اعداد العينات في الكوارتز الكريستال ميكروتوازن قياسات الامتزاز البروتين وميكانيكا البوليمر

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 التقليدية^5,6.

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 الكتلة^7و8و9. 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 السفن^12،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 shull^15,16,17,18.

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 التجربة^19،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 Δƒ_n 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 z_س هو معاوقه الصوتية من الكوارتز ، والتي ل في قطع الكوارتز هو z_q = 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 /λ_n ، والذي هو نسبه سمك الفيلم (د) إلى الطول الموجي القص من التذبذب الميكانيكية للاستشعار الكريستال الكوارتز (λ_n)^15،16،18. نظام لزج المثالي هو d /λ_n = 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 /λ_n في مكان آخر^15,18, 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.