Malin Edvardsson Aug 16, ’09 < 20220316

耗散型石英晶体微天平技术QCM-D和表面等离子共振技术SPR输出的信息对比

以耗散型石英晶体微天平技术(QCM-D)和表面等离子共振技术(SPR)为代表的时间分辨表面灵敏技术,相互之间经常被拿来比较。这些技术的确有很多共同点,但也存在一些重大差异。本综述在这里将QSense耗散型石英晶体微天平技术和表面等离子共振技术SPR可以获取的信息进行了对比。

QSense QCM-DSPR——输出的信息

无需详细说明相应技术的工作原理,正如其他地方详细描述的那样,QCM(石英晶体微天平技术) 是一种声学技术,而 SPR 是一种光学技术。 简而言之,QCM 测量振荡石英晶体的共振频率变化 f,而 SPR 测量表面等离子体共振角 ϴ 的变化。 晶体振荡的共振频率对质量变化敏感,SPR角对折射率变化敏感。 除了 fϴ 之外,QCM 和SPR还可以捕获一些其他参数,从而获得更多的信息。

QCM厂商不同,提供的参数和参数数量也不相同。QCM 技术获取的信息可以仅仅是质量变化的定性信息,也可以是高时间分辨的质量、厚度和粘弹性特性的定量信息。

SPR提供的信息可以是在样品表面(或接近表面)折射率变化,也可以是有关折射率、厚度、密度和表面覆盖率的定量信息。

下面我们举例说明 QSense(QCM 的升级版本)和SPR在信息输出方面的典型差异。

A) 质量

QSense和SPR都直接或间接地感知结合到表面上的质量的相对变化。但这两种技术感测到的质量是不同的,通常被称为“声学”和“光学”质量,或“水合”和“非水合”质量。造成这种不同的原因是由于测量结合质量的物理原理不同。SPR 数据计算出的质量是基于吸附的生物分子与吸附时被生物分子置换的水之间折射率的差异。这意味着与蛋白质膜(例如,水合壳)相关的水基本上不包括在质量测定中。相比之下,QSense测量频率变化时,水通过直接水合、粘性阻力和/或吸附膜中的空腔截留,与吸附物质作为固有质量相结合。因此,SPR的响应与结合的“摩尔质量”成正比,而在QSense测量中,测量的是由大分子和结合水组成的“水凝胶”。

如果数据和吸附层满足模型的要求和条件,则可以用QSense将质量计算或模拟出来。SPR可以通过将角位移乘以比例常数来计算质量,该常数对于吸附物质是唯一的,并且必须独立校准 [参见参考文献 1 和其中的参考文献]。

B) 厚度

这两种方法都能够间接表征厚度变化。QSense的厚度通过密度与质量相关联。SPR的响应与吸附物和溶液之间的折射率差异以及吸附层的光学厚度成正比。如果已知各自的折射率,则可以计算出其光学厚度。通常情况下,不是通过复杂的转换将其转变成光学质量(见上节),而是使用光学厚度作为吸附的结果。

QSense是一种声学技术,可以测量较厚的薄膜,而SPR是一种光学技术,在薄膜厚度方面有更大的限制。

C) 薄膜含水量和构型变化

如关于质量的部分所述,QSense可检测分子及其结合的溶剂,而 SPR 仅可检测分子,所以QSense可以通过水含量的变化感知大分子重组和构型变化,而SPR则无法检测到这一现象。

QSense检测到的结合水也还可以增强信号,即使很小的构型变化,其中结合的溶剂的量也显著不同。

D) 结构和薄膜属性

QSense可以测量两个参数,而SPR只测量一个。QSense的能量耗散数据中包含的附加信息可以更详细地解释表面相互作用和反应过程。

耗散的变化与吸附层引起的剪切粘性损失有关,因此提供了有助于识别不同吸附体系之间的结构差异或同一类型分子在吸附过程中的结构变化的信息。 f 和 D数据相结合,可以表征出构型/结构/取向等相关的薄膜特性和粘弹性信息。

E) 动力学和亲合力

这两种技术都监测时间分辨的质量变化,从技术角度来看,QSense和SPR评估动力学的能力非常相似。然而,由于方法的差异,SPR技术在动力学和亲合力表征方面是更强的方法。即使QSense对于富水层和扩展层更为灵敏,SPR对表面附近的折射率变化非常敏感,因此更适合进行动力学和亲合力检测。此外,SPR样品池的体积通常比QSense样品池小,这从质量传输的角度来看也是有利的。因此,多年来,SPR已成为表征动力学速率常数和亲合常数的标准技术。

结语

QSense 耗散型石英晶体微天平技术(QCM-D)和表面等离子共振技术(SPR)是两种具有重叠应用领域的表面传感实时技术,非常相似,但两者也存在可能因提出的科学问题或实验需要而至关重要的差异。总的来说,声学QSense耗散型石英晶体微天平技术 QCM-D和光学表面等离子共振技术SPR是互补的,哪一种技术更合适取决于应用在什么地方。在综述QCM-D vs SPR中,我们介绍了两种技术获取的信息的一些主要差异。

请联系百欧林索取该综述以了解更多关于两种方法之间的主要区别以及相应技术更适合哪些应用的信息。

更多QCM-D技术详情请http://www.biolinchina.com/qsense

参考文献

  1. Reimhult et. al., Anal. Chem, 76 (24) 2004, 7211-7220
  2. Ekagasit, et. al., Applied Spectroscopy, 59, 5, 2005, p 661 – 667
  3. http://www.bionavis.com/en/life-science/technology/traditional-spr/
  4. http://www.reichertspr.com/index.php?src=directory&view=systems&srctype=systems_detail_comparisonchart&refno=352

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