如何使用耗散型石英晶体微天平

测量质量和厚度？

作者简介：Gabriel Ohlsson一直在瑞典百欧林科技有限公司担任应用科学家和销售经理。他是工程物理学博士，花费了大量时间开发软物质材料应用相关的传感技术，他在这项研究中的主要工具之一是QCM-D技术。

为什么要测量薄膜的质量和厚度？监测这两个参数的原因之一是表征分子层的堆积和降解。许多材料和薄膜涂层本质上是动态的，并且会随着各种物理条件例如光、温度、盐浓度或pH的变化而变化。这些变化会影响材料的质量、厚度和结构特性。因此，质量和厚度是和薄膜的生成、变化以及降解密切相关两个参数。我们可以通过监测这两个数据进行薄膜和涂层的设计、表征、评估和优化工作。

监测分子层的质量和厚度变化

在表面相互作用过程中，例如分子的结合、吸附、解吸、聚集和多层膜的堆积、分子层的质量和厚度发生变化。通过实时监测这些变化，我们可以监测分子结合的过程和重排。为了在分子尺度上测量这些变化，我们需要实时的纳米级技术。该技术就是耗散型石英晶体微天平技术（QCM-D）。QCM-D测量共振频率(f)和能量耗散(D)两个参数的变化，从这两个参数中可以得出表面质量和厚度的变化。通常，随着表面质量增加，f将减小。D值能标示出图层的柔软程度。分子层越软，D值越大。在质量损失的情况下，频率则会增加。如果图层从柔软变为刚性，则D值将减小。

在纳克水平描述质量增加和质量损失

可以用这种表界面表征技术研究的分子包括脂类、蛋白质、DNA、聚合物、表面活性剂、纳米颗粒等。

我们举一个质量测量的例子。在这里，我们感兴趣的是何时抗生物素的抗体首先与生物素化的脂质双层结合。我们还想检测酶对抗体的裂解。

l  第一步，如图1所示，在表面上形成了一种可生物素标记的脂质双层结构(在步骤I之前，在本文中没有描述)。这是我们的参考面。

l  第二步，我们引入抗体溶液通过脂质双层，可以立即监测到质量的增加，这意味着抗体与生物素结合。当抗体结合直到饱和时，有1100ng /cm²的质量增加。

l  第三步，接下来我们引入一种酶，IdeS。由于酶会裂解抗生物素，可能会有质量的损失。如图1所示，引入酶后，可观察到质量密度下降了30%。这与1/3的分子被分离的事实是吻合的。

这个实验展示了监测质量变化如何使我们能够检测到抗体的结合和酶的裂解作用。总的来说，该测量提供了对分子相互作用过程的监控，并验证了酶的功能以及抗体在表面的行为。

图1：当抗体与表面生物素化的双层结构(I-II)结合时，质量会发生变化，接着是酶裂解(III)，它会去除表面上1/3的物质质量。

在实践中如何操作？

1.底物制备 - 将样品分子吸附到QCM-D芯片上，涂上合适的材料。典型的材料是金属、玻璃或塑料。

2.实验设置 – 将芯片放置在仪器中，然后将表面暴露于样品、化合物或分子之中，从而引发所需的吸附/解吸现象。在实验过程中可以精确控制温度、湿度、渗透压和pH等参数。

3.实时监控 - 在整个测量过程中，薄膜的质量和厚度是由仪器记录的共振频率(f)和能量耗散(D)的变化而得出的。此外其他的薄膜性质，如粘弹性和水合作用也可以监测到。

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