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Chemistry

प्रोटीन एसोर्टपशन और पॉलिमर मैकेनिक्स के क्वार्ट्ज क्रिस्टल माइक्रोबैलेंस मापन में नमूना तैयारी

Published: January 22, 2020 doi: 10.3791/60584
Automatic Translation
*1, *2, 1, 2, 1
1Department of Materials Science and Engineering, Northwestern University, 2Department of Biomedical Engineering, Northwestern University
* These authors contributed equally

Summary

क्वार्ट्ज क्रिस्टल माइक्रोबैलेंस माइक्रोन या सबमाइक्रोन रेंज में फिल्मों के लिए सटीक द्रव्यमान और चिपचिपा गुण प्रदान कर सकता है, जो बायोमेडिकल और पर्यावरण संवेदन, कोटिंग्स और बहुलक विज्ञान में जांच के लिए प्रासंगिक है। नमूना मोटाई प्रभावित करता है जो जानकारी सेंसर के संपर्क में सामग्री से प्राप्त की जा सकती है।

Abstract

इस अध्ययन में, हम विभिन्न उदाहरण प्रस्तुत करते हैं कि क्वार्ट्ज क्रिस्टल माइक्रोबैलेंस प्रयोगों के लिए पतली फिल्म तैयारी डेटा के उपयुक्त मॉडलिंग को कैसे सूचित करती है और यह निर्धारित करती है कि फिल्म के किन गुणों की मात्रा निर्धारित की जा सकती है। क्वार्ट्ज क्रिस्टल माइक्रोबैलेंस उच्च आवृत्ति पर एक क्वार्ट्ज क्रिस्टल दोलन की यांत्रिक प्रतिध्वनि में परिवर्तन को देख कर एक अनुप्रयुक्त फिल्म के द्रव्यमान और/या यांत्रिक गुणों में ठीक परिवर्तन को मापने के लिए एक विशिष्ट संवेदनशील मंच प्रदान करता है । इस दृष्टिकोण के फायदों में इसकी प्रयोगात्मक बहुमुखी प्रतिभा, प्रयोगात्मक समय लंबाई की एक विस्तृत श्रृंखला में गुणों में परिवर्तन का अध्ययन करने की क्षमता, और छोटे नमूना आकारों का उपयोग शामिल है। हम प्रदर्शित करते हैं कि, सेंसर पर जमा परत की मोटाई और कतरनी मॉड्यूलस के आधार पर, हम सामग्री से विभिन्न जानकारी प्राप्त कर सकते हैं। यहां, इस अवधारणा को विशेष रूप से नमक एकाग्रता के एक समारोह के रूप में सूजन के दौरान सोने और पॉलीइलेक्ट्रोलाइट परिसरों पर एडीसोबेड कोलेजन की द्रव्यमान और चिपचिपा गणना के परिणामस्वरूप प्रयोगात्मक मापदंडों को प्रदर्शित करने के लिए शोषण किया जाता है।

Introduction

क्वार्ट्ज क्रिस्टल माइक्रोबैलेंस (क्यूसीएम) अपनी सुनाई देने वाली आवृत्ति की निगरानी के लिए क्वार्ट्ज क्रिस्टल के पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव का लाभ उठाता है, जो सतह के बड़े पैमाने पर पालन करने पर निर्भर है। तकनीक एक एटी कट क्वार्ट्ज क्रिस्टल सेंसर की सुनाई देती आवृत्ति और बैंडविड्थ की तुलना करती है (आमतौर पर 5 मेगाहर्ट्ज की सीमा में)1 हवा में या किसी फिल्म के जमाव के बाद सेंसर की आवृत्ति और बैंडविड्थ के लिए तरल पदार्थ। पतली फिल्म गुणों और इंटरफेस का अध्ययन करने के लिए क्यूसीएम का उपयोग करने के लिए कई लाभ हैं, जिनमें द्रव्यमान के लिए उच्च संवेदनशीलता और संभावित रूप से चिपचिपा संपत्ति परिवर्तन (नमूना एकरूपता और मोटाई के आधार पर), सीटू2में अध्ययन करने की क्षमता, और पारंपरिक कतरनी रीलॉजी या गतिशील यांत्रिक विश्लेषण (डीएमए) की तुलना में बहुत कम रीलॉजिकल टाइमस्केल की जांच करने की क्षमता शामिल है। एक छोटी रीओलॉजिकल टाइमस्केल की जांच करने से यह अवलोकन होता है कि इस टाइमस्केल पर प्रतिक्रिया बेहद कम (एमएस)3 और लंबी (वर्ष) अवधि4दोनों में कैसे बदलती है। यह क्षमता विभिन्न प्रकार की गतिज प्रक्रियाओं के अध्ययन के लिए लाभदायक है और यह पारंपरिक रिओमेट्रिक तकनीकों का उपयोगी विस्तार भी है5,6.

क्यूसीएम की उच्च संवेदनशीलता ने अत्यंत छोटे जैव अणुओं की मौलिक बातचीत का अध्ययन करने वाले जैविक अनुप्रयोगों में भी इसका भारी उपयोग किया है। प्रोटीन एसोपशन की जांच के लिए एक अनकोटेड या कार्यात्मक सेंसर सतह का उपयोग किया जा सकता है; आगे भी, एंजाइमों, एंटीबॉडी, और आप्टेमर्स के बीच जटिल बाध्यकारी घटनाओं के माध्यम से बायोसेंसिंग7,8,9मास में परिवर्तन के आधार पर जांच की जा सकती है । उदाहरण के लिए, इस तकनीक का उपयोग वेसिकल्स के परिवर्तन को एक प्लैपर लिपिड बाइलेयर में समझने के लिए किया गया है, जो आवृत्ति और चिपचिपाहट10में सहसंबंधित परिवर्तनों को देखकर तरल पदार्थ युक्त वेसिकल्स के अवशोषण की दो चरण की प्रक्रिया है। हाल के वर्षों में, क्यूसीएम ने इसके अतिरिक्त वेसिकल्स या नैनोकणों11द्वारा दवा वितरण की निगरानी के लिए एक मजबूत मंच की पेशकश की है । सामग्री इंजीनियरिंग और आणविक और सेलुलर जीव विज्ञान के चौराहे पर, हम प्रोटीन, न्यूक्लिक एसिड, लिपोसोम और कोशिकाओं जैसे सामग्रियों और बायोएक्टिव घटकों के बीच महत्वपूर्ण बातचीत को स्पष्ट करने के लिए QCM का उपयोग कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, एक बायोमटेरियल मध्यस्थता के लिए प्रोटीन सोखने के लिए डाउनस्ट्रीम सेलुलर प्रतिक्रियाओं जैसे सूजन और अक्सर बायोकॉम्पिटीके सकारात्मक संकेतक के रूप में उपयोग किया जाता है, जबकि अन्य उदाहरणों में रक्त के साथ इंटरफेस करने वाले कोटिंग्स के लिए अतिरिक्त प्रोटीन लगाव12,13जहाजों में खतरनाक थक्के को प्रेरित कर सकता है। इसलिए QCM को विभिन्न आवश्यकताओं के लिए इष्टतम उम्मीदवारों का चयन करने के लिए एक उपकरण के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है।

QCM प्रयोगों को करने के लिए दो सामान्य दृष्टिकोण प्रयोग से अनुरूप डेटा एकत्र करते हैं: पहला दृष्टिकोण आवृत्ति बदलाव और आचरण चोटी के आधे बैंडविड्थ())को रिकॉर्ड करता है। दूसरा दृष्टिकोण, अपव्यय (क्यूसीएम-डी) के साथ क्यूसीएम, आवृत्ति बदलाव और अपव्यय कारक को रिकॉर्ड करता है, जो सीधे समीकरण 1,14 के माध्यम से आनुपातिक है

Equation 1(1)

