QCM IMPEDANC ANALYSER

QCM-Z500

수정진동자를 이용한 마이크로 바란스법에 의거 분자간 상호작용을 실시간 검출

 

수정은 시계에서 이용되고 있듯이 규칙적인 진동발신을 하는 물질입니다. 수정진동자의 전극면에 물질이 부착하면 그 물질의 질량에 대응하는 주파수가 변동되는(작아집니다) 성질을 이용하여 극미량(나노그램정도)의 질량변화를 계측하는 장치를 QCM이라 부릅니다.
QCM-Z500은 수정진동자와 인피던스 아날라이져를 이용한 컴퓨터 콘트롤 기능의 QCM입니다. 종래의 수정진동자에 발신회로와 주파수 카운터을 조합한 QCM(흔히 QCM으로 불리는 것은 이런 타입입니다)에서는 할 수 없었던 시료의 점탄성을 평가할 수 있도록 인피던스 아날라이져를 조합하여 설계제작되었읍니다.

기체상 또는 액체상에 있는 수정진동자의 공진주파수 변화(f), 퀄리티 팩터(Q, 수정진동자의 공진 퀄리티, 기체상태에서는 Q값이 높아지고 액체에서는 감쇄되어 낮아집니다), 및 진동에너지의 감쇄/손실(D,=1/Q)을 측정합니다. 이러한 구성으로 분자의 결합, 해리, 중합등의 반응을 정량함과 동시에 점탄성도 평가할 수 있읍니다.

KSV QCM-Z500은 인피던스 아날라이져가 내장되어 있는 본체, 기상/액상용 측정 챔버, 수정진동자 및 WINDOWS 소프트웨어로 구성되어 있읍니다. 데이타는 데이타베이스에 보존되어 타 컴퓨터로 송부하여 분석할 수가 있읍니다.

 

In Real Time Plot
• Resonance frequency (F or ΔF)
• Mass change (Δm)
• Mass change / unit area (Δm/A)
• Dissipation (D or ΔD)
• Resistance (R or ΔR)
• Quality factor (Q or ΔQ)
• Inductance (L or ΔL)
• Capacitance (C or ΔC).		 With Modelling Software
Calculate
• Stiffness
• Elastic modulus
• Viscous modulus
• Bulk viscosity
• Layer thickness
• Layer density

 

 

 


Basic system configuration

 

Automatic, easy to use, and user programmable 4 or 8 liquid sampling for the Dissipative QCM

응용분야

기본적으로 QCM은 극소량의 질량변화를 실시간으로 측정할 수 있는 장비로서 일반전자 저울보다 100배이상으로 정밀하게 측정할 수 있읍니다. 이는 QCM으로 단분자의 한 부분이나 원자 한층과 같은 미세한 변화도 감지하여 측정할 수 있음을 뜻합니다. 이와 같은 고감도 실시간 모니터링 기능으로 다양한 분야에 응용할 수 있읍니다. 특히 액체의 흐름이나 점탄성 상태에서 사용할 수 있도록 개발됨으로서 보다 많은 흥미를 유도하게 되었읍니다. 액상에서의 QCM technique의 주요 이점은 분자의 label free detection을 할 수 있다는 점입니다. 주요 응용분야는 아래와 같습니다.

  • Thin Film thickness monitoring in thermal, e-beam, sputtering, magnetron, ion and laser deposition.
  • Electrochemistry of interfacial processes at electrode surfaces
  • Biotechnology
- Interactions of DNA and RNA with complementary strands
- Specific recognition of protein ligands by immobilized receptors, immunological reactions
- Detection of virus capsids, bacteria, mammalian cells
- Adhesion of cells, liposomes and proteins
- Biocompatibility of surfaces
- Formation and prevention of formation of biofilms
  • Functionalized surfaces
- Creation of selective surfaces
- Lipid membranes
- Polymer coatings
- Reactive surfaces
- Gas sensors
- Immunosensors
  • Thin film formation
- Langmuir and Langmuir-Blodgett films
- Self-assembled monolayers
- Polyelectrolyte adsorption
- Spin coating
- Bilayer formation
- Adsorbed monolayers
  • Surfactant research
- Surfactant interactions with surfaces
- Effectiveness of surfactants

  • Drug Research
- Dissolution of polymer coatings
- Molecular interaction of drugs
- Cell response to pharmacological substances
- Drug delivery
  • In situ monitoring of lubricant and petroleum properties

실험 예

  • Introduction to the Dissipative Quartz Crystal Microbalance (QCM-Z) with example measurements KSV QCM-Z500 (397 kB)

