QCM-D 生体ーマテリアルインタラクション解析システム

液中であらゆる材料と分子の反応を解明します

QCM-D生体マテリアルインタラクション解析装置動画はこちら



トライボロジー 新分野 エネルギー 界面活性剤(洗浄効果)
バイオマテリアル バイオセンサー 脂質二重膜
ポリマー タンパク質 細胞
QCM-D LSPR(局在表面プラズモン解析センサー)同時測定 QCM-D エリプソメトリー同時測定 QCM-D LSPR(局在表面プラズモン解析センサー)同時測定

omega auto 実機デモ受け付けております。


有名学会誌にQCM-Dの解析データが多数掲載されています

全世界で加速度的に論文が増加中

金属と潤滑油界面メカニズムを解明

新情報 アイコン オープンモジュールを用いて、10μLで粘度測定



オープンモジュール オープンモジュールはセンサー計測面に直接サンプルが滴下できるように開口が設けられています。

センサーに10μLサンプルを滴下するだけで、サンプル溶液の粘度測定が可能です。 極微量で粘度の測定できますので、高濃度モノクローナル抗体薬や貴重で高価なサンプルの粘度測定に最適です。

粘度計測範囲:0.3〜100 cP
測定温度  :18〜65℃


ウシ血清アルブミン(BSA)の
濃度別粘度測定値(20℃)

トライボロジー 新分野

高濃度のBSA溶液も10μlで粘度測定ができます。
温度別ISO粘度標準液との比較
(S3, S6)

温度別ISO粘度標準液との比較

ISO規格の粘度標準液とQCM-Dによる
粘度計測値が一致することが立証されています。
温度別ISO年度標準液との比較
他計測技術との比較
(濃度別シュクロース)

他計測技術との比較

濃度別シュクロースの粘度計測の結果です。
周波数を用いた粘度計測で実績がある他技術と比較しても
QCM-Dの粘度は一致することが立証されています。


【関連文献】
1. QCM-D measurements by Q-Sense AB and Q-Sense,
Inc in cooperation with Pomona College, USA.
Detailed reports are available from Q-Sense AB.

2. Oscillating frequency of piezo-electric quartz crystal in solutions.
Anal Chim Acta. 1990; 230; 41-49. Kurosawa et al.

3. Viscometer calibration standards: viscosities of ater between 0
and 60 degree C and of selected aqueous sucrose solutions at
25 degree C from measurements with a flared capillary viscometer.
J Phys D Appl Physiol. 1984; 17; 225-230. James et al.

4. Measurement of fluid viscosity at microliter volumes sing
quartz impedance analysis.
AAPS PharmSciTech 2004; 5; 47. Saluja and Kalonia.



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金属と潤滑油界面の解析


機械工学において摩擦や摩耗の発生は重要な課題であり、トライボロジー分野では多くの研究が進められていますが、最近QCM-D法(Quartz Crystal Microbalance with Dissipation monitoring)による、金属/潤滑油界面の解析が注目されています。

QCM-D法では、センサー(鉄、酸化鉄、ステンレス、DLC等)の表面へ基油中の添加剤(油性剤)のナノレベルの吸着層を定量解析することができます。基油中ナノ吸着層の膜厚、粘性、弾性値が求められることから、金属/潤滑油界面のメカニズム解明につながる重要なデータを取得することができます。

トライボロジー分野への応用



  ベースオイル中の添加剤の吸着量や状態を計測  



ベースオイル中の添加剤の吸着量や状態を計測


周波数変化のf値は主に分子の吸着量を示し、f値が減少すれば吸着量が増加傾向にあることを表します。
周波数の散逸量を計測しているD値は吸着分子層の粘弾性と膜厚を示し、D値が増加すれば粘弾性及び
吸着層の膜厚が増加することを表します。

上のグラフでは、分子量に差がある2種類の添加剤を測定した結果、分子量が大きい添加剤の方が吸着量、
粘弾性、膜厚ともに大きな変化量として基材に吸着していることが計測されています。
分子量が小さい添加剤では吸着反応は見られるものの、D値の増加が非常に少ない為、粘弾性を伴わずに
吸着していることがわかります。吸着層は薄膜であることも同時に示しています。