जहां डी अपव्यय कारक है और आवृत्ति है। डी और दोनों ही डैमिंग इफेक्ट से संबंधित हैं फिल्म का सेंसर पर है, जो फिल्म की अकड़न का संकेत देता है । सबस्क्रिप्ट एन आवृत्ति ओवरटोन या हार्मोनिक को दर्शाता है, जो क्वार्ट्ज सेंसर (एन = 1, 3, 5, 7 ...) की अजीब सुनाई देती आवृत्तियां हैं। फिल्म के द्रव्यमान और चिपचिपा गुणों को प्राप्त करने के लिए कई हार्मोनिक्स का उपयोग करने वाले मॉडलों की आगे चर्चा जोहान्समैन14 और पिछले कागजात ों की समीक्षा में शूल समूह15,16,17,18से देखी जा सकती है ।

QCM नमूने तैयार करने के लिए एक महत्वपूर्ण विचार यह है कि सेंसर सतह पर पतली फिल्म को कैसे लागू किया जाए। कुछ सामान्य तरीकों में19,20प्रयोग के दौरान सेंसर सतह पर स्पिन कोटिंग, डिप कोटिंग, ड्रॉप कोटिंग, या फिल्म का सोखना शामिल है। क्यूसीएम नमूनों के लिए चार क्षेत्र हैं: सॉर्ब्रे सीमा, चिपचिपा शासन, थोक शासन, और अतिसंपित शासन। पर्याप्त रूप से पतली फिल्मों के लिए, सॉर्ब्रे सीमा लागू होती है, जहां आवृत्ति बदलाव()फिल्म का सतह जन घनत्व प्रदान करता है। सॉर्ब्रे सीमा के भीतर, आवृत्ति बदलाव गूंजते हार्मोनिक, एन के साथ लगभग लिरिकल होते हैं, और डैम्पिंग फैक्टर(डी या ए)में परिवर्तन आम तौर पर छोटे होते हैं। इस व्यवस्था में अतिरिक्त अनुमान लगाए बिना परत के रीलॉजिकल गुणों को विशिष्ट रूप से निर्धारित करने के लिए पर्याप्त जानकारी उपलब्ध नहीं है। इस शासन में डेटा का उपयोग फिल्म की सतह द्रव्यमान घनत्व (या मोटाई की गणना करने के लिए किया जाता है यदि घनत्व को प्राथमिकताओंमें जाना जाता है)। थोक शासन में जहां क्रिस्टल के संपर्क में माध्यम पर्याप्त रूप से मोटी है, इवानसेंट कतरनी लहर पूरी तरह से घटा होने से पहले माध्यम में प्रचारित करती है। यहां, कोईबड़े पैमाने पर जानकारी प्राप्त की जा सकती है। हालांकि, इस क्षेत्र में, चिपचिपा गुण मज़बूती से 15,18के संयोजन का उपयोग करके निर्धारित किए जाते हैं। थोक शासन में, यदि माध्यम बहुत कठोर है, तो फिल्म सेंसर की गूंज को नम कर देगी, जिससे क्यूसीएम से किसी भी विश्वसनीय डेटा के संग्रह को रोका जा सकेगा । चिपचिपा शासन मध्यवर्ती शासन है जहां फिल्म काफी पतली है कि कतरनी लहर पूरी तरह से फिल्म के माध्यम से प्रचारित करने के साथ-साथ डैमिंग फैक्टर के लिए विश्वसनीय मूल्य हैं । इसके बाद डैमिंग फैक्टर और उसकेद्रव्यमान का इस्तेमाल फिल्म के चिपचिपा गुणों को निर्धारित करने के लिए किया जा सकता है । यहां, चिपचिपा गुण घनत्व के उत्पाद और जटिल कतरनी मॉड्यूलस की भयावहता द्वारा दिए जाते हैं। जी*. पी और चरण कोण द्वारा दिए गए = आर्क्टन(जी"/जी') । जब फिल्मों को सॉर्ब्रे सीमा में तैयार किया जाता है, तो21से नीचे दिखाए गए सॉर्ब्रे समीकरण के आधार पर द्रव्यमान प्रति यूनिट क्षेत्र की गणना सीधे की जा सकती है,

Equation 2(2)

जहां गूंजतीआवृत्ति में परिवर्तनहै, एन ब्याज का ओवरटोन है,1 सेंसर की गूंज आवृत्ति है, एक फिल्म के प्रति क्षेत्र द्रव्यमान है, और जेडक्यू क्वार्ट्ज की ध्वनिक बाधा है, जो कट क्वार्ट्ज के लिए जेडक्यू = 8.84 x 106किलो/ चिपचिपा शासन बहुलक फिल्मों के अध्ययन के लिए सबसे उपयुक्त है, और थोक सीमा चिपचिपा बहुलक22 या प्रोटीन समाधान16का अध्ययन करने के लिए उपयोगी है । विभिन्न शासन ों ब्याज की सामग्री के गुणों पर निर्भर करते हैं, पूर्ण चिपचिपा और बड़े पैमाने पर लक्षण वर्णन के लिए इष्टतम मोटाई के साथ आम तौर पर फिल्म कठोरता के साथ बढ़ रही है । चित्रा 1 फिल्म के वास्तविक घनत्व, जटिल कतरनी मॉड्यूलस और चरण कोण के संबंध में चार क्षेत्रों का वर्णन करता है, जहां हमने चरण कोण और फिल्म कठोरता के बीच एक विशिष्ट संबंध ग्रहण किया है जिसे इस प्रकार की सामग्रियों के लिए प्रासंगिक दिखाया गया है। व्यावहारिक रुचि की कई फिल्में क्यूसीएम के साथ चिपचिपा गुणों का अध्ययन करने के लिए बहुत मोटी हैं, जैसे कि कुछ बायोफिल्म्स, जहां मोटाई दसियों से सैकड़ों माइक्रोन23के आदेश पर होती है। इस तरह की मोटी फिल्में आम तौर पर QCM का उपयोग कर अध्ययन के लिए उपयुक्त नहीं हैं, लेकिन बहुत कम आवृत्ति प्रतिध्वनिकर्ताओं (जैसे torsional प्रतिध्वनिकर्ताओं)23का उपयोग कर मापा जा सकता है, कतरनी लहर फिल्म में आगे प्रचार करने की अनुमति ।

यह निर्धारित करने के लिए कि दिए गए क्यूसीएम नमूने के लिए कौन सा शासन प्रासंगिक है, यह समझना महत्वपूर्ण है कि फिल्म मोटाई(डी)का अनुपात क्वार्ट्ज क्रिस्टल सेंसर(15,16,18)के यांत्रिक दोलन की कतरनी तरंगदैर्ध्य में है । आदर्श चिपचिपा शासन डी/0.05 - 0.218है, जहां 0.05 से नीचे के मूल्य सॉर्ब्रे सीमा के भीतर हैं और 0.2 से ऊपर के मूल्य थोक शासन से संपर्क करते हैं। डी/एन का अधिक कठोर वर्णन कहीं और प्रदान किया जाता है15,18,लेकिन यह एक मात्रात्मक पैरामीटर है जो सॉर्ब्रे सीमा और चिपचिपा सीमा को खा रहा है। नीचे उपयोग किए गए विश्लेषण कार्यक्रम इस पैरामीटर को सीधे प्रदान करते हैं।

