散逸モニタリング機能付き水晶振動子マイクロバランス

表面科学において、散逸モニタリング機能付き水晶振動子マイクロバランス( QCM-D ) は、リングダウン技術に基づく水晶振動子マイクロバランス(QCM)の一種です。界面音響センシングに使用されます。最も一般的な用途は、液体環境における膜厚 (吸着タンパク質層の厚さなど) の測定です。サンプルのさらなる特性、特に層の柔らかさを調べるために使用できます。

音響共振器を調べる方法としてのリングダウンは、 1954 年に確立されました。^[1] QCM の文脈では、Hirao ら^[2]と Rodahl ら^[3]によって説明されました。QCMの能動部品は、一対の電極の間に挟まれた薄い水晶ディスクです。^[4] 電極に AC 電圧を印加すると、水晶は音響共振周波数で振動します。AC 電圧をオフにすると、振動は指数関数的に減衰します(「リングダウン」)。この減衰が記録され、共振周波数 (f) とエネルギー散逸係数(D) が抽出されます。D は、振動周期あたりのエネルギー損失をシステムに蓄積された総エネルギーで割ったものとして定義されます。D は、共振帯域幅を共振周波数で割った値に等しくなります。他の QCM 機器は、コンダクタンス スペクトルから帯域幅を決定します。QCM であるため、QCM-D はリアルタイムで動作し、ラベル付けを必要とせず、表面に敏感です。現在の QCM-D 装置では、1 秒あたり 200 を超えるデータ ポイントの測定が可能です。

共振周波数（Δf）の変化は、主にセンサー表面での質量の吸収または放出に関係しています。質量センサーとして使用される場合、メーカーによると、この機器の感度は約0.5ng/cm ²です。散逸係数（ΔD）の変化は、主に粘弾性（柔らかさ）に関係しています。^[5]柔らかさは、センサー表面に付着しているフィルムの構造変化に関係していることがよくあります。

QCM-D は質量センサーとして動作する場合、さまざまな表面への分子の吸着/脱着や結合速度を研究するためによく使用されます。表面プラズモン共鳴(SPR) 分光法、エリプソメトリー、または二重偏光干渉法などの光学技術とは対照的に、QCM は捕捉された溶媒を含む吸着膜の質量を決定します。したがって、QCM で決定された「音響厚さ」といずれかの光学技術で決定された「光学厚さ」を比較することで、周囲の液体内での膜の膨潤度を推定できます。^{[6] QCM-D と}MP-SPRで測定された乾燥質量と湿潤質量の差は、図に示すように、高度に水和した層でより顕著になります。^{[7] [8] [9]}

サンプルの柔らかさはさまざまなパラメータの影響を受けるため、QCM-D は分子と表面の相互作用や分子間の相互作用を研究するのに役立ちます。QCM-D は、生体材料、細胞接着、創薬、材料科学、生物物理学の分野でよく使用されます。その他の一般的な用途としては、粘弾性フィルムの特性評価、堆積した高分子の構造変化、多価電解質多層構造の構築、フィルムやコーティングの劣化や腐食などがあります。