应用QCM-I监测聚合物多层膜的沉积过程

引言

聚合物和纳米颗粒多层膜的静电驱动吸附是通过表面物理和化学转变以生成高度定制且 “智能”、环境敏感界面的一种广泛接受的方法。沉积过程可由QCM-I灵敏地进行监测,来提供多层体系水合质量以及物理结构和刚度的信息1。沉积参数的差异能极大地影响多层结构及其最终性能。

实验介绍

This application note describes the data obtained from the adsorption of a polyethylenimine (PEI) and polystyrene sulfonate (PSS) multilayer onto a MicroVacuum ITO coated QCM-I sensor crystal.

本应用报告描述的是从“聚乙烯亚胺(PEI)和聚磺苯乙烯(PSS)多层膜吸附到超高真空ITO涂布QCM-I传感晶片上的实验”中获得的数据。

QCM-I设备监测谐振石英晶体传感器的阻抗谱,追踪其基频和泛音共振频率(F)以及半峰宽(半高全宽,w,单位都为Hz)的变化。前者是耦合到传感器表面质量的函数,后者是耦合材料粘弹性或刚度的函数。

fig1 qcm monitors changes in rf

实验包含HEPES缓冲液(pH7.4)连续流过传感器表面。等分PEI和PSS在传感器表面交替流10分钟,中间间隔10分钟冲洗。

结果

图1显示了当PEI和PSS层相继吸附到ITO表面时,基频(F1、w1)和第三阶谐波(F3、w3)的变化。

figure1 frequency peak width changes

图1 PEI和PSS多层沉积样品注射和冲洗阶段的频率和半峰宽变化。

频率变化(Δf)能通过Sauerbrey方程转换为质量变化(Δm),Sauerbrey方程假设沉积膜为刚性耦合聚合物膜。对于此处用的石英晶体传感器,可简化为Δmn=-Δfn×17.7/n ng cm-2/Hz,其中n为泛音数。图2显示了基频和第三阶谐波的结果。

figure2 harmonic mass frequence peak

图2 PEI和PSS多层沉积样品注射和冲洗阶段的基频和第三阶谐波质量频率和半峰宽变化。

质量对应的是耦合到传感器表面的聚合物、离子和水的质量。初始PEI层不是刚性耦合,所以F1和F3质量值稍微不同且半峰宽w增加。(F1变化是F3的三分之一,所以受刚性损失的影响较小)。当PSS加入时,两个之间质量差异和w都减小,说明膜变得更加刚性。PSS的质量变化小于PEI,这与基于每单位电荷聚合物结构的预期不符,因此很有可能是PSS引起了PEI层的崩塌。该过程在交替层叠加时重复。然而,因为w没有递增,很明显多层结构是由刚性子层搭配一个较散的顶层交错建立,如下图所示。

figure3 diffuse top layer

图3 PEI/PSS聚合物多层堆积模型。

排除水合效应来确定聚合物层的质量需要使用辅助技术如OWLS2

 

参考文献:

1 Heuberger R, Sukhorukov G, Voros J, Textor M, Mohwald H, “Biofunctional polyelectrolyte multilayers and microcapsules: control of non-specific and biospecific protein adsorption” Advanced Functional Materials, 15 (3): 357-366, 2005

2 OWLS application Note No 0016

实验由M Swann博士在英国曼彻斯特大学J. Lu教授实验室完成。

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