क्यूसीएम के साथ पतली फिल्मों का विश्लेषण करने के लिए कुछ अतिरिक्त सीमाएं हैं। Sauerbrey और चिपचिपा गणना मान फिल्म दोनों फिल्म मोटाई भर में सजातीय है और बाद में QCM के इलेक्ट्रोड सतह के पार । हालांकि इस धारणा से उन फिल्मों का अध्ययन करना चुनौतीपूर्ण हो जाता है जिनमें रिक्तियां या भराव मौजूद हैं, लेकिन ग्राफ्ट किए गए नैनोकणोंसेमिलकर फिल्मों में कुछ क्यूसीएम जांच हुई है । यदि विषमताएं समग्र फिल्म मोटाई की तुलना में छोटी हैं, तो समग्र प्रणाली के विश्वसनीय चिपचिपा गुण अभी भी प्राप्त किए जा सकते हैं। अधिक विषम प्रणालियों के लिए, चिपचिपा विश्लेषण से प्राप्त मूल्यों को हमेशा बड़ी सावधानी से देखा जाना चाहिए। आदर्श रूप से, अज्ञात विषमता वाले सिस्टम से प्राप्त परिणामों को उन प्रणालियों के खिलाफ मान्य किया जाना चाहिए जिन्हें सजातीय माना जाता है। इस पेपर में वर्णित उदाहरण प्रणाली में हमने यही दृष्टिकोण अपनाया है ।

एक महत्वपूर्ण बात जो हम इस पेपर में दिखाते हैं, वह है फ्रीक्वेंसी डोमेन (जहां रिपोर्ट की गई है) और समय डोमेन प्रयोगों (जहां डी की रिपोर्ट की गई है) में किए गए क्यूसीएम मापन के बीच सटीक पत्राचार है। दो अलग-अलग क्यूसीएम प्रयोगों, एक बार डोमेन और एक आवृत्ति डोमेन के परिणाम वर्णित हैं, जिनमें से प्रत्येक में एक अलग लेकिन अवधारणापूर्ण रूप से संबंधित मॉडल प्रणाली शामिल है। पहली प्रणाली एक समय डोमेन (क्यूसीएम-डी) माप के दौरान समय के साथ प्रतिनिधि बाध्यकारी काइनेटिक्स और सोखने के संतुलन को समझाने के लिए सेंसर के लिए कोलेजन लगाव का एक सरल उदाहरण है। कोलेजन शरीर में सबसे प्रचुर मात्रा में प्रोटीन है, जो बाध्यकारी व्यवहार और आकृति विज्ञान की अपनी बहुमुखी प्रतिभा के लिए जाना जाता है। यहां उपयोग किए जाने वाले कोलेजन समाधान को एसोप्पशन9को प्रेरित करने के लिए सेंसर की सोने की सतह के अतिरिक्त कार्यात्मककरण की आवश्यकता नहीं होती है। दूसरी प्रायोगिक प्रणाली एक पॉलीइलेक्ट्रोलाइट कॉम्प्लेक्स (पीईसी) है जो एनियोनिक पॉलीस्टीरिन सल्फोनेट (पीएसएस) और सीनिक पॉली (डायलिलीडिमेथिलम्मोनियम) (PDADMA) से बना है जो सडन एट अल22के समान फैशन में तैयार किया गया है। ये सामग्रियां प्रफुल्लित होती हैं और नमक (इस मामले में केबीआर) समाधानों में नरम हो जाती हैं, जो आवृत्ति डोमेन दृष्टिकोण (क्यूसीएम-जेड) का उपयोग करके बहुलक यांत्रिकी का अध्ययन करने के लिए एक सरल मंच प्रदान करती हैं। प्रत्येक प्रोटोकॉल के लिए, माप को तैयार करने, लेने और विश्लेषण करने की प्रक्रिया चित्रा 2में दिखाई गई है। योजनाबद्ध तरीके से पता चलता है कि क्यूसीएम-जेड और क्यूसीएम-डी दृष्टिकोण के बीच मुख्य अंतर डेटा संग्रह चरण और प्रयोग में उपयोग किए जाने वाले इंस्ट्रूमेंटेशन में है। सभी उल्लिखित नमूना तैयारी तकनीक दोनों दृष्टिकोणों के साथ संगत हैं, और प्रत्येक दृष्टिकोण चित्रा 1में चित्रित तीन क्षेत्रों में नमूनों का विश्लेषण कर सकता है।

हमारे डेटा प्रदर्शित करता है कि नमूनों की तैयारी, चाहे सेंसर कोटिंग से पहले या एक माप के दौरान, एक प्रणाली के चिपचिपा गुणों को निकालने की क्षमता तय करता है । किसी प्रयोग के शुरुआती दौर को उचित रूप से डिजाइन करके, हम यह निर्धारित कर सकते हैं कि विश्लेषण चरण के दौरान हम क्या जानकारी सटीक रूप से इकट्ठा कर सकते हैं।

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Protocol

क्यूसीएम-डी कोलेजन एसोप्पशन

1. नमूना तैयारी और सेंसर पूर्व सफाई

  1. 0.1 एम एसीटेट बफर के 20 मीटर तैयार करें, पीएच = 5.6 प्राप्त करने के लिए आवश्यक एचसीएल और नाओएच के साथ पीएच को समायोजित करें।
  2. बाँझ परिस्थितियों में एसीटेट बफर के 20 mL के लिए चूहा पूंछ कोलेजन समाधान 10 μg/mL की अंतिम एकाग्रता के लिए जोड़ें ।
  3. कार्बनिक और जैविक सामग्री25,26को हटाने के लिए सोने कोटेड क्वार्ट्ज सेंसर को साफ करें ।
    1. सेंसर एक्टिव साइड को यूवी/ओजोन चैंबर में रखें और सतह को लगभग 10 सीन के लिए ट्रीट करें ।
    2. डिओनाइज्ड पानी (डीएच2ओ), अमोनिया (25%) का 5:1:1 मिश्रण गर्म करें और हाइड्रोजन पेरोक्साइड (30%) 75 डिग्री सेल्सियस तक। सेंसर को 5 मिन के लिए समाधान में रखें।
    3. सेंसर को डीएच2ओ के साथ कुल्ला एंता कुल्ला करते हैं और नाइट्रोजन गैस की धारा के साथ सूखजाएं।
    4. सेंसर एक्टिव साइड को यूवी/ओजोन चैंबर में रखें और 10 सीन के लिए सतह का इलाज करें ।
      नोट: सेंसर सतह पर पर्यावरण संदूषण को कम करने के लिए माप से पहले सफाई प्रक्रिया को तुरंत किया जाना चाहिए।

