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QCM-D/
分子間相互作用解析システムアプリケーション

QCM-D 分子間相互作用解析システム

QCM-Dアプリケーション

エネルギー

色素増感太陽電池の開発(グレッツェル教授論文)

 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。

色素増感太陽電池の開発(グレッツェル教授論文)

【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.

素材別にアスファルテンの表面吸着解析(SiO2、Al2O3、TiOx、FeO センサーを使用)

 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。

素材別にアスファルテンの表面吸着解析(SiO2、Al2O3、TiOx、FeO センサーを使用)

素材別にアスファルテンの表面吸着解析(SiO2、Al2O3、TiOx、FeO センサーを使用)

 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。

界面活性剤

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。

界面活性剤吸着層の状態解析

洗剤の洗浄比較とプロセスの解明

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。

【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

ポリマー

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)

光応答性ポリマーの液中物性解析

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)

PNIPAM温度応答性ポリマー液中挙動の解析

タンパク質

アミロイドタンパク質

 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。

バイオマテリアル/細胞/バクテリア

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解明 細胞の初期接着メカニズムを解明

 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.

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

トライボロジー分野

金属と潤滑油界面の解析<添加物(油性剤)の金属表面ナノ吸着層の解析)>

 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。

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。

ベースオイル中の添加剤の吸着量や状態を計測 

バイオセンサー

  • バイオセンシング機能の定量的な解析
  • 生体分子間の結合質量、粘性・弾性変化、膜厚変化を定量算出
  • バイオセンサー基材の液中の物性変化や基材への修飾プロセスの解明

8センサー同時測定(Omega Autoアプリケーション)

タンパク質の吸着(凝集)過程の詳細解析

8センサー同時測定(Omega Autoアプリケーション)

 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。

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