  • Reversible attachment of sugar binding protein (Concavalin A) to a glucose coated quartz crystal sensor QCM Concavalin A (208 kB)

  • Surfactant (CTAB) adsorption to gold, silica and stainless steel surfaces QCM CTAB (524 kB)

  • Determining layer mass during repeated LB-film deposition by ex situ measurement of resonance frequency in air QCM LB (306 kB)

  • Monitoring bulk viscosity with dissipative QCM QCM bulk viscosity (151 kB)

    • KSV QCM-Z500 Specifications

    Frequency range

    0.1 – 55 MHz

    Frequency resolution

    0.01 Hz

    Mass resolution, 5 MHz crystal (Sauerbrey)

    0.177 ng/cm2

    Resistance (R) resolution (Dissipation, D)

    0.01 Ohm (1x10-9)*

     

     

    Working Temperature

    10 – 60 oC

    Active sensor area

    ~ 20 mm2

     

     

    Maximum mass load

    ~ 0.1 mg/cm2

    Maximum film thickness

    ~ 10 micrometer (depends on the softness of the material)

     

     

    Computer Interface

    Ethernet

    Voltage

    100 – 250 VAC (45-65 Hz)

     

     

     

     

    Maximum sensitivity in liquid

    (5 MHz crystal):

     

     

     

    1 datapoint / 6 seconds (25 oC)

    0.05 Hz, corresponds to 0.9 ng/cm2     

    1 datapoint / second (25 oC)    

    0.2 Hz, corresponds to 3.5 ng/cm2
    8 datapoints / second (25 oC) 0.5 Hz, corresponds to ~ 9 ng/cm2
       
       

    * This Resistance (R) measuring resolution corresponds to a Dissipation resolution of about 1x10-9. This resolution is several orders of magnitude better than actually is needed as the changes in Dissipation values in liquid environment normally lies in the range of a few 1x10-6.

    용도에 따른 선택 cell과 악세사리


    Electrochemical Cell


    Multidispenser for 4 & 8 liquids

     

     

    성능비교

    항 목 타 사 KSV
    측정방법 및 기기구성 발진법
    수정진동자의 발진주파수를 카운터로 카운트
    		 인피던스법
    수정진동자의 인피던스를 측정하여 전기적 등가회로를 해석.
    전기적 등가회로 LCR 각각의 값을 측정.
    - 저항 R: 진동자에 접하는 막, 용액 등에 따라 진동에너지 손실에 대응
    - 인덕턴스 L: 진동체의 질량
    - 캐퍼시턴스 C1: 진동체의 탄성
    - 캐퍼시턴스 C0: 진동자 자체가 갖고 있는 정전용량

    등가회로의 해석에 따라 주파수변화(f), 퀄리티팩터(Q), 감쇄,소멸(D)를 모니터링 할 수 있다.
    점탄성시료의 측정 박막의 탄성이 충분한 경우는 발진법으로도 대응이 가능하나 박막이 점탄성적 성질을 갖고 있는 경우에는 막 내부에서도 진동에너지의 손실이 커져 질량변화와 주파수변화의 비례관계가 성립되지 않는 경우가 있음. 따라서 주파수 카운터만으로 대응할 수가 없음 R값의 변화로 막질의 변화를 알 수 있음. 막 강체성이 충분히 높은 경우, 진동에너지의 손실은 작아지게 되어 R값도 작아져서 막이 용매을 흡수하여 팽창하게되고 점성을 보이게 되면 진동에너지의 손실이 증가하여 R값도 크게된다.
    액상에서의 측정 기체상태에서는 진동자만으로 진동하는데 반하여 액체상에서는 진동자 부근의 액체가 진동자에 영향을 받아 진동하기 때문에 진동하는 액체의 질량이 주파수가 저하되어 반영된다. 또한 액체 진동에 따라 진동에너지가 열에너지로 변화되어 손실이 발생한다. 때문에 주파수를 카운트하는 것만으로는 정확한 질량변화를 측정할 수 없다.