2. क्यूसीएम-डी माप डेटा अधिग्रहण

  1. पंप, इलेक्ट्रॉनिक्स यूनिट और कंप्यूटर सॉफ्टवेयर सहित माप लेने के लिए सभी आवश्यक उपकरणचालू करें।
  2. कक्ष मंच से प्रवाह मॉड्यूल निकालें और मॉड्यूल खोलने के लिए बड़े अंगूठे शिकंजा खोलना।
  3. यदि संवेदक को प्रारंभिक सफाई (चरण 1.3.1-1.3.4) के बाद छोड़ दिया गया है, तो सेंसर को डिओनाइज्ड पानी (डीएच2ओ) के साथ कुल्ला करें और नाइट्रोजन गैस की धारा के साथ सूखजाएं ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि सतह पर कोई संदूषक नहीं हैं।
  4. उजागर ओ-रिंग पर फ्लो मॉड्यूल में सेंसर माउंट करें, पहले नाइट्रोजन गैस की धारा के साथ क्षेत्र को सुखाने और जांच करते हैं कि ओ-रिंग फ्लैट पड़ी है। सेंसर को सक्रिय सतह की ओर नीचे और लंगर के आकार के इलेक्ट्रोड के साथ रखा जाना चाहिए जो प्रवाह मॉड्यूल में मार्कर की ओर उन्मुख होता है।
  5. प्रवाह मॉड्यूल को सील करने के लिए अंगूठे के शिकंजा को चालू करें और इसे कक्ष मंच पर बदलें। प्रवाह मॉड्यूल और बाहरी पंप के लिए किसी भी आवश्यक PTFE पंप ट्यूबिंग संलग्न करते हैं।
  6. उपयुक्त कंप्यूटर सॉफ्टवेयर का उपयोग करके, प्रवाह मॉड्यूल का तापमान 37 डिग्री सेल्सियस तक सेट करें। 10-15 न्यूनतम के लिए बदलते तापमान की निगरानी करें ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि यह वांछित मूल्य पर समान है।
  7. सेंसर की प्रारंभिक प्रतिध्वनि आवृत्तियों का पता लगाएं। यदि सॉफ्टवेयर द्वारा कोई प्रतिध्वनि आवृत्तियां नहीं पाई जाती हैं, तो जांच करें कि प्रवाह मॉड्यूल कक्ष मंच पर सही ढंग से तैनात है या यह सुनिश्चित करने के लिए कि यह केंद्रित है और उचित विद्युत संपर्क बना रहा है, प्रवाह मॉड्यूल में सेंसर को फिर से माउंट करता है।
  8. इनलेट पंप ट्यूबिंग को 1x फॉस्फेट-बफर्ड लवइन (पीबीएस) सॉल्यूशन में रखें। 25 μL/min पर बाहरी पंप प्रवाह शुरू करें और नेत्रहीन ट्यूबिंग का निरीक्षण करें ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि तरल पदार्थ ट्यूब के माध्यम से बह रहा है ।
    नोट: तरल पदार्थ प्रवाह क्षण भर के लिए १०० μL/मिन या अधिक से अधिक करने के लिए तरल पदार्थ प्रवाह की दर में वृद्धि से देखने के लिए आसान हो सकता है । यदि तरल पदार्थ ट्यूब के माध्यम से आगे बढ़ने के लिए प्रकट नहीं होता है, तो यह सबसे अधिक संभावना है कि प्रवाह मॉड्यूल के दो भाग उचित सील नहीं बना रहे हैं। अंगूठे शिकंजा कस ने की कोशिश करें, इनलेट और आउटलेट के लिए ट्यूबिंग के कनेक्टर्स को कस दें, या सेंसर को फिर से बढ़ते रहें ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि ओ-रिंग सपाट और केंद्रित है।
  9. कम से कम 15 मिन के लिए प्रवाह मॉड्यूल के माध्यम से 1x पीबीएस के तरल प्रवाह को ठीक से समतुल्य करने की अनुमति दें।
  10. डेटा अधिग्रहण शुरू करने के लिए कंप्यूटर सॉफ्टवेयर में माप शुरू करें। एक स्थिर आधार रेखा सुनिश्चित करने के लिए कम से कम 5 मिन के लिए आवृत्ति और अपव्यय मूल्यों की निगरानी करें।
  11. पंप बंद करो और कोलेजन-एसीटेट बफर समाधान के लिए इनलेट ट्यूबिंग ले जाएँ, और तरल पदार्थ प्रवाह फिर से शुरू। बाद में विश्लेषण के लिए इस घटना के समय पर ध्यान दें।
  12. नई आवृत्ति और अपव्यय मूल्यों को स्थिर मूल्य के समान करने की अनुमति दें। यहां, हम 8-12 घंटे के बाद होने वाले इस स्थिरीकरण की उम्मीद करते हैं।
  13. पंप बंद करो, इनलेट टयूबिंग वापस 1x पीबीएस समाधान के लिए ले जाएं, और तरल पदार्थ प्रवाह फिर से शुरू । बाद में विश्लेषण के लिए इस घटना के समय पर ध्यान दें।
  14. नई आवृत्ति और अपव्यय मूल्यों को स्थिर मूल्य के समान करने की अनुमति दें। यहां यह स्थिरीकरण 30 मिन के बाद होता है।
    नोट: चरणों की एक बड़ी संख्या के साथ अधिक कठोर प्रयोगों में तरल पदार्थ प्रवाह की प्रत्येक नई अवधि के लिए चरण 2.13 और 2.14 चरणों को दोहराया जा सकता है।
  15. माप के डेटा अधिग्रहण को समाप्त करें और डेटा को सहेजें।
  16. क्यूसीएम उपकरण ों को साफ और नष्ट करें।
    1. बाहरी पंप की तरल प्रवाह दर को 500 μL/min या अधिक से बढ़ाएं और इनलेट ट्यूबिंग को कम से कम 20 न्यूनतम के लिए 2% Hellmanex सफाई समाधान के समाधान में रखें।
      नोट: अन्य प्रयोगों के लिए, यदि सेंसर का आगे विश्लेषण वांछित है, तो चरण 2.16.1 से पहले सेंसर को हटा दें और मॉड्यूल में एक और सफाई सेंसर रखें।
    2. पंप बंद करो और dH2O करने के लिए इनलेट ट्यूबिंग ले जाएँ, और तरल पदार्थ प्रवाह फिर से शुरू करने के लिए आगे कम से 20 टिन के लिए प्रणाली फ्लश।
    3. तरल प्रवाह को रोकें और प्रवाह मॉड्यूल से सेंसर को हटा दें। नाइट्रोजन गैस की धारा के साथ सेंसर और प्रवाह मॉड्यूल के अंदर सूखा। कंप्यूटर सॉफ्टवेयर, इलेक्ट्रॉनिक्स यूनिट और पेरिस्टैटिक पंप को बंद करें।
      नोट: सोने को लेपित सेंसर ठीक से साफ किया जा सकता है, के रूप में कदम 1.3.1-1.3.4 में विस्तृत है, और कई माप के लिए पुन: उपयोग किया । संकेत है कि एक सेंसर अब विश्वसनीय माप के लिए पुन: उपयोग किया जा सकता है शामिल हो सकते हैं, लेकिन प्रारंभिक प्रतिध्वनि आवृत्तियों और बफर प्रवाह के साथ आधारभूत माप में महत्वपूर्ण बहाव में बड़े परिवर्तनशीलता तक ही सीमित नहीं हैं । डेटा को पसंदीदा सॉफ्टवेयर में खोला और विश्लेषण किया जा सकता है, जिसमें क्यूसीएम-डी उपकरणों के विशेषज्ञ कंपनियों द्वारा प्रदान किया गया है।

क्यूसीएम पॉलीइलेक्ट्रोलाइट कॉम्प्लेक्स सूजन

3. नमूना तैयारी

नोट: यह प्रयोग डेटा संग्रह और विश्लेषण के लिए शूल अनुसंधान समूह के भीतर विकसित एक MATLAB कार्यक्रम का उपयोग करके किया गया था।

