QCM-D 生体ーマテリアルインタラクション解析システム

「質量変化」と「構造変化」を定量算出できる唯一のシステム
あらゆる材料と分子のナノレベルの反応を解明


E1 シングルチャンバーモデル

応用物理学会春季学術講演会にメイワフォーシス株式会社は出展をいたします。

◆システム概要◆

生体-マテリアルインタラクション解析システムは、水晶振動子センサーを用いた計測技術です。特許計測技術のQCM-D(Quartz Crystal Microbalance with Dissipation monitoring system)法により、従来型QCM計測では得ることができない高精度な定量的データを複合的に得ることができます。

タンパク質やDNA、細胞、脂質膜などの生体分子間の相互作用解析、高分子材料と生体分子の結合・解離の評価、多種多様な素材表面への分子の結合・吸着・自己組織化の解析などにおいて広く用いられています。

▶▶▶ユーザーの声 (Q-Sense Pro 8チャンネルモデル)

各部詳細
「質量変化」だけでなく「粘弾性」と「膜厚」の同時定量算出を実現

粘弾性と膜厚の同時定量算出

QCM-Dはセンサー表面層の「質量変化」 だけではなく、「粘性(kg/ms)」、「弾性(Pa)」、「膜厚(m)」を定量算出できる世界で唯一のシステムです。
他社従来QCM装置では解読できない「構造変化」を定量化し解析できます。

QCM-Dは、質量変化と構造変化で、基材へのサンプル吸着/積層を解読

質量変化だけでは解読できない、予測不能な吸着挙動もQCM-Dなら解明

従来型QCM装置

【従来型QCM装置】
Δf値(質量変化)の挙動のみでは、何が起こっているか読み取れません。
質量変化だけでは質量増加が2段階になっていることは読み取れますが、吸着したサンプルにどのようなことが起こっているか解読することはできません。
解明するには別手法での検討が必要です。

QCM-Dは、吸着物がソフトな場合でも正確な吸着量を算出

多数のデータから正確な吸着量を定量化

【従来型QCM装置】
Sauerbrey式を使用すると、QCMで算出した吸着量には誤差が含まれ正しい膜厚は算出できません。
実線はQCMより得られたf値をSauerbrey式によって算出した吸着量です。点線はQCM-Dで測定したf値とD値から、粘弾性解析をして得られた吸着量です。


他社従来型QCM装置で計測された周波数変化量(Δf:Hz)はSauerbreyの式により、質量変化量(Δm:ng/cm2)に換算されてきました。しかし、吸着分子層に粘弾性がある場合はSauerbreyの式が適用できない状況があります。
QCMで測定する溶液中の高分子材料や生体試料のほとんどは、粘弾性の高い試料と言えます。
正確な質量解析には、QCM-D装置での解析が必須です。

世界で唯一のDファクター

世界特許技術のDファクター

QCM-D【Dファクター(Dissipation:消散)】でできることとは?
● Dファクターはサンプルの粘弾性と膜厚の大小を示すものであり、QCMで正しい結果値を出すために補正 値として使われています。
●他社QCM装置では解明できない、「立体構造変化」がわかります。
 立体構造変化とは「膜厚変化」と「粘弾性変化」のことです。

7種類の周波数により、複数データから正確な質量を取得

多チャンネル測定を可能にしたオーバートーン技術

センサー素材は45種類以上!多数のラインナップ
標準金センサー以外にこれまでにはない素材で吸着反応測定を実現

QCM-Dセンサー詳細はこちら

顕微鏡、エリプソメーター等各種分析機器との相関データが多数報告

■ 顕微鏡観察による検証

ステンレスセンサー上へのバイオフィルムの吸着挙動を顕微鏡観察と同時にQCM-D計測で解析できます。
細胞が生きた環境下で特定基盤表面への接着挙動の解析ができます。

顕微鏡観察による検証

バイオフィルムの形成を蛍光顕微鏡像と合わせて測定

バイオフィルム(Leuconostoc mesenteroides リュコノストック属、乳酸菌の一種)がステンレスセンサー上に接着(質量増加)、菌体が成長し増殖(粘弾性の増加)する過程をQCM-D測定と同時に顕微鏡観察で解析ができます。

■ 原子間力顕微鏡(AFM)による検証

特定のベシクルはSiO2表面に吸着すると、二重膜状に自己展開する性質を持っています。
球体のベシクルとして、吸着後に球体を破綻しながら脂質二重膜に展開します。QCM-Dでは球体吸着、破綻しながら二重膜化する過程をリアルタイムにモニタリングし、その質量変化と膜厚変化を求めることが、液中AFM測定値とも相関があることが報告されています。

原子間力顕微鏡による検証

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■ エリプソメーターによる検証

液中基盤に接着しているタンパク質の架橋反応をエリプソメーターとQCM-Dで測定し、膜厚変化量はほぼ一致することが報告されています。同時に、QCM-Dでは接着タンパク質層の粘性や弾性変化値も求めることができ、より詳細な分子の解明ができます。

■エリプソメトリーモジュール
(QCM-D測定 + エリプソメトリー測定)


エリプソメトリーとQCM-Dの同時測定が実現



膜厚測定において標準化されているエリプソメーターとQCM-Dで
その場で、同一サンプルで、同時観察ができます。

●QCM-D       質量・粘弾性測定<水分+分子>
●エリプソメトリー  膜厚・膜厚変化測定<光学的測定:分子のみ>


Wet Mass(Q)とDry Mass(E)のデータ取得が同時にできる
分子が持つ水の量(水和量)が算出できる
 (Wet Mass)-(Dry Mass) = (Water)
 世界で唯一のテクニック!



