如何用QCM-D测量表面的吸附和解吸附

到处充斥着吸附和解吸附过程的世界

吸附和解吸附过程随处可见。它们在表面科学、生物材料、细胞和分子生物学以及药物开发和生产等领域中发挥着重要作用，在这些研究中，分子和纳米颗粒在不同环境中与各种表面发生相互作用。

吸附可以被看做是分子从液体或气体中“粘附”到表面上。解吸附是一种相反的现象，是指已经吸附在表面上的分子从表面脱落的现象。QCM-D技术，本质上是一个用于称量极小质量的天平，可以通过检测表面上由于分子增加或脱落而引起的质量变化，从而实时监测表面上分子的吸附和解吸过程。

固体表面吸附和解吸附过程的表征

根据研究的应用和目的，它可能与理解、表征或优化吸附或解吸附等有关。无论哪种情况下，它都一定是与监测表面正在增加或脱落的材料的数量有关的，它也可能是与研究这些过程发生的速率有关的。每次有物质在表面上增加或脱落，就会有相应的质量变化产生，这一质量变化就会被QCM-D实时的检测到。

应用实例1：评估蛋白质在玻璃和塑料上的吸附

举个例子，让我们来看看蛋白质在两个不同的表面上的吸附，一个玻璃表面和一个塑料表面。

如图1所示，我们遵循下面的步骤。

1. 我们平行地进行两个测量，一个在玻璃上，另一个在塑料上。从在两个表面上分别通入背景溶液开始。在这时，表面是裸露的，这意味着质量为零（图1a）。
2. 接下来我们引入蛋白质溶液，让它流过表面。QCM-D的仪器捕捉两个参数，频率和耗散。频移表示相反的质量变化，即负移位表示质量增加，正偏移意味着质量损失。当蛋白质到达表面时，玻璃和塑料表面都有大量的吸收。然而我们注意到，玻璃表面的吸附速度比塑料表面的吸附速度要快一些（图1b）。
3. 30分钟后，我们冲洗除去那些吸附不牢固的蛋白质。这里我们可以看到在玻璃和塑料表面都产生了质量损失（图1C）。
4. 实验结束时，我们得出结论：最终吸附量在玻璃上比塑料表面大（图1D）。

图1：（上图）QCM-D测得的蛋白质在塑料（PVDF）和玻璃（硼）表面的吸附。

（下图）蛋白质吸附过程的示意图。

不同条件下的吸附和解吸附性能的评价

监测质量随时间变化的函数，评估表面相互作用过程很简单。还可以通过改变浓度、温度、pH值和离子强度来比较不同条件下的行为。

应用实例2：比较两种不同浓度的蛋白质的吸附

在这里，我们继续展开第一个例子，比较一下两个不同的样品浓度。使用相同的实验设置，我们比较低浓度和高浓度蛋白质溶液在玻璃和塑料表面上的吸附，以评估浓度对于吸附的影响。对比最终的吸附量，图2，我们看到，相比于低浓度，高浓度蛋白质的吸附量增加了一倍以上。

图2：高、低两种蛋白质浓度的吸附量。蛋白质浓度较高时，其表面吸收率较高。

对于这两种浓度，相比与塑料表面，更多的蛋白质被吸附在玻璃上。

其他领域中的表面相互作用

除了这两个例子外，其他种类的吸附和解吸附过程也可以通过测量质量的增加或损失来表征，例如表面活性剂、聚合物以及纳米颗粒间的表面相互作用。

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