  1. सबसे पहले, वेक्टर नेटवर्क एनालाइजर और कंप्यूटर से जुड़े एक नमूना धारक में एक नंगे क्वार्ट्ज क्रिस्टल सेंसर की स्थिति । सेंसर के लिए एक दोलन वोल्टेज लागू करने के लिए एनालाइजर चालू करें, और हवा में सेंसर के लिए एक संदर्भ आचरण स्पेक्ट्रम एकत्र करें।
  2. नमूना धारक को आसुत पानी से भरे लिपलेस 100 मिलीएल बीकर में जलमग्न करें और पानी में नंगे सेंसर के लिए एक संदर्भ आचरण स्पेक्ट्रम एकत्र करें।
  3. पोटेशियम ब्रोमाइड (केबीआर) का 0.5 एम समाधान तैयार करें।
    1. आसुत पानी के 30 मिलीग्राम में केबीआर के 1.79 ग्राम भंग। भंग होने तक हिलाएं।
    2. सेंसर से दूर आने से फिल्म को रोकने के लिए annealing कदम के दौरान क्वार्ट्ज सेंसर के लिए एक स्लाइड बनाने के लिए एक कोण पर KBr समाधान में एक छोटे से सिलिकॉन वेफर डालें ।
  4. स्पिन कोटिंग के लिए सेंसर तैयार करें।
    1. स्पिन कोट पैरामीटर ्समें 10,000 आरपीएम, 8,000 एक्सीलेशन और 5 एस पर सेट करें।
    2. स्पिन कोटर पर सेंसर डालें और वैक्यूम चालू करें।
    3. सेंसर की सतह को इथेनॉल से कवर करें और सेंसर सतह को साफ करने के लिए स्पिन कोटर चलाएं।
    4. पीईसी जोड़ें (पीएसएस: PDADMA उसी तरह से तैयार के रूप में Sadman एट अल में विस्तृत। 22)सेंसर की सतह पर।
      1. यदि परिसर दो चरणों (बहुलक अमीर और बहुलक गरीब) में है, तो धीरे-धीरे समाधान में पिपेट डालें। सघन बहुलक समृद्ध चरण में पाइप्ट ले जाते समय बुलबुले उड़ाने से पाइप को खाली करें।
      2. बहुलक अमीर चरण में कुछ बुलबुले जारी करने के बाद, पिपेट में बहुलक समृद्ध समाधान के 0.5-0.75 मीटर को आकर्षित करें। पिपेट बल्ब पर दबाव बनाए रखना पॉलीमर खराब चरण को पाइपमें डालने की अनुमति नहीं देता है, समाधान से पाइप खींचते हैं।
      3. किम्पोंछ का उपयोग करके पिपेट के बाहर को मिटा दें। सतह को पूरी तरह से कवर करने के लिए क्वार्ट्ज सेंसर की सतह पर पर्याप्त समाधान ड्रॉपवाइज जोड़ें। सुनिश्चित करें कि सेंसर सतह पर समाधान में कोई दिखाई बुलबुले नहीं हैं।
  5. स्पिन कोट पीईसी नमूना और तुरंत फिल्म पर नमक क्रिस्टलीकरण को रोकने के लिए ०.५ एम KBr समाधान में सेंसर जलमग्न ।
    नोट: इस कदम को कभी-कभी समन्वय करना मुश्किल होता है। सबसे अच्छे परिणामों के लिए केबीआर समाधान के ठीक ऊपर सेंसर जारी करें।
  6. फिल्म को कम से 12 घंटे के लिए एनील करने की अनुमति दें ।
    नोट: प्रयोग करने में आसानी के लिए, शाम को चरण 4 तैयार करें और फिल्म को रातोंरात एनील करने की अनुमति दें।

4. हवा और पानी में फिल्म का मापन

  1. सेंसर के अतिरिक्त केबीआर को फिल्म और पीछे की ओर से हटाने के लिए आसुत पानी से भरे बीकर में सेंसर को स्थानांतरित करें। सेंसर को 30-60 मिन के लिए समाधान में छोड़ दें।
  2. हवा में फिल्म का एक माप ले लो। हवा में नंगे सेंसर के संदर्भ। फिल्म के आंकड़ों को समतुल्य होने दें।
  3. सूखे कैल्शियम सल्फेट को 100 मीटर लिपलेस बीकर में डालें और पूरी तरह से सूखी फिल्म मोटाई को मापें। बीकर से कैल्शियम सल्फेट निकालें और आसुत पानी से बीकर को कुल्ला करें।
  4. आसुत पानी के 30 मिली0 के साथ 100 मीटर लिपलेस बीकर भरें। यह सुनिश्चित करने के लिए एक हलचल बार डालें कि फिल्म के चारों ओर पानी घूम रहा है। फिल्म को लगभग 30-45 सीन के लिए पानी में या जब तक फिल्म डेटा को समतुल्य नहीं किया जाता है, तब तक मापें। पानी में नंगे सेंसर का संदर्भ।
  5. आसुत पानी में 3 एम केबीआर का 15 मिलील समाधान तैयार करें। एक स्नातक सिलेंडर में KBr के 5.35 ग्राम उपाय और आसुत पानी के साथ 15 मिलीग्राम करने के लिए भरें। भंग होने तक भंवर।
  6. 0.1 एम वेतन वृद्धि में आसुत पानी के साथ बीकर के लिए केबीआर समाधान जोड़ें। तालिका 1 3 एम केबीआर समाधान के एमएल में 0.1 एम वेतन वृद्धि को रेखांकित करती है। फिल्म का सामना दूर जहां केबीआर समाधान पानी में जोड़ा जा रहा है ताकि फिल्म भंग न हो । सुनिश्चित करें कि प्रणाली KBr समाधान के एक और अतिरिक्त जोड़ने से पहले समान है ।
  7. सारे आंकड़े हासिल होने के बाद फिल्म को होल्डर से निकालकर आसुत पानी की बीकर में जगह दें। नमक को फिल्म (30-60 मिन) छोड़ने की अनुमति दें और फिल्म को हवा सुखा लें।
  8. सेंसर से पीईसी फिल्म को साफ करने के लिए, बीकर में केबीआर जोड़ें और धीरे-धीरे समाधान को भंवर करें। 5-10 0 0 00 के लिए बैठने की अनुमति दें इस प्रक्रिया को 2-3 बार दोहराएं, फिर सेंसर को आसुत पानी से कुल्लाएं।
    नोट: सेंसर से प्रतिक्रिया अभी भी अच्छी है, तो सेंसर को साफ और पुन: उपयोग किया जा सकता है। यह सेंसर द्वारा जांच की जा सकती है जिसमें ब्याज के हार्मोनिक्स (<100 हर्ट्ज) के लिए छोटे पूर्ण बैंडविड्थ रीडिंग होते हैं।

5. डेटा विश्लेषण

  1. सडमैन(https://github.com/sadmankazi/QCM-D-Analysis-GUI)27द्वारा बनाए गए क्यूसीएम-डी डेटा विश्लेषण मैटलैब जीयूआई खोलें। "लोड QCM" का चयन करके फिल्म को एयर डेटा फाइल में खोलें ।
    नोट: Shull समूह QCM(https://github.com/shullgroup/rheoQCM)के लिए डेटा संग्रह और विश्लेषण के लिए एक समान अजगर जीयूआई विकसित किया गया है । विश्लेषण कोड का एक हिस्सा डेटा का विश्लेषण करने और इस पेपर में आंकड़े पैदा करने दोनों के लिए अनुपूरक जानकारी में प्रदान किया जाता है।
  2. वांछित गणना (या तो 3,5,3 या 3,5,5), गामा,और हवा माउस में फिल्म का चयन करें। क्लिक करें प्लॉट QCM.
  3. प्रयोग से सबसे समतुल्य डेटा बिंदु (आमतौर पर अंतिम डेटा बिंदु) का उपयोग करके सूखी फिल्म की मोटाई निर्धारित करें। इस मूल्य को रिकॉर्ड करें।
  4. पानी डेटा फ़ाइल में फिल्म खोलें। हवा में फिल्म के बजाय पानी में फिल्म के अलावा, चरण ५.२ के रूप में एक ही मापदंडों का चयन करें ।
  5. सूजन प्रयोग के प्रत्येक समतुल्य चरण के बाद, फिल्म की मोटाई, जटिल कतरनी मॉड्यूलस और चिपचिपा चरण कोण निर्धारित करें। आयनिक शक्ति (0.1 एम वेतन वृद्धि में 0-1 मीटर से लेकर) के साथ इन मूल्यों को रिकॉर्ड करें।
  6. प्रतिशत सूजन के रूप में निर्धारित करें
    Equation 3(3)
    जहां डीपी समाधान से फिल्म मोटाई है और डीपीड्राई सूखी फिल्म मोटाई है।