エリプソメトリーとQCM-Dの同一センサー・同時測定が実現



マルチスペクトル・エリプソメトリーの製品情報はこちら



ムラサキガイの接着タンパク質の架橋反応

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定量フロー測定によりサンプル溶液の完全交換

■センサー上の溶液を入替え可能なフローモジュール


現在のQCM-Dシステムは、サンプル溶液をポンプで定量フローさせながら測定することを基本としています。フローさせることでセンサー上の測定溶液を完全に入れ替えることが可能になります。


開発品洗剤の効果をデジタル定量評価

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高対性流路を採用し、有機溶媒系の測定にも対応

■ 有機溶媒を使用した測定が可能

薬剤に高耐性の送液チューブやOringを用いることができます。様々な有機溶媒中での反応を測定することができます。有機溶媒にしか溶けない化合物の結合反応をQCM-D装置は測定できます。エタノール、トルエンDMSO(Dimethylsulfoxide), DMF(Dimethylformamide) などを使用することができます。
※他社製品では有機溶媒でセンサー部材が溶けるとの報告もあります

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粘弾性解析

■ 定性的な評価 ΔD-Δfプロット


ΔD-Δfプロットグラフ


ΔD-Δfプロット
ΔfプロットはX軸にf値、Y軸にD値を取りサンプル間でf値におけるD値の変化量を比較できます。

グラフの傾きが大きいほど吸着分子の粘性や膜厚増加率が高いと判断できます。
測定データですぐに解析できることからD-fプロットは論文などでも多用されています。

左のΔD-Δfプロットはフィブロネクチンを各pH(5.5、7、8.5)でポリアクリル酸(PAA)をコートしたセンサーに吸着させた状態をQCM-Dにて測定。 pHが高いほど、粘性や膜厚の増加率も高くなることが分かります。



【関連文献】
pH-Dependent Immobilization of Proteins on Surfaces Functionalized by Plasma-Enhanced
Chemical Vapor Deposition of Poly (acrylic acid)- and Poly (ethylene oxide)-like Films
Serena Belegrinou, et,.al, Langmuir 2008, 24, 7251-7261


■ 測定データから粘弾性の定量化解析


softfilm 粘弾性解析


f値とD値のグラフ
  Input parameters
  複数のΔf値、ΔD値
  吸着膜の密度
  溶媒の密度と粘性

膜厚、粘性、弾性



液中ナノ薄膜の粘弾性定量解析手法 液中ナノ薄膜の粘弾性定量解析手法

粘弾性モデルを利用した膜厚・粘性・弾性の定量算出方法

粘弾性解析

Q-Sense Proを実際に使用いただいているユーザー様からの声をご紹介いたします。

Q-Sense Proを使用したユーザーの声①
■ 測定のための作業を自動化して生産性向上


OmegaAuto
「 一度、Q-Sense Proを使用したら、
 Q-Sense Analyzerシステムには戻れません。」


導入の決め手:作業時間の短縮
・作業時間
  Q-Sense Analyzerシステム:90分 → Q-Sense Pro:20分
・1センサーあたりの実験時間
  Q-Sense Analyzerシステム:75分 → Q-Sense Pro:10分
・測定センサー数
  Q-Sense Analyzerシステム:4センサー → Q-Sense Pro:8センサー


Q-Sense Proを使用したユーザーの声②
■ 諦めていた極微量サンプルの測定


OmegaAuto
「 測定サンプルは高価であり、 作製に時間がかかります。今までは自身の実験を選択をしなければ
なりませんでした。」
 

導入の決め手:極微量のサンプルで測定
・最少サンプル量
  Q-Sense Analyzerシステム:200μl →  Q-Sense Pro:50μl
・センサー上の最少サンプル量
  Q-Sense Analyzerシステム: 40μl →  Q-Sense Pro:15μl


Q-Sense Proを使用したユーザーの声③
■ 温度範囲の拡大と柔軟なフロー方式


OmegaAuto
「 Q-Sense Proで測定範囲が広がりました。」
 

導入の決め手:温度範囲とフロー方式
・温度範囲
  Q-Sense Analyzerシステム:15~65℃ → Q-Sense Pro:4~70˚C
・Flex Flow機能
  Q-Sense Proはセンサーによって異なる流速を実行可能




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