ميزان بلوري كوارتز دقيق مع مراقبة التبدد

📅 آخر تحديث: ٢٧ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٧ يوليو ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

في مجال علم الأسطح ، يُعدّ ميزان الكوارتز البلوري الدقيق المزود بمراقبة التبدد ( QCM-D ) نوعًا من موازين الكوارتز البلوري الدقيقة (QCM) التي تعتمد على تقنية رنين التضاؤل . يُستخدم هذا الميزان في الاستشعار الصوتي للأسطح البينية ، ويتمثل تطبيقه الأكثر شيوعًا في تحديد سُمك طبقة رقيقة في بيئة سائلة (مثل سُمك طبقة بروتينية ممتصة). كما يُمكن استخدامه لدراسة خصائص أخرى للعينة، ولا سيما ليونة الطبقة.

طريقة

تم تطوير تقنية الرنين المتلاشي كطريقة لدراسة الرنانات الصوتية عام 1954. [ 1 ] وفي سياق جهاز قياس التردد البلوري (QCM)، وصفها كل من هيراو وآخرون [ 2 ] ورودال وآخرون [ 3 ] . يتكون المكون الفعال لجهاز QCM من قرص رقيق من بلورة الكوارتز محصور بين قطبين كهربائيين. [ 4 ] يؤدي تطبيق جهد متردد على القطبين إلى تذبذب البلورة بتردد رنينها الصوتي . عند إيقاف الجهد المتردد، يتلاشى التذبذب أُسّيًا ("يتلاشى الرنين"). يُسجل هذا التلاشي، ويُستخرج تردد الرنين (f) ومعامل تبديد الطاقة (D). يُعرَّف D بأنه فقد الطاقة لكل دورة تذبذب مقسومًا على إجمالي الطاقة المخزنة في النظام. يساوي D عرض نطاق الرنين مقسومًا على تردد الرنين. تحدد أجهزة QCM الأخرى عرض النطاق من أطياف الموصلية. بفضل تقنية قياس التذبذب البلوري (QCM)، يعمل جهاز QCM-D في الوقت الفعلي، ولا يحتاج إلى وضع علامات، وهو حساس للسطح. تُمكّن أجهزة QCM-D الحالية من قياس أكثر من 200 نقطة بيانات في الثانية.

ترتبط التغيرات في تردد الرنين (Δf) بشكل أساسي بامتصاص الكتلة أو إطلاقها على سطح المستشعر. عند استخدامه كمستشعر للكتلة، تبلغ حساسية الجهاز حوالي 0.5 نانوغرام/سم² وفقًا للشركة المصنعة. أما التغيرات في عامل التبديد (ΔD) فترتبط بشكل أساسي بالمرونة اللزجة (الليونة). [ 5 ] وترتبط الليونة بدورها غالبًا بالتغيرات البنيوية للغشاء الملتصق بسطح المستشعر.

مستشعر الكتلة

عند تشغيله كمستشعر للكتلة ، يُستخدم جهاز QCM-D غالبًا لدراسة امتزاز /انفصال الجزيئات وحركية ارتباطها بأنواع مختلفة من الأسطح. وعلى عكس التقنيات البصرية مثل مطيافية رنين البلازمون السطحي (SPR) أو قياس الاستقطاب الإهليلجي أو قياس التداخل ثنائي الاستقطاب ، يحدد جهاز QCM كتلة الغشاء الممتز، بما في ذلك المذيب المحتجز. وبالتالي، تسمح مقارنة "السماكة الصوتية" المُحددة بواسطة جهاز QCM مع "السماكة البصرية" المُحددة بأي من التقنيات البصرية بتقدير درجة انتفاخ الغشاء في السائل المحيط. [ 6 ] ويكون الفرق بين الكتلة الجافة والرطبة المقاسة بواسطة QCM-D و MP-SPR أكثر وضوحًا في الطبقات عالية الترطيب، كما هو موضح في [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] .

نظراً لتأثر ليونة العينة بمجموعة واسعة من العوامل، يُعدّ جهاز QCM-D أداةً فعّالة لدراسة التفاعلات الجزيئية مع الأسطح، فضلاً عن التفاعلات بين الجزيئات. ويُستخدم هذا الجهاز على نطاق واسع في مجالات المواد الحيوية ، والتصاق الخلايا ، واكتشاف الأدوية، وعلوم المواد، والفيزياء الحيوية . ومن التطبيقات النموذجية الأخرى: توصيف الأغشية المرنة اللزجة، والتغيرات التركيبية للجزيئات الكبيرة المترسبة، وتكوين طبقات متعددة من البوليمرات الإلكتروليتية ، وتدهور أو تآكل الأغشية والطلاءات.