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Representative Results

प्रोटीन सोखने के दौरान समय के साथ आवृत्ति में परिवर्तन चित्रा 3ए-बीमें दिखाए गए एक विशिष्ट वक्र और पठार का प्रदर्शन करते हैं। नंगे सेंसर सतह भर में 1x पीबीएस के प्रारंभिक बफर वॉश आवृत्ति में केवल नगण्य परिवर्तन लाती है, भविष्य के डेटा बिंदुओं के लिए एक संदर्भ के रूप में कार्य करने के लिए एक स्थिर आधार रेखा की पेशकश की । कोलेजन समाधान की शुरूआत प्रोटीन सोखना शुरू करने का कारण बनती है, समय के साथ आवृत्ति में लगातार कमी के रूप में मनाया जाता है, जब तक कि स्थिर बेसलाइन पर पालन कोलेजन पठारों का घनत्व(चित्रा 3ए)। सटीक आवृत्ति और जन मूल्य सेंसर की शुद्धता और सतह ऊर्जा पर अत्यधिक निर्भर होंगे। इन मापदंडों को देखते हुए, अंतिम बफर वॉश सेंसर सतह से केवल एक छोटी मात्रा में अपालन प्रोटीन को हटा देता है, जिसके परिणामस्वरूप आवृत्ति में थोड़ी वृद्धि होती है। हमें हमेशा इस अवधि के दौरान द्रव्यमान में थोड़ी कमी की उम्मीद करनी चाहिए, सेंसर(चित्रा 3बी)से बंधे प्रोटीन की एक स्थिर मात्रा का प्रदर्शन करना चाहिए।

प्रत्येक अवधि के लिए एक स्थिर आवृत्ति माप तक पहुंचने के महत्व को अतिरंजित नहीं किया जा सकता है। तापमान, आर्द्रता और समाधान एकाग्रता जैसे पर्यावरणीय चरों में मामूली उतार-चढ़ाव कच्चे डेटा में नमूदार अंतर का कारण बन सकता है। इसलिए, स्थिर आवृत्ति और अपव्यय कारक माप के कम से कम 5-10 न्यूनतम से पहले इन चरों में फेरबदल आवृत्ति और अपव्यय में सटीक परिवर्तन को गलत ढंग से प्रस्तुत कर सकता है। एक उप-इष्टतम डेटासेट का एक उदाहरण चित्रा 3सी-डीमें दिखाया गया है। यहां, एक ही समाधान एकाग्रता और प्रवाह दर मापदंडों चित्रा ए-बीके रूप में उपयोग किया जाता है, लेकिन उपकरण पर्यावरण माप शुरू करने से पहले समतुल्य करने की अनुमति नहीं थी । सेंसर की दोलन आवृत्ति का प्राकृतिक निपटान बदलते तापमान और तरल पदार्थ एकाग्रता के रूप में एक ही समय में हो रहा है, किसी भी संभावित बेसलाइन है कि एक संदर्भ के रूप में कार्य करेगा disguising(चित्रा 3सी)। इसके बजाय हम एक संदर्भ के रूप में कार्य करने के लिए अवधि में पूरे गतिशील आवृत्ति रेंज के एक औसत का चयन करने के लिए मजबूर कर रहे हैं । अंत में, कोलेजन प्रवाह को अंतिम पीबीएस वॉश शुरू करने से पहले एक स्थिर द्रव्यमान पर संतुलन बनाने की अनुमति नहीं है, जैसा कि पीबीएस प्रणाली में प्रवेश करने से ठीक पहले अभी भी बदलते आवृत्ति बदलावों द्वारा देखा गया है। यह कार्रवाई द्रव्यमान की गणना को प्रभावित नहीं करती है लेकिन सेंसर(चित्रा 3डी)पर प्रोटीन की अवशोषित क्षमता को पूरी तरह से चित्रित नहीं करती है।

कोलेजन एसोर्टेशन प्रयोग के शुरुआती दौर के दौरान, फिल्म सॉर्ब्रे शासन में है,जो एन (टी एंड एलटी; 2 एच इन फिगर 3)से स्वतंत्र है। चूंकि प्रयोग की प्रगति फिल्म चिपचिपा शासन में होती है, जो अब ओवरलैप नहीं होने वाले(टी एंड जीटी; 2.5 एच) के मूल्यों से संकेत ित होती है। व्यवहार में इस परिवर्तन को पहचानते हुए, कोलेजन प्रयोग से प्राप्त डेटा को दो अलग-अलग तरीकों का उपयोग करके वास्तविक द्रव्यमान और चिपचिपा गुणों को देखने के लिए विश्लेषण किया गया था। पहला शूल समूह द्वारा संकलित पायथन स्क्रिप्ट का उपयोग करता है। इस स्क्रिप्ट में पीईसी प्रयोग के लिए उपयोग किए जाने वाले मैटलैब डेटा संग्रह और विश्लेषण सॉफ्टवेयर के समान गणितीय अंडरपिनिंग है। यह आसन्न हार्मोनिक्स15 में संपत्ति के मतभेदों के लिए खाते में एक शक्ति कानून मॉडल का उपयोग करता है और पूरक जानकारी में प्रदान की जाती है। दूसरी विधि एक वाणिज्यिक सॉफ्टवेयर पैकेज में एक चिपचिपा मॉडल से निर्धारित मूल्यों का उपयोग करता है असली द्रव्यमान, जटिल कतरनी मॉड्यूलस, और कोलेजन फिल्म के चरण कोण की गणना करने के लिए । इस सॉफ्टवेयर से चिपचिपा मॉडल मोटाई (डी), लोचदार मॉड्यूलस (μ), और चिपचिपाता (μ) की रिपोर्ट करता है। लोचदार मॉड्यूलस और चिपचिपाहट केल्विन-वोइगत मॉडल के तत्व हैं, और निम्नलिखित अभिव्यक्तियों के माध्यम से जटिल मॉड्यूलस के परिमाण और चरण में परिवर्तित हो जाते हैं:

Equation 4(4)

Equation 5(5)

कहांωn =20n1 जहां1 क्वार्ट्ज सेंसर (5 मेगाहर्ट्ज) की मौलिक आवृत्ति है। चित्रा 4 कोलेजन सोखने के लिए निर्धारित चिपचिपा गुणों को तीसरेऔर पांचवें हार्मोनिक के मूल्यों सेगणना करता है। चित्रा 5 वाणिज्यिक सॉफ्टवेयर परिणामों से परिवर्तित गुणों के साथ चित्रा 4 से गुणों की तुलना करता है। जैसा कि चित्रा 5में देखा जा सकता है, वाणिज्यिक सॉफ्टवेयर मूल्यफिल्म को पायथन स्क्रिप्ट की तुलना में नरम होने की रिपोर्ट करते हैं।

चित्र6 एक रिश्ते का वर्णन करता है जो पिछले QCM प्रयोगों में मनाया गया है3,22 चिपचिपा चरण कोण और जटिल कतरनी मॉड्यूलस की भयावहता के logarithm के बीच एक रैखिक संबंध दिखा । ग्रीन लाइन इस रैखिक रिश्ते को इंगित करती है, जिसमें पानी (जैसे न्यूटोनियन तरल पदार्थ के अंतिम बिंदु हैं। जी*. पी = 105पीए • जी/सेमी3 और 10 °3 = 15 मेगाहर्ट्जपर 90 ° और एक लोचदार ठोस या शीशे की बहुलक (. जी*. पी = 109पीए • जी/सेमी3 और 0 ° क्यूसीएम का उपयोग करके अध्ययन की गई कई बहुलक सामग्रियों इस सामान्य अनुभवजन्य प्रवृत्ति का पालन करती है, जिसे पीएसएस का उपयोग करके निर्धारित किया गया था: PDADMA परिसर प्रणाली22। के रूप में पीईसी उच्च नमक सांद्रता के साथ समाधान के अधीन है, नमूना संक्रमण एक कठोर, शीशे का नमूना होने से अधिक चिपचिपा और तरल पदार्थ की तरह जा रहा है; गुणों का यह स्पेक्ट्रम ग्रीन लाइन पर पड़ता है। तुलना उद्देश्यों के लिए, समतुल्य कोलेजन फिल्म के लिए पायथन स्क्रिप्ट का उपयोग करके गणना किए गए गुणों को भी चित्र6में प्लॉट किया जाता है। बीच का रिश्ता । जी*. पी और एग्जीबिट दोनों प्रणालियों के लिए समान होने की उम्मीद है, यह देखते हुए कि दोनों प्रणालियां पानी से सूजन ग्लासपॉलिमर हैं। फिल्म की पानी की सामग्री वक्र के साथ विशिष्ट बिंदु निर्धारित करती है। यहां, कोलेजन प्रणाली के निकटतम यांत्रिक गुणों के साथ पीईसी प्रणाली 20 wt% बहुलक समाधान से मेल खाती है। हम इस तुलना से अनुमान है कि एडोरबेड कोलेजन फिल्म में बहुलक एकाग्रता भी 20 wt.%. के करीब है । यह परिणाम एक बहुत ही उपयोगी है, जो हमारे मामले में दो उचित रूप से डिजाइन किए गए QCM प्रयोगों से प्राप्त परिणामों की तुलना द्वारा प्राप्त किया जाता है। इन प्रयोगों में से एक एक समय डोमेन (QCM-D, कोलेजन) प्रयोग था और दूसरा एक आवृत्ति डोमेन (क्यूसीएम-जेड, पीईसी) प्रयोग था, लेकिन इस प्रकार के प्रयोग पूरी तरह से विनिमेय हैं, या तो किसी भी मामले में प्रोटोकॉल पर्याप्त है।