計測により得られたf値とD値を用いて、絶対値での質量、粘性、弾性、膜厚の算出も可能です。



センサーは潤滑油吸着基材として最適な材料を選択できます


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QCM-D 潤滑メカニズムイメージ

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色素増感太陽電池の開発

QCM-Dで色素の吸着量と吸着状態を測定

色素増感太陽電池は、低コスト太陽電池として実用化への期待が高まっています。
近年研究開発が進んでいるその発電は、二酸化チタン粒子の表面に吸着した増感色素が光励起することから始まります。
QCM-Dでは、色素増感太陽電池の開発に必要な有機色素と酸化チタンの相互作用を定量測定することができます。酸化チタンセンサーを用いて、低分子の有機色素が酸化チタンセンサーに吸着する過程を質量、膜厚、粘性、弾性でリアルタイムに計測することができます。

【関連文献】
In situ investigation of dye adsorption on TiO2 films using a quartz crystal microbalance with a dissipation technique
Phys. Chem. Chem. Phys., 2012,14, 9037-9040

Abstract:
Dye adsorption plays a crucial role in dye-sensitized solar cells. Herein, we demonstrate an in situ liquid-phase analytical technique to quantify in real time adsorption of dye and coadsorbates on flat and mesoporous TiO2 films. For the first time, a molar ratio of co-adsorbed Y123 and chenodeoxycholic acid has been measured.


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素材別にアスファルテンの表面吸着の解析(センサーSiO2, Al2O3, TiOx, FeOを用いて)

原油中のアスファルテンの表面への吸着は、製造施設のパイプラインの汚れや目詰まり、オイルの劣化などの原因になり、石油化学産業において重要な課題となっています。

QCM-Dシステムは、これらの問題解決に向けたさまざまなアプローチに利用されています。 アスファルテン吸着分子の構造体を把握することは、表面吸着のメカニズムの解明に役立てられています。



有機溶媒中の異なる4種類の(SiO2、アルミナ(Al2O3)、TiOx、FeO)
親水性表面へのアスファルテン吸着性の違いを解析


アスファルテン メキシコ産・ブラジル産 吸着性の違いを解析 ヘプタン/トルエン、トルエン 吸着量


各種センサー素材表面への最大吸着量をグラフ化しています。
アスファルテンの原産地と溶媒の種類により吸着性に違いがあることがわかります。

注目すべきは、世界の同じ地域で産出された原油から採れたアスファルテンのサンプルが、類似の挙動を示していることです。例えばブラジル原産のサンプルは全ての表面に対し高い吸着性を示し、メキシコ湾原産のサンプルは全ての表面に対する吸着性が低いことがわかります。また、ほとんどのアスファルテンがTiOxに対して最も低い吸着性であることがわかります。


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エリプソメーターとの比較:タンパク質の吸着と架橋

ムラサキ貝の粘着性タンパク質(Mefp-1)をセンサーに吸着させた後、過ヨウ素酸ナトリウム(NalO4)で処理し、QCM-Dとエリプソメーターで測定した事例です。 QCM-Dでは粘着性タンパク質が吸着した後、NalO4により脱水効果が起き、膜がつぶれていくことを測定データから直接読み取る事ができます。

質量変化の結果値において、大きな違いがあることが分かります。
QCM-Dは粘弾性解析により水分子を含んだ質量を取得できます。一方、エリプソメーターによる結果値は架橋前後で質量変化に差異がほとんどありません。これはエリプソメーターが光学的測定法のため、吸着分子そのものの挙動をとらえることはできますが、水分子が関わる反応を検出することが困難であることを意味しています。
タンパク質などの生体分子の測定において、水分を含んだより生体内に近い状態での質量変化を解析できるのは、QCM-Dだけの技術です。


【関連文献】
Variations in coupled water, viscoelastic properties and film thickness of a Mefp-1 protein film during adsorption and cross-linking: a QCM-D, ellipsometry and SPR study,
Höök F., Kasemo B., et.,al,
Analytical Chemistry, 2001, 73, 5796-5804

