如何用QCM-D測量表面的吸附和解吸附

到處充斥著吸附和解吸附過程的世界

吸附和解吸附過程隨處可見。它們在表面科學(xué)、生物材料、細(xì)胞和分子生物學(xué)以及藥物開發(fā)和生產(chǎn)等領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用，在這些研究中，分子和納米顆粒在不同環(huán)境中與各種表面發(fā)生相互作用。

吸附可以被看做是分子從液體或氣體中“粘附”到表面上。解吸附是一種相反的現(xiàn)象，是指已經(jīng)吸附在表面上的分子從表面脫落的現(xiàn)象。QCM-D技術(shù)，本質(zhì)上是一個用于稱量極小質(zhì)量的天平，可以通過檢測表面上由于分子增加或脫落而引起的質(zhì)量變化，從而實(shí)時監(jiān)測表面上分子的吸附和解吸過程。

固體表面吸附和解吸附過程的表征

根據(jù)研究的應(yīng)用和目的，它可能與理解、表征或優(yōu)化吸附或解吸附等有關(guān)。無論哪種情況下，它都一定是與監(jiān)測表面正在增加或脫落的材料的數(shù)量有關(guān)的，它也可能是與研究這些過程發(fā)生的速率有關(guān)的。每次有物質(zhì)在表面上增加或脫落，就會有相應(yīng)的質(zhì)量變化產(chǎn)生，這一質(zhì)量變化就會被QCM-D實(shí)時的檢測到。

應(yīng)用實(shí)例1：評估蛋白質(zhì)在玻璃和塑料上的吸附

舉個例子，讓我們來看看蛋白質(zhì)在兩個不同的表面上的吸附，一個玻璃表面和一個塑料表面。

如圖1所示，我們遵循下面的步驟。

1. 我們平行地進(jìn)行兩個測量，一個在玻璃上，另一個在塑料上。從在兩個表面上分別通入背景溶液開始。在這時，表面是裸露的，這意味著質(zhì)量為零（圖1a）。
2. 接下來我們引入蛋白質(zhì)溶液，讓它流過表面。QCM-D的儀器捕捉兩個參數(shù)，頻率和耗散。頻移表示相反的質(zhì)量變化，即負(fù)移位表示質(zhì)量增加，正偏移意味著質(zhì)量損失。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)到達(dá)表面時，玻璃和塑料表面都有大量的吸收。然而我們注意到，玻璃表面的吸附速度比塑料表面的吸附速度要快一些（圖1b）。
3. 30分鐘后，我們沖洗除去那些吸附不牢固的蛋白質(zhì)。這里我們可以看到在玻璃和塑料表面都產(chǎn)生了質(zhì)量損失（圖1C）。
4. 實(shí)驗(yàn)結(jié)束時，我們得出結(jié)論：最終吸附量在玻璃上比塑料表面大（圖1D）。

圖1：（上圖）QCM-D測得的蛋白質(zhì)在塑料（PVDF）和玻璃（硼）表面的吸附。

（下圖）蛋白質(zhì)吸附過程的示意圖。

不同條件下的吸附和解吸附性能的評價(jià)

監(jiān)測質(zhì)量隨時間變化的函數(shù)，評估表面相互作用過程很簡單。還可以通過改變濃度、溫度、pH值和離子強(qiáng)度來比較不同條件下的行為。

應(yīng)用實(shí)例2：比較兩種不同濃度的蛋白質(zhì)的吸附

在這里，我們繼續(xù)展開第一個例子，比較一下兩個不同的樣品濃度。使用相同的實(shí)驗(yàn)設(shè)置，我們比較低濃度和高濃度蛋白質(zhì)溶液在玻璃和塑料表面上的吸附，以評估濃度對于吸附的影響。對比最終的吸附量，圖2，我們看到，相比于低濃度，高濃度蛋白質(zhì)的吸附量增加了一倍以上。

圖2：高、低兩種蛋白質(zhì)濃度的吸附量。蛋白質(zhì)濃度較高時，其表面吸收率較高。

對于這兩種濃度，相比與塑料表面，更多的蛋白質(zhì)被吸附在玻璃上。

其他領(lǐng)域中的表面相互作用

除了這兩個例子外，其他種類的吸附和解吸附過程也可以通過測量質(zhì)量的增加或損失來表征，例如表面活性劑、聚合物以及納米顆粒間的表面相互作用。