Figure 1
चित्रा 1: सॉर्ब्रे, चिपचिपा, थोक और अतिनिर्मित शासनों की साजिश। साजिश उन व्यवस्थाओं को दिखाती है जहां नमूना वास्तविक द्रव्यमान (मोटाई से संबंधित) और चिपचिपा गुणों के आधार पर क्यूसीएम डेटा से विभिन्न प्रकार की जानकारी प्राप्त की जा सकती है। नीली रेखा के नीचे सॉर्ब्रे शासन है, जहां केवल नमूने की मोटाई की गणना की जाती है। मध्य क्षेत्र के लिए, नमूने के द्रव्यमान और चिपचिपा गुणों की गणना की जा सकती है। भूखंड के ऊपरी बाईं ओर थोक शासन में, चिपचिपा जानकारी प्राप्त की जा सकती है लेकिन प्रयोग अब नमूना मोटाई के प्रति संवेदनशील नहीं हैं। ऊपरी अधिकार में, अतिसंपित शासन इंगित करता है कि नमूना क्यूसीएम माप के लिए बहुत मोटा है। साजिश में, तीसरे हार्मोनिक पर चिपचिपा चरण कोण और जटिल कतरनी मॉड्यूलस (चित्रा 6में ग्रीन लाइन) के परिमाण के लॉग के बीच एक रैखिक संबंध ग्रहण किया जाता है। थोक शासन को उस क्षेत्र के रूप में परिभाषित किया गया है जहां मोटाई कतरनी लहर की क्षय लंबाई से दोगुनी से अधिक है। सॉर्ब्रे शासन को उस क्षेत्र के रूप में परिभाषित किया गया है जहां10 हर्ट्ज से कम औरअतिसंपित शासन वह शासन है जहां5 20,000 हर्ट्ज(डी5 > 1600 पीपीएम) से बड़ा है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 2
चित्रा 2: एक QCM माप के भीतर प्रमुख कदम के प्रवाह आरेख । क्यूसीएम-जेड या क्यूसीएम-डी प्रयोग की योजनाबद्ध। पहले चरण में आरेख एक QCM सेंसर (ग्रे) सोने के इलेक्ट्रोड (सोने) और सेंसर (बैंगनी) के शीर्ष पर फिल्म के साथ है, विभिन्न तकनीकों के साथ सेंसर सतह पर एक फिल्म लागू करने के लिए इस्तेमाल किया । फिल्म डी की मोटाई बताई गई है। दूसरा कदम QCM-Z (ऊपर) और QCM-डी (नीचे) प्रयोगात्मक प्रोटोकॉल से डेटा पर प्रकाश डाला गया । तीसरा कदम यह है कि जहां कोई उस क्षेत्र को निर्धारित करता है जहां नमूने का विश्लेषण किया जा सकता है। चौथा चरण दिए गए विश्लेषण क्षेत्र से परिणामी डेटा को दर्शाता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 3
चित्रा 3: कोलेजन एसोर्टिशन के लिए "अच्छा" और "बुरा" क्यूसीएम-डी डेटा। कोलेजन सोखना प्रयोग के लिए आवृत्ति और गीला कारकों के भूखंड। (क) एक्वीब्रेटेड फ्रीक्वेंसी शिफ्ट, (ख) समतुल्य गीला कारक बदलाव, (ग) गैर-समान आवृत्ति बदलाव, और (डी) गैर-समतुल्य गीला कारक बदलाव । (बी) और (डी)में, गीला कारक बदलाव अपव्यय कारक, डी, और बैंडविड्थ, के रूप में साजिश रची है, क्योंकिएक ही पैरामीटर दोनों पारियों से मापा जाता है । आवृत्ति और गामा बदलाव को उनके संबंधित हार्मोनिक्स(एन = 3 या 5) में सामान्यीकृत किया जाता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 4
चित्रा 4: एक शक्ति कानून मॉडल का उपयोग कर कोलेजन के चिपचिपा विश्लेषण । (ए) एरियल द्रव्यमान, (बी) जटिल कतरनी मॉड्यूलस, और (सी) कोलेजन सोखने प्रयोग के लिए चिपचिपा चरण कोण। पहले 10 एच सेंसर सतह के लिए कोलेजन के मुख्य सोखने चरण दिखाने के लिए, 10 और 20 के बीच की अवधि के साथ 20 घंटे में बफर धोने से पहले तुल्यता चरण दिखा । त्रुटि सलाखों मोटाई और चिपचिपा गुणों के लिए गणना में अनिश्चितताओं का प्रतिनिधित्व करते हैं, यह मानते हुए कि 1% के बराबर है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 5
चित्रा 5: एक शक्ति कानून मॉडल और वाणिज्यिक सॉफ्टवेयर मॉडल का उपयोग कर कोलेजन के चिपचिपा विश्लेषण । (ए) एरियल द्रव्यमान, (बी) जटिल कतरनी मॉड्यूलस, और (सी) कोलेजन सोखने प्रयोग के लिए चिपचिपा चरण कोण। डी मान ों को प्रयोगात्मक डेटा से प्राप्त करने औरडी मूल्यों का उपयोग करके पायथन स्क्रिप्ट के साथ निर्धारित किया जाता है जबकि डी मूल्यवाणिज्यिक सॉफ्टवेयर से चिपचिपा मॉडल के परिणामों से परिवर्तित होते हैं। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 6
चित्रा 6: कोलेजन और पीएसएस के संशोधित वैन गुरप-पालमेन प्लॉट: PDADMA डेटा । चिपचिपा चरण कोण का एक भूखंड और क्यूसीएम का उपयोग करके मापने योग्य नमूनों की सामान्य श्रृंखला पर जटिल कतरनी मॉड्यूलस। हरित रेखा उन दो गुणों के बीच रैखिक संबंध को इंगित करती है जो चित्र 1के विकास में ग्रहण की गई थीं । पीएसएस के लिए डेटा: PDADMA पॉलीइलेक्ट्रोलाइट कॉम्प्लेक्स (पीईसी) को समैन एट अल से अनुमति के साथ फिर से मुद्रित किया जाता है। 22,कॉपीराइट 2017 अमेरिकन केमिकल सोसायटी। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

समाधान की मोलरिसिटी (एम) 3 एम केबीआर का एलएल
0.1 1
0.2 1.1
0.3 1.2
0.4 1.3
0.5 1.4
0.6 1.5
0.7 1.6
0.8 1.8
0.9 1.9
1 2

