9.5: Estudios de deposición de nanopartículas usando una microbalanza de cristal de cuarzo
- Page ID
- 70931
Visión general
El principio de funcionamiento de una microbalanza de cristal de cuarzo con módulo de disipación (QCM-D) es la utilización de las propiedades de resonancia de algunos piezoeléctricos de materiales. Un material piezoeléctrico es un material que exhibe un campo eléctrico cuando se aplica una tensión mecánica. Este fenómeno también se observa por el contrario donde un campo eléctrico aplicado produce una tensión mecánica en el material. El material utilizado es α-SiO 2 que produce una frecuencia muy estable y constante. La dirección y magnitud de la deformación mecánica depende directamente de la dirección del campo eléctrico aplicado y de las propiedades físicas inherentes del cristal.
Se utiliza un corte especial de cristal, llamado corte AT, que se obtiene como obleas del cristal de aproximadamente 0.1 a 0.3 mm de ancho y 1 cm de diámetro. El corte AT se obtiene cuando la oblea se corta a 35.25° del eje cristalográfico principal de SiO 2. Este corte especial permite acceder a un solo modo de vibración, el modo de cizallamiento, y así explotarlo con fines analíticos. Cuando se aplica un campo eléctrico a la oblea de cristal a través de electrodos metálicos, que se depositan por vapor en la superficie, se produce una cizalla mecánica y se mantiene mientras se aplique el campo eléctrico. Dado que este campo eléctrico se puede controlar abriendo y cerrando un circuito eléctrico, se forma una resonancia dentro del cristal (Figura\(\PageIndex{1}\)).
Dado que la frecuencia de la resonancia depende de las características del cristal, un aumento de masa, por ejemplo cuando la muestra se carga en el sensor cambiaría el cambio de frecuencia. Esta relación\ ref {1} fue obtenida por Sauerbrey en 1959, donde Δm (ng.cm -2) es la masa superficial, C (17.7 ngcm -2 Hz -1) es la constante vibracional (cizallamiento, área efectiva, etc.), n en Hz es el sobretono resonante y Δf es el cambio de frecuencia. La dependencia del cambio en la frecuencia puede estar relacionada directamente con el cambio en la masa depositada en el sensor solo cuando se cumplen tres condiciones y se asumen:
- La masa depositada es pequeña en comparación con la masa del sensor
- Es lo suficientemente rígido para que vibre con el sensor y no sufra deformación
- La masa se distribuye uniformemente entre la superficie del sensor
\[ \Delta m\ =\ -C\frac{1}{n}\Delta f \label{1} \]
Una incorporación importante en los equipos recientes es el uso del factor de disipación. La inclusión de la disipación más rápida toma en cuenta el debilitamiento de la frecuencia a medida que viaja a lo largo de la masa recién depositada. En una capa rígida la frecuencia suele ser constante y viaja a través de la masa recién formada sin interrupción, por lo que la disipación no es importante. Por otro lado, cuando el material depositado tiene una consistencia blanda se incrementa la disipación de la frecuencia. Este efecto puede ser monitoreado y relacionado directamente con la naturaleza de la masa depositada.
Las aplicaciones del QCM-D van desde la deposición de nanopartículas en una superficie, desde la interacción de proteínas dentro de ciertos sustratos. También puede monitorear la cantidad bacteriana de productos cuando se alimenta con diferentes moléculas, ya que la flexibilidad de los sensores en lo que se puede depositar en ellos incluyen nanopartículas, funcionalización especial o ¡incluso células y bacterias!
Planeación Experimental
Para utilizar QCM-D para estudiar la interacción de nanopartículas con una superficie específica se deben seguir varios pasos. Para fines demostrativos, el siguiente procedimiento describirá el uso de un Q-Sense E4 con automuestreador de Biolin Scientific. A continuación se muestra un resumen como una guía rápida a seguir, pero se explicarán más detalles:
- Elección y limpieza de superficies de acuerdo con las recomendaciones del fabricante
- Preparación de la muestra incluyendo tener las diluciones correctas y suficiente muestra para el experimento en ejecución
- Limpieza de equipos y configuración de los aparameters correctos para el experimento
- Adquisición de datos
- Interpretación de datos
Elección de superficie
La decisión de qué superficie del sensor utilizar es la decisión más importante a tomar antes de cada estudio. La biolina tiene una gran biblioteca de recubrimientos disponibles que van desde diferentes composiciones de elementos puros y óxidos (Figura\(\PageIndex{2}\)) hasta proteínas de unión específica. Es importante tener en cuenta las diferentes químicas de los sensores y los resultados que estamos buscando. Por ejemplo, estudiar una proteína con alto contenido de azufre en un sensor de oro puede llevar a una falsa deposición, ya que el oro y el azufre tienen una alta afinidad para formar enlaces. Para los fines de este ejemplo, se utilizará un sensor recubierto de oro en el resto de la discusión.
Limpieza de sensores
Dado que QCM-D depende de la cantidad de masa que se deposita en la superficie del sensor, se necesita una limpieza a fondo para garantizar que no haya contaminantes en la superficie que puedan provocar errores en la medición. El procedimiento que el fabricante estableció para limpiar un sensor de oro es el siguiente:
- Coloque el sensor en la cámara de UV/ozono por 10 minutos
- Preparar 10 mL de una solución 5:1:1 de peróxido de hidrógeno:amoniaco:agua
- Sumergir en esta solución a 75 C durante 5 minutos
- Enjuague con abundante cantidad de agua MilliQ
- Secar con gas inerte
- Coloque el sensor en la cámara de UV/ozono por 10 minutos como se muestra en la Figura\(\PageIndex{3}\).
