Microbalanza de cristal de cuarzo con control de disipación
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Una microbalanza de cristal de cuarzo con control de disipación ( QCM-D ) es un tipo de microbalanza de cristal de cuarzo (QCM) basada en la técnica de anulación . Se utiliza en la detección acústica interfacial . Su aplicación más común es la determinación del espesor de una película en un ambiente líquido (como el espesor de una capa de proteína adsorbida). Se puede utilizar para investigar más propiedades de la muestra, sobre todo la suavidad de la capa.

Método

El ring-down como método para interrogar a los resonadores acústicos se estableció en 1954. [1] En el contexto del QCM, fue descrito por Hirao et al. [2] y Rodahl et al. [3] El componente activo de un QCM es un delgado disco de cristal de cuarzo intercalado entre un par de electrodos. [4] La aplicación de un voltaje de CA sobre los electrodos hace que el cristal oscile a su frecuencia de resonancia acústica . Cuando se apaga el voltaje de CA, la oscilación decae exponencialmente("suena hacia abajo"). Este decaimiento se registra y se extraen la frecuencia de resonancia (f) y el factor de disipación de energía (D). D se define como la pérdida de energía por período de oscilación dividida por la energía total almacenada en el sistema. D es igual al ancho de banda de resonancia dividido por la frecuencia de resonancia. Otros instrumentos de QCM determinan el ancho de banda a partir de los espectros de conductancia. Al ser un QCM, el QCM-D funciona en tiempo real, no necesita etiquetado y es sensible a la superficie. El equipo QCM-D actual permite medir más de 200 puntos de datos por segundo.

Los cambios en la frecuencia de resonancia (Δf) están relacionados principalmente con la captación o liberación de masa en la superficie del sensor. Cuando se emplea como sensor de masa, el instrumento tiene una sensibilidad de aproximadamente 0,5 ng / cm 2 según el fabricante. Los cambios en el factor de disipación (ΔD) están relacionados principalmente con la viscoelasticidad (suavidad). [5] La suavidad, a su vez, a menudo está relacionada con cambios estructurales de la película que se adhiere a la superficie del sensor.

Sensor de masa

Cuando se opera como un sensor de masa, el QCM-D se usa a menudo para estudiar la adsorción / desorción molecular y la cinética de unión a varios tipos de superficies. A diferencia de las técnicas ópticas como la espectroscopia de resonancia de plasmón superficial (SPR), elipsometría o interferometría de polarización dual , la QCM determina la masa de la película adsorbida, incluido el disolvente atrapado. Por tanto, la comparación del "espesor acústico" determinado con el QCM y el "espesor óptico" determinado por cualquiera de las técnicas ópticas permite estimar el grado de hinchamiento de la película en el líquido ambiental. [6] La diferencia en masa seca y húmeda medida por QCM-D y MP-SPRes más significativo en capas altamente hidratadas como se puede ver en. [7] [8] [9]

Dado que la suavidad de la muestra se ve afectada por una gran variedad de parámetros, el QCM-D es útil para estudiar interacciones moleculares con superficies así como interacciones entre moléculas. El QCM-D se usa comúnmente en los campos de biomateriales , adhesión celular, descubrimiento de fármacos, ciencia de materiales y biofísica. Otras aplicaciones típicas son la caracterización de películas viscoelásticas, cambios conformacionales de macromoléculas depositadas, acumulación de multicapas de polielectrolito y degradación o corrosión de películas y recubrimientos.

Referencias

  1. ^ Sittel, Karl; Rouse, II, Prince E .; Bailey, Emerson D. (1954). "Método para determinar las propiedades viscoelásticas de soluciones de polímeros diluidos en frecuencias de audio". Revista de Física Aplicada . 25 (10): 1312-1320. Código bibliográfico : 1954JAP .... 25.1312S . doi : 10.1063 / 1.1721552 .
  2. ^ Hirao, Masahiko; Ogi, Hirotsugu; Fukuoka, Hidekazu (1993). "Sistema de resonancia Emat para la medición de tensiones acustoelásticas en chapas". Revisión de instrumentos científicos . 64 (11): 3198–3205. Código Bibliográfico : 1993RScI ... 64.3198H . doi : 10.1063 / 1.1144328 . hdl : 11094/3191 .
  3. ^ Rodahl, Michael; Kasemo, Bengt Herbert (4 de junio de 1998) [mayo de 1996]. "Una configuración sencilla para medir simultáneamente la frecuencia de resonancia y el factor de disipación absoluto de una microbalanza de cristal de cuarzo". Revisión de instrumentos científicos . 67 (9): 3238–3241. Código bibliográfico : 1996RScI ... 67.3238R . doi : 10.1063 / 1.1147494 .
  4. ^ Johannsmann, Diethelm (2007). "Estudios de Viscoelasticidad con el QCM". En Steinem, Claudia; Janshoff, Andreas (eds.). Sensores piezoeléctricos . Serie Springer sobre sensores químicos y biosensores. 5 . Berlín / Heidelberg: Springer-Verlag (publicado el 8 de septiembre de 2006). págs. 49-109. doi : 10.1007 / 5346_024 . ISBN 978-3-540-36567-9. ISSN  1612-7617 .
  5. ^ Johannsmann, Diethelm (2008). "Medidas viscoelásticas, mecánicas y dieléctricas en muestras complejas con la microbalanza de cristal de cuarzo". Física Química Física Química . 10 (31): 4516–4534. Código Bibliográfico : 2008PCCP ... 10.4516J . doi : 10.1039 / b803960g . PMID 18665301 . 
  6. ^ Plunkett, Mark A .; Wang, Zhehui; Rutland, Mark W .; Johannsmann, Diethelm (2003). "Adsorción de capas de pNIPAM sobre superficies de oro hidrofóbicas, medidas in situ mediante QCM y SPR". Langmuir . 19 (17): 6837–6844. doi : 10.1021 / la034281a .
  7. ^ Vuoriluoto, Maija; Orelma, Hannes; Johansson, Leena-Sisko; Zhu, Baolei; Poutanen, Mikko; Walther, Andreas; Laine, Janne; Rojas, Orlando J. (10 de diciembre de 2015). "Efecto de la arquitectura molecular de copolímeros aleatorios y de bloque de PDMAEMA-POEGMA sobre su adsorción en nanocelulosas aniónicas y regeneradas y evidencia de expulsión de agua interfacial". El Journal of Physical Chemistry B . 119 (49): 15275-15286. doi : 10.1021 / acs.jpcb.5b07628 . PMID 26560798 . 
  8. ^ Mohan, tamilselvan; Niegelhell, Katrin; Zarth, Cíntia Salomão Pinto; Kargl, Rupert; Köstler, Stefan; Ribitsch, Volker; Heinze, Thomas; Spirk, Stefan; Stana-Kleinschek, Karin (10 de noviembre de 2014). "Activación de la adsorción de proteínas en superficies de celulosa catiónica a medida". Biomacromoléculas . 15 (11): 3931–3941. doi : 10.1021 / bm500997s . PMID 25233035 . 
  9. ^ Emilsson, Gustav; Schoch, Rafael L .; Feuz, Laurent; Höök, Fredrik; Lim, Roderick YH; Dahlin, Andreas B. (15 de abril de 2015). "Cepillos de poli (etilenglicol) resistentes a proteínas fuertemente estirados preparados por injerto" . Materiales e interfaces aplicados ACS . 7 (14): 7505–7515. doi : 10.1021 / acsami.5b01590 . PMID 25812004 . 
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