तालिका 1: पीईसी सूजन प्रयोग के लिए मोलर वेतन वृद्धि। सूजन प्रयोग के लिए पानी के समाधान की मोलरिटी को 0.1 मीटर तक बढ़ाने के लिए आवश्यक 3 एम पोटेशियम ब्रोमाइड समाधान की मात्रा (mL में) ।

अनुपूरक फाइलें: पायथन कोड। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहां क्लिक करें।

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Discussion

कोलेजन सोखने के परिणाम सॉर्ब्रे और चिपचिपा शासनों तक फैले हुए हैं। इसी हार्मोनिक संख्या के लिए सामान्यीकृत आवृत्ति बदलाव की साजिश रचकर, हम देखते हैं कि सॉर्ब्रे सीमा माप के लगभग पहले 2 एच के लिए सही रखती है। सेंसर का बड़े पैमाने पर पालन करने के साथ, हालांकि, तीसरे और पांचवें हार्मोनिक्स के लिए सामान्यीकृत आवृत्ति बदलाव एक-दूसरे(टी एंड जीटी; 2 एच) से विचलित होने लगते हैं, जो एसोर्बेड फिल्म के चिपचिपा गुणों को निर्धारित करने की क्षमता का संकेत देता है।

सॉफ्टवेयर से चिपचिपा मॉडलिंग परिणामों और शूल समूह से शक्ति कानून मॉडलिंग के बीच एक सीधी तुलना गणना सामग्री गुणों में एक उल्लेखनीय अंतर का संकेत देती है। माप के दौरान, वाणिज्यिक सॉफ्टवेयर से चिपचिपा मॉडलिंग डेटा एक कम जटिल कतरनी मॉड्यूलस(चित्रा 5)के साथ एक मोटा, नरम परत का प्रतिनिधित्व किया। इन मॉडलों के बीच चिपचिपा गुणों में अंतर प्रत्येक प्रणाली के लिए गणना में की गई मान्यताओं के कारण हैं। एक अंतर एक धारणा है कि चिपचिपा गुणों की आवृत्ति निर्भरता के बारे में किया जाना चाहिए चिंता । कुछ धारणा बनाने की जरूरत है क्योंकि किसी दिए गए हार्मोनिक (एन = 3, उदाहरण के लिए) पर आवृत्ति प्रतिक्रिया तीन मापदंडों(पीडी,पर निर्भर करती है । जी*3। पी,3)लेकिन केवल दो स्वतंत्र मात्राएं (3और ~ डीएन)मापा जाता है। इस विसंगति के कारण, हमें समस्या के लिए एक अतिरिक्त अज्ञात को जोड़े बिना एक अतिरिक्त हार्मोनिक से कम से कम एक अतिरिक्त मात्रा (या तो आवृत्ति बदलाव या अपव्यय) प्राप्त करने की आवश्यकता है। मोटाई और घनत्व स्पष्ट रूप से आवृत्ति पर निर्भर नहीं करता है, लेकिन जटिल कतरनी मॉड्यूलस करता है। शक्ति कानून दृष्टिकोण इस तथ्य पर आधारित है कि एक छोटी आवृत्ति सीमा पर, हम मान सकते हैं कि चरण कोण स्थिर है, एक सामग्री के बराबर एक सामग्री के बराबर एक ही क्यूलॉजिकल प्रतिक्रिया के साथ आवृत्तियों की एक बहुत बड़ी श्रृंखला पर एक शक्ति कानून व्यवहार के बराबर15,16,18। पावर लॉ एक्सपोनेंट, एक एडजस्टेबल पैरामीटर नहीं है, लेकिन डिग्री में प्रतिस्परमेंट के साथ 90 डिग्री के बराबर है। सत्ता कानून धारणा के साथ, हम3 =5 और Equation 6 है । मात्रात्मक चिपचिपा मॉडलिंग के लिए, शक्ति कानून मॉडल सटीकता और सादगी का सबसे अच्छा संयोजन का प्रतिनिधित्व करता है, केल्विन-Voigt मॉडल सहित अन्य आम दृष्टिकोणों की तुलना में अधिक विश्वसनीय परिणाम दे रहा है, जहां जी ' एन और जी से स्वतंत्र माना जाता है" एनके साथ liलवृद्धि करने के लिए माना जाता है ।

पीएसएस के लिए प्रायोगिक सेटअप को ध्यान में रखते हुए: PDADMA डेटा, थोक में प्रयोग और चिपचिपा शासनों चित्र6में डेटा पैदा करने के लिए किया गया । प्रोटोकॉल विवरण चिपचिपा शासन प्रयोगों के लिए नमूना तैयारी, थोक प्रयोगों के साथ पीईसी, नमक, और पानी के साथ एक समाधान के लिए सेंसर प्रतिक्रिया को देखकर किया जा रहा है मौजूद है । चिपचिपा शासन प्रयोगों के लिए नमूनों को तैयार करने के लिए, चिपचिपा शासन के भीतर शेष रहने के लिए लक्ष्य मोटाई सीमा को समझना और सेंसर की प्रतिक्रिया को अधिक से अधिक करने से बचना महत्वपूर्ण है। पीएसएस: पेड्मा सिस्टम के लिए, यह आदर्श सीमा ~ 0.8 - 1.6 माइक्रोन है। चूंकि पीईसी शुरू में पानी में फूल जाने पर मोटाई में 45-50% तक बढ़ जाता है, इसलिए इस व्यवहार को प्रारंभिक फिल्म मोटाई में जिम्मेदार होना था, जिससे ~ 0.45 - 0.65 माइक्रोन के प्रारंभिक नमूना मोटाई के लिए एक लक्ष्य सीमा बन गई थी। प्रयोग के दौरान फिल्म कैसे व्यवहार करेगी, इसकी अच्छी समझ होना सबसे अच्छा लक्ष्य मोटाई सीमा को समझने के साथ-साथ नमूना तैयारी18के लिए सबसे अच्छी विधि के लिए महत्वपूर्ण है ।

सटीक वाद्य सेट-अप की परवाह किए बिना, ये प्रक्रियाएं क्यूसीएम प्रयोग शुरू करने से पहले नमूना तैयारी पर विचार करने के महत्व को प्रदर्शित करती हैं। एप्लाइड लेयर की मोटाई मापी गई डेटा से निकाली जा सकने वाली जानकारी निर्धारित करती है। किसी भी माप शुरू करने से पहले, शोधकर्ता पर विचार करना चाहिए जो जानकारी प्रयोग से सबसे अधिक जरूरत है और तकनीक की सीमाओं को समझते हैं । सही नमूना मोटाई और तैयारी विधि का निर्धारण करते समय फिल्म के चिपचिपा गुणों की समझ सहायक होती है। उपयुक्त नमूनों के लिए, दोनों समय डोमेन और आवृत्ति डोमेन QCM उपकरणों का उपयोग विभिन्न प्रकार के अनुप्रयोगों के लिए सटीक डेटा इकट्ठा करने के लिए कुशलता से किया जा सकता है।

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Disclosures

लेखकों के पास खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।

Acknowledgments

इस काम को एनएसएफ (डीएमआर-1710491, ओआईएसई-1743748) ने सपोर्ट किया। जेआर और ईएस एनएसएफ (डीएमआर-1751308) से समर्थन स्वीकार करते हैं।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

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References

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प्रोटीन एसोर्टपशन और पॉलिमर मैकेनिक्स के क्वार्ट्ज क्रिस्टल माइक्रोबैलेंस मापन में नमूना तैयारी
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dePolo, G. E., Schafer, E., Sadman, K., Rivnay, J., Shull, K. R. Sample Preparation in Quartz Crystal Microbalance Measurements of Protein Adsorption and Polymer Mechanics. J. Vis. Exp. (155), e60584, doi:10.3791/60584 (2020).

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