Abstract:
We have measured the time-resolved adsorption kinetics of the mussel adhesive protein (Mefp-1) on a nonpolar, methyl-terminated (thiolated) gold surface, using three independent techniques:  quartz crystal microbalance with dissipation monitoring (QCM-D), surface plasmon resonance, and ellipsometry. The QCM-D and ellipsometry data shows that, after adsorption to saturation of Mefp-1, cross-linking of the protein layer using NaIO4 transforms it from an extended (20 nm), water-rich, and hydrogel-like state to a much thinner (5 nm), compact, and less water-rich state. Furthermore, we show how quantitative data about the thickness, shear elastic modulus, and shear viscosity of the protein film can be obtained with the QCM-D technique, even beyond the Sauerbrey regime, if frequency (f) and energy dissipation (D) measurements measured at multiple harmonics are combined with theoretical simulations using a Voight-based viscoelastic model. The modeling result was confirmed by substituting H2O for D2O. As expected, the D2O substitution does not influence the actual adsorption behavior, but resulted in expected differences in the estimated effective density and shear viscosity. These results provide new insight and understanding about the adsorption kinetics and cross-linking behavior of Mefp-1. They also demonstrate how the above three techniques complement each other for biomolecule adsorption studies.

SPRとAFMの比較:同一サンプル同時測定による脂質二重膜の解析

リピッドベシクルをSiO2基板上に脂質二重膜として自己展開させ、「細胞モデル膜」として研究で利用されています。 SiO2センサー上にリピッドベシクルがどのように二重膜化していくか、QCM-D、表面プラズモン測定装置(SPR)、原子間力顕微鏡(AFM)で計測し比較しています。



表面プラズモン測定装置(SPR)との比較


QCM-Dでの測定値では、水を内包したベシクルがSiO2上に吸着し、質量変化・粘弾性共に大きな反応を示します。その後ベシクルは内包していた水分子を放出し破綻しながら二重膜に自己組織化していき、質量・粘弾性が減少しています。
一方、SPRでのデータでは質量変化はなだらかに増加を表しているだけで、ベシクルの吸着と破綻の変化を読み取ることはできません。



原子間力顕微鏡(AFM)との比較

原子間力顕微鏡(AFM)では、リピッドベシクルが二重膜化するその瞬間を切り取ったデータでしか取得ができませんが、QCM-Dでの測定では吸着挙動を継続的・連続的な変化で捉えることができます。


【関連文献】
Further information about this subject can be found in several publications; the approach above; to compare the QCM-D response with that of SPR, was first shown in Formation of Supported Membranes from Vesicles in Physical Review Letters Vol. 84, Number 23 (2000) 5443-5446 by C Keller et al.

The complete AFM work is presented in Pathways of Lipid Vesicle Deposition on Solid Surfaces: A Combined QCM-D and AFM Study in Biophysical Journal, Volume 85, November 2003, p. 3035 –3047 by R Richter et al.

How to extract exact water content of immobilized molecular layers by using QCM-D in combination with for example SPR is presented in Characterization of DNA Immobilization and Subsequent Hybridization on a 2D Arrangement of Streptavidin on a Biotin-Modified Lipid Bilayer Supported on SiO2 in Analytical Chemistry 2003, 75, 5080-5087 by C Larsson et al.

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SPRとの比較:DNAハイブリゼーション 吸着状態の解析

QCM-Dでの質量+粘弾性解析により、DNA結合の配向性(センサーへ結合する向きや状態の変化)が解明できます。下図(A)と(B)の測定では、結合状態を比較するために意図的にセンサー固定化層を変えて測定しています。

DNAハイブリゼーション

(A)の測定では、タンパク質は特異的な結合によって隙間なく整列的な結合をしているため、結合後、粘弾性の大きな変化はありません。
センサー固定化層を変えた(B)の測定では、非特異的な結合によりランダムに結合しているため、質量・粘弾性はより高い値を示しています。

(A)と(B)の測定をSPRで行うと、結合状態の変化まで捉えることができないというQCM-Dとの比較データが下記の論文内で記述されています。
QCM-Dでは質量・粘弾性の取得により結合状態の構造変化まで解明することができることを証明しています。


【関連文献】
surface plasmon resonance spectroscopy and quartz crystal microbalance study of MutS binding with single thymine-guanine mismatched DNA.
Su X, Wu YJ, Robelek R, Knoll W.
Institute of Materials Research and Engineering, 3 Research Link, Singapore 117602.

