallyldimethylammoniumchloride), MW 200.000Sigma-Aldrich409022Voor polyelektrolyt zwelling; voor volledige syntheseprocedure zie Sadman et al.
Poly(styreen-sulfonaat) natriumzout 30% gewicht in waterSigma-Aldrich561967-500GVoor polyelektrolyt zwelling; voor volledige syntheseprocedure zie Sadman et al.
KaliumbromideSigma-Aldrich793604-1KGVoor polyelektrolyt zwelling
QSense QCM Explorer SysteemBiolin ScientificVoor collageen adsorptie
Natriumacetaat, watervrijSigma-AldrichS2889Voor collageen adsorptie
Spin coater, Model WS-650MZ-23NPPLaurell technologiesVoor polyelektrolyt zwelling

Referenties

  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. , Stockholm, Sweden. (2017).
  25. Ringberg, J. Q-Sense User Guide: Instrument care and sensor pre-cleaning. Biolin Scientific. , Stockholm, Sweden. (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).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Trefwoorden

FilmpreparatieVisco elastische AnalyseCollageenadsorptiePolyelektrolytcomplexFrequentiedissipatieMonsterdikteMechanische Eigenschappen
Monstervoorbereiding in kwartskristal microbalans metingen van eiwit adsorptie en polymeer mechanica
Neem contact met ons op
Aanbevelen aan bibliotheek

Privacy

Gebruiksvoorwaarden

Beleid

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.