Una vez que los sensores estén limpios, se debe tener extrema precaución para evitar la contaminación de la superficie. Los sensores se pueden cargar en la cámara de flujo del equipo asegurándose de que la marca T del sensor coincida con la marca T de la cámara para asegurarse de que los electrodos están en contacto constante. La posición correcta se muestra en la Figura\(\PageIndex{4}\).
Preparación de Muestras
Como el rango máximo de masa que se puede detectar es meramente microgramos, las soluciones deben prepararse en consecuencia. Para una ejecución típica, se necesita una solución tampón en la que se estudiará la deposición así como, la propia muestra y una solución al 2% de dodecilsulfato de sodio [CH 3 (CH 2) 10 CH 2 OSO 3 Na, SDS]. Para este ejemplo estaremos usando nanopartículas de óxido de hierro magnético (NMAg) recubiertas con PAMS, y como tampón NaCl 8% en agua DI.
- Para la muestra de nanopartículas es necesario asegurarse de que la concentración final de las nanopartículas no supere 1 mM.
- Para la solución tampón, es suficiente disolver 8 g de NaCl en agua DI.
- Para la solución de SDS, se deben disolver muy lentamente 2 g de SDS en aproximadamente 200 mL de agua DI, luego se agregan alícuotas de 100 mL de agua DI hasta que el volumen sea de 1 L. Esto es para evitar la formación de burbujas y espuma en la solución.
Preparación de instrumentos
Debido a la sensibilidad del equipo, es importante enjuagar y limpiar el tubo antes de cargar cualquier muestra o realizar cualquier experimento. Para enjuagar el tubo y las cámaras, use una solución de 2% de SDS. Para ello, se programa un ciclo en el equipo automuestreador con los pasos mostrados en la Tabla\(\PageIndex{1}\).
| Paso | Duración (min) | Velocidad (μL/min) | Volumen (mL) |
| Agua DI (2:2) | 10 | 100 | 1 |
| SDS (1:1) | 20 | 300 | 6 |
| Agua DI (1:2) | 10 | 100 | 1 |
Una vez limpiado el equipo, está listo para realizar un experimento, se carga un segundo programa en el automuestreador con los parámetros mostrados en la Tabla\(\PageIndex{2}\).
| Paso | Duración (min) | Velocidad (μL/min) | Volumen (mL) |
| Buffer (1:3) | 7 | 100 | 0.7 |
| Nanopartículas | 30 | 100 | 3.0 |
El propósito de hacer fluir el búfer al principio es proporcionar una señal de fondo a tener en cuenta al ejecutar las muestras. Por lo general, una pequeña cantidad de la muestra se carga en el sensor a un caudal muy lento para permitir que se produzca la deposición.
Adquisición de datos
Los datos de ejemplo obtenidos con los parámetros anteriores se muestran en la Figura\(\PageIndex{5}\). Los cuadrados azules representan el cambio en la frecuencia. A medida que el experimento continúa, la frecuencia disminuye a medida que se deposita más masa. Por otro lado, mostrados como los cuadrados rojos, la disipación aumenta, describiendo el incremento tanto de la altura como cierta pérdida de la rigidez en la capa desde la parte superior del sensor. Para ilustrar los diferentes pasos del experimento, cada sección ha sido codificada por colores. La parte azul de los datos obtenidos corresponde al flujo del tampón, mientras que la parte amarilla corresponde al equilibrio de deposición de las nanopartículas sobre la superficie de oro. Después de cierto período de tiempo se alcanza el equilibrio y no hay más cambios. Una vez que el equilibrio indica que no hay cambio durante unos cinco minutos, es seguro decir que la deposición no cambiará.
Limpieza de instrumentos
Como medida de cuidado preventivo para el equipo, se debe seguir el mismo procedimiento de limpieza que lo que se hizo antes de cargar la muestra. El uso de una solución al 2% de SDS ayuda a garantizar que el equipo permanezca lo más limpio posible.
Modelado de Datos
Una vez obtenidos los datos, QTools (software que está disponible en el traje de software del equipo) se puede utilizar para convertir el cambio en la frecuencia a masa superficial, a través de la ecuación de Sauerbrey,\ ref {1}. La gráfica correspondiente de masa superficial se muestra en\ ref {1}. A partir de esta gráfica podemos observar cómo la masa va aumentando a medida que el nMag se deposita en la superficie del sensor. La sección azul ilustra nuevamente la parte del experimento donde solo se voló tampón a la cámara. La parte amarilla ilustra la deposición, mientras que la parte verde no muestra ningún cambio en la masa después de un periodo de tiempo, lo que indica que la deposición está terminada. La conversión de masa superficial a masa es un proceso sencillo, ya que los sensores de oro vienen con un área definida de 1 cm 2, pero se debe tomar una medida más precisa al usar sensores funcionalizados.
Es importante tener en cuenta las limitaciones de la ecuación de Saubery, ya que la ecuación da cuenta de una capa uniforme en la parte superior de la superficie del sensor. Las desviaciones debidas a racimos de material depositado en un lugar o a la formación de multicapas parciales en el sensor no se pueden calcular a través de este modelo. Se debe realizar una caracterización adicional de la superficie para tener un modelo más preciso de los fenómenos.