Abstract:
MutS is a DNA mismatch binding protein that recognizes heteroduplex DNA containing mispaired or unpaired bases. In this study, we employ a quartz crystal microbalance (QCM) and a surface plasmon resonance (SPR) device for the study of MutS binding with DNA containing a single Thymine-Guanine (T-G) mismatch at different sites. Multi-step surface binding reactions are involved in the study, including probe DNA immobilization on the sensor surface through biotin-streptavidin-biotin bridge chemistry, target DNA hybridization to form T-G heteroduplexes, and MutS recognition of the mutation sites. The QCM frequency (d f) and motional resistance (d R, an impedance parameter reflective of QCM damping), as well as the SPR angle shift (d q ) are recorded for the binding reactions. The combined SPR and QCM data collection and analysis allow for an assessment of not only the amount of bound biopolymer but provide also information on also the structural properties of the streptavidin, DNA and MutS/DNA complexes. The affinity of the MutS/T-G heteroduplex assembly is determined by both the QCM and SPR methods through titration of the surface bound DNA with increasing MutS concentration. It is found that if the T-G mismatch is in the center of the DNA fragment, the MutS/DNA complex is more stable than if the mismatch is located near the end of the fragment.

界面活性剤

表面に多くの素材を持つQCM-Dセンサーを使用して、様々な分野の洗剤開発に利用されています。

●ガラスセンサー   → 食器用洗剤、基板クリーニング
●HAセンサー      → オーラルケア
●セルロースセンサー → 衣類用洗剤


Akzo Nobel 社製の界面活性剤(Elfan® AT 84 G)の性能評価で用いられています

Akzo Nobel 社製の界面活性剤(Elfan® AT 84 G)の性能評価でQCM-Dは用いられています。
QCM-Dでは「洗浄速度」、「汚れの膨潤時間」「洗浄された汚れの質量」を定量的に評価することができます。


→詳細資料はこちら

界面活性剤吸着層の状態解析

界面活性剤の固液界面での吸着状態の解析にQCM-Dは広く用いられています。
吸着基材の親水性・疎水性を選んで吸着状態の解析が可能です。界面活性剤の吸着状態が球状、半円柱状、円柱状の吸着量(ng/cm2)とともに判別することができます。
また、同時にエリプソメーターでの測定値を用いて、吸着分子層が保有している水分子の量を算出できます。

膜貫通型チャネルの解析



洗剤の洗浄比較とプロセスの解明

洗剤が汚れをどのように洗浄するのか、数値的に絶対値で評価するために用いられています。

台所洗剤の洗浄比較と洗浄プロセスの解析

【関連文献】
Lag phase and hydrolysis mechanisms of triacylglycerol film lipolysis
Chemistry and Physics of Lipids 125(2003), 69-82
Torben Snabe, Steffen Bjørn Petersen

Application of infrared spectroscopy (attenuated total reflection) for monitoring enzymatic activity on substrate films.
Journal of Biotechnology, 95 (2002), 145-155
Torben Snabe, Steffen Bjørn Petersen

Viscoelastic acoustic response of layered polymer films at fluidsolid interfaces: continuum mechanics approach.
Phys. Script. 59(1999), 391-399
M. V. Voinova, M. Rodahl, M. Jonson, B. Kasemo

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脂質・脂質二重膜

膜貫通型チャネルの解析

ペプチド性猛毒のグラミシジンが細胞膜に吸着するとイオンが通過できなくなってしまい、ナトリウムやカリウムイオンのバランスを崩し、呼吸困難や心臓発作を起こします。

QCM-Dセンサーに展開した脂質二重膜を細胞膜に見立てて、グラミシジンの細胞膜への作用を解析することができます。また、同時にイオンの変異をとらえるために電気化学測定と組み合わせることも可能です。
全く同じサンプルをQCM-Dと電気化学測定が同時に行えるモジュールを用意しております。

膜貫通型チャネルの解析

リピッドベシクルの吸着二重膜の解析

水を多く含むベシクルが固液界面に吸着して脂質二重膜になる際、内包水をリリース(ラプチャ)する課程をΔf値では質量変化、ΔD値では膜厚の変化でとらえることが可能です。
QCM-Dでは、吸着状態を吸着量(質量)と膜厚を同時にリアルタイムで計測ができます。

リピッドベシクルの吸着二重膜の解析

バイオマテリアル/細胞/バクテリア

インプラント表面の最適化

細胞の初期接着メカニズムを解明

QCM-Dでは水晶振動子センサー表面に、バイオマテリアルとなるポリマーを成膜し、このポリマー表面への細胞やタンパク質の接着を詳細に解析することができます。細胞懸濁液をペリスタリックポンプでセンサー反応面に送液し、センサー表面への吸着反応を測定します。測定中はポンプ送液を停止し、顕微鏡観察をしながら計測しています。(ウィンドウモジュールで測定)