    		액상의 경우, 열에너지 변화로 손실되는 것에 대응하여 R값이 증가.
    기타   오-바톤을 사용하여 고감도 측정도 가능


    측정예

    다른 농도의 글리세롤 용액에 대한 QCM-Z500 반응
    QCM-Z500은 인피던스 아날라아져를 이용하기 때문에 글리세롤과 같은 점성이 높은 시료에 대해서도 유효합니다. 스탠더드 측정 챔버는 기상/액상 양쪽 시료에 모두 사용할 수 있고 측정에 필요한 조건에는 단면의 전극만을 시료에 접하게 하도록 설계되어 있읍니다.
    그림 3은 폴리슈 마무리, 금전극, 5 또는 10 MHz 수정진동자를 사용한 QCM오르 글리세롤 수용액의 농도변화에 대한 진종수변화를 그래프로 나타낸 것입니다. 이론치와 실측치가 일치하고 있음을 알 수 있읍니다.
    그림4는 폴리슈 마무리, 금 전극, 10 MHz 수정진동자의 어드미턴스 페이스와 어드미턴스 마그넷트를 나타낸 것으로 그림 3의 데이타가 계산된 베이스입니다. 이 결과에서 보듯이 QCM-Z500은 용액의 평가에 대하여 효과적인 장치임을 알 수 있읍니다.


    Figure 3. Df versus glycerol weight percentage (in water) as measured with the QCM-Z500 (circles
    and squares) and predicted by theory (dashed lines) for two different quartz crystals with different
    fundamental resonance frequency.


    Figure 4. Admittance Magnitude and Admittance Phase of a polished, gold coated 10 MHz crystal
    in contact with different glycerol solutions measured with the QCM-Z500.

    단백질의 흡착
    QCM 센서는 질량이 있는한 모든 물체에 반응합니다. QCM 이용은 바이오테크놀러지 분야에서 증가하고 있읍니다. 단백질 리간드 상호작용, 흡착/해리/세포접착, 생물부착, 바이오필름, DNA바이오 센서 등 다양한 연구용도로 QCM은 일상적으로 사용되고 있읍니다.
    그림5는 5 MHz 수정진동자(전극을 3가지 방법으로 표면처리)에 대한 단백질 Human serum albumin(HSA) 흡착반을 측정입니다. 챔버는 표준측정 챔버를 사용했읍니다.
    소수성처리의 금, 친수성 처리의 금, DMPC LB 레이어으 진동수변화는 각각 83, 39, 36 Hz이고 같은 사양의 에리븐메타를 사용한 측정과 일치합니다. 테이블1은 QCM-Z500의 측정결과와 엘리븐메타를 사용한 측정결과의 비교입니다.


    Figure 5. Frequency changes during adsorption of HSA to 5 MHz crystals with different properties.

    Table 1. Adsorbed amounts of HSA at different surfaces.

    Surface Adsorbed amounts of determined with QCM-Z500 HSA Adsorbed amounts of HSA from reference 17
    Hydrophobic 0.73 mg/m2 0.80 mg/m2
    Hydrophilic 0.34 mg/m2 0.35 mg/m2
    PC LB layer 0.32 mg/m2 0.30 mg/m2

     

    

    LB막 제작장치와 QCM의 결합

    지방질이나 단백질 조성을 갖고 있는 생체막모듈을 LB법(랑뮤어-블라짓드법)으로 작성.

     

    기판에 옮기지 않고 QCM의 수정진동자를 LB TROUGH의 기/액계면에 셋트하여 생체막 모듈을 직접흡착

     

    시료를 분주하여 LB TROUGH에 흘려넣어 생체고분자의 분자간 상호작용을 직접적으로 관찰.

    - 단백직 리간드 상호작용
    - 항원항체반응
    - 효소와 기판의 결합
    - 시그날분자와 수용체

     

    시료를 유리나 실리콘 기판에 누적한 시점에서 공기에 접한 분자의 배향, 예를들면 지방질의 친수기 배향이 흩어지거나 반전하여 소수기가 외측이 되는 현상이 있어 실험에 방해되지만 LB/QCM 인티그레이드 실험방법으로는 수정진동자에 직접누적시킨 시료를 공기중에 노출하지 않기 때문에 그와 같은 분자 배향의 흩어짐을 일으키는 일이 없이 안전하게 실험을 할 수있는 장점이 있습니다.

    		EXAMPLE : 지방질에 대한 항체Fab 프레그먼트의 바인딩 실험
    Fig. 1. Schematic view of the QCM(a) measureing setup. The QCM was lowered to make contact with the Langmuir layer and protein solution was pumped into a flow cell placed below the crystal.

    Fig. 6. A simplicated schematic view of the immobilisation procedure. (a) Attachment of FabP fragments to the linker lipids in the matrix monolayer. (b) Non-specific binding of BSA. (c) Binding of human IgG. The monolayer with cholesterol (DPPC/CHOL/DPPEEMC to the right) showed a higher binding for FabP and non-specific binding for BSA compared to the layer without cholesterol (DPPC/DPPE-EMC matrix to the left). The binding capacity of the FabP fragments for hIgG was, however,about the same for both layers, indicating a lower binding effiency for the DPPC/CHOL/DPPE-EMC layer.