مراجع

  1. ↑ سيتل، كارل؛ راوس، الثاني، برينس إي؛ بيلي، إيمرسون د. (1954). "طريقة لتحديد الخصائص المرنة اللزجة لمحاليل البوليمر المخففة عند الترددات الصوتية". مجلة الفيزياء التطبيقية . 25 (10): 1312-1320 . Bibcode : 1954JAP....25.1312S . doi : 10.1063/1.1721552 .
  2. ↑ هيراو، ماساهيكو؛ أوجي، هيروتسوغو؛ فوكوكا، هيديكازو (1993). "نظام الرنين الكهرومغناطيسي لقياس الإجهاد الصوتي المرن في الصفائح المعدنية" (ملف PDF) . مجلة الأدوات العلمية . 64 (11): 3198-3205 . Bibcode : 1993RScI...64.3198H . doi : 10.1063/1.1144328 . hdl : 11094/3191 .
  3. ↑ رودال، مايكل؛ كاسيمو، بنغت هربرت (4 يونيو 1998) [مايو 1996]. "إعداد بسيط لقياس تردد الرنين ومعامل التبديد المطلق لميزان بلوري كوارتز دقيق في آن واحد" . مجلة الأدوات العلمية . 67 (9): 3238-3241 . رمز Bibcode : 1996RScI...67.3238R . doi : 10.1063/1.1147494 .
  4. ↑ يوهانسمان، ديتلم (2007). "دراسات اللزوجة المرنة باستخدام مقياس التذبذب البلوري". في: شتاينم، كلاوديا؛ جانشوف، أندرياس (محرران). أجهزة الاستشعار الكهروإجهادية . سلسلة سبرينغر لأجهزة الاستشعار الكيميائية والبيولوجية. المجلد 5. برلين / هايدلبرغ: سبرينغر-فيرلاغ (نُشر في 8 سبتمبر 2006). الصفحات 49-109 . doi : 10.1007/5346_024 . ISBN   978-3-540-36567-9ISSN 1612-7617​​ 
  5. ↑ يوهانسمان، ديتلم (2008). "قياسات اللزوجة المرنة والميكانيكية والعازلة على عينات معقدة باستخدام ميزان بلوري كوارتز دقيق". الكيمياء الفيزيائية والكيمياء الفيزيائية . 10 (31): 4516-4534 . Bibcode : 2008PCCP...10.4516J . doi : 10.1039/b803960g . PMID 18665301 . 
  6. ↑ بلانكيت، مارك أ.؛ وانغ، زيهوي؛ روتلاند، مارك و.؛ يوهانسمان، ديتلم (2003). "امتزاز طبقات pNIPAM على أسطح الذهب الكارهة للماء، تم قياسه في الموقع بواسطة QCM وSPR". لانغمير . 19 (17): 6837-6844 . doi : 10.1021/la034281a .
  7. ↑ فوريلوتو، مايجا؛ أوريلما، هانز؛ يوهانسون، لينا-سيسكو؛ تشو، باولي؛ بوتانين، ميكو؛ والثر، أندرياس؛ لاين، جان؛ روخاس، أورلاندو ج. (10 ديسمبر 2015). "تأثير البنية الجزيئية لبوليمرات PDMAEMA–POEGMA العشوائية والمتجانسة على امتزازها على السليلوز النانوي المُجدد والأنيوني، ودليل على طرد الماء من السطح البيني". مجلة الكيمياء الفيزيائية ب . 119 (49): 15275-15286 . doi : 10.1021/acs.jpcb.5b07628 . PMID 26560798 . 
  8. ^ موهان، تاميلسيلفان. نيجلهيل، كاترين؛ زارث، سينتيا سالوماو بينتو؛ كارجل، روبرت. كوستلر، ستيفان. ريبيتش، فولكر. هاينز، توماس. سبيرك، ستيفان؛ ستانا كلاينشيك، كارين (10 نوفمبر 2014). “تحفيز امتصاص البروتين على أسطح السليلوز الكاتيونية المصممة”. الجزيئات الحيوية . 15 (11): 3931-3941 . دوى : 10.1021 / bm500997s . بميد 25233035 . 
  9. ↑ إميلسون، غوستاف؛ شوخ، رافائيل ل.؛ فويز، لوران؛ هوك، فريدريك؛ ليم، رودريك ي.هـ.؛ داهلين، أندرياس ب. (15 أبريل 2015). "فرش بولي (إيثيلين جليكول) مقاومة للبروتين وممتدة بشدة مُحضّرة بتقنية التطعيم" . مجلة ACS للمواد والتطبيقات . 7 (14): 7505-7515 . Bibcode : 2015AAMI....7.7505E . doi : 10.1021/acsami.5b01590 . PMID 25812004 .