細胞の初期接着メカニズムをQCM-Dで解析

細胞伸展 リモデリング


■QCM-D、顕微鏡同時計測
PMSH(poly (MPC-co-2-(methacryloyloxy) ethylthiol)をコーティングしたセンサーには 、
細胞接着が起きないことを、QCM-D測定をしながら顕微鏡で確認ができます。

【資料御提供】 東京大学大学院工学系研究科バイオエンジニアリング専攻 教授高井まどか様
QCM-D analysis of material–cell interactions targeting a single cell during initial cell attachment.
Sensors and Actuators B: Chemical. 2012, 171–172 1297–1302.

バイオセンサー

PDMS表面への生体分子吸着量を定量解析

ポリマー

高分子分野では下記のような様々なアプリケーションでQCM-Dが使用されています。

・ 機能性ポリマーの構造変化の解析
 poly(N-isopropylacrylamide)等
・ ポリマー重合プロセスの解析
 硬化と重量変化(右図)
・ 溶媒の変化によるポリマーの膨潤度解析
・ ブロックポリマーの機能解析
・ ポリマーの硬化を定量算出

エポキシ接着剤の硬化解析




光応答性ポリマーの液中物性解析

バイオマテリアルなどに広く応用が期待されている、「機能性ポリマー」の溶液中での挙動を解明するために、QCM-D解析が用いられています。
UV照射ができるウィンドウモジュールを用いて、「光応答性ポリマー」の膨潤と収縮反応を膜厚、粘弾性、質量変化から詳細に解析できます。(ウィンドウモジュールで測定)


ウィンドウモジュール




PNIPAM温度応答性ポリマー液中挙動の解析

液中ポリマー層の膨潤や収縮の反応を定量的に解析ができます。
温湿度モジュールを用いて、液中だけでなく、制御された湿度環境下でポリマーの膨潤、収縮反応を解明することができます。(温湿度モジュールで測定)


温湿度モジュール

タンパク質

抗原・抗体反応のような生化学的な測定に加えて、アミロイドやコンタクトレンズの汚れのようなタンパク質アグリゲーション解析に使用されています。生化学分野では脂質膜と組み合わせて、より生体内に近い環境で測定・解析が行われています。

アミロイドタンパク質のアグリゲーション解析

最大8センサー同時測定 新製品Omega Auto アプリケーション

【測定事例1】タンパク質の吸着(凝集)過程の詳細解析

タンパク質の凝集は、製剤評価および安定性評価の鍵となる要素です。
SiO2、テフロンセンサー上での、2種類の異なる濃度の抗体(高濃度:H、低濃度:L)の吸着(凝集)反応をOmega Autoで測定。

●タンパク質膜厚の定量解析が可能
膜厚結果から、テフロンは吸着しにくい素材ではありますが、高濃度の場合ではSiO2上での反応に比べ、テフロン上の吸着(凝集)反応が大幅に高いことがわかります。
●粘弾性の定量解析が可能
膜厚の低いタンパク質層は、水分子を含む膜厚の高いタンパク質層より弾性が高い(硬い)ことがわかります。

タンパク質の吸着(凝集)過程の詳細解析

【測定事例2】多層膜の構造解析:金属有機構造体(MOF)

金属有機構造体(MOF:Metal Organic Frameworks)は、金属と有機リンドが相互作用することで、活性炭やゼオライトをはるかに超える高表面積を持つ多孔質の配位ネットワーク構造をもつ材料です。ガス吸着や分離技術、センサーや触媒への応用が期待されています。

SiO2センサー上でのMOF【Cu(OAc)2とH3btcを交互にサンプリング】の吸着質量(μg/cm2)を15, 30, 45℃の温度別にリアルタイムモニタリングした結果です。QCM-Dでは、薄膜多層構造の吸着反応、構造変化の詳細な解析が可能です。

多層膜の構造解析:金属有機構造体(MOF)



Omega Autoを使用すれば、通常18回の溶液交換作業は3回で終了
プログラミングをすれば装置の側にいる必要はありません。

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