应用QCM-I测量蛋白质和纳米颗粒吸附

引言

QCM-I是测量聚合物、蛋白质、纳米颗粒和其他分子向表面吸附和键合过程的一项强有力的技术。多参数数据实时获取，详细说明了耦合到传感器表面的膜的水合质量和刚性变化。在本文中，可以理解一系列吸附事件的质量和粘弹性变化，包括表面聚合物改性，以及随后的biotin-BSA生物素物理吸附、链霉亲和素功能化量子点键合和链霉亲和素的内填充。

实验介绍

实验采用超高真空ITO涂布QCM-I传感晶体，HEPES缓冲液（pH7.4）连续流过传感器表面。样品采用固定体积的注射装置引入，然后用流动的HEPES缓冲液冲洗。连续不断注入的样品溶液为：2M NaCl（以提供纯粘性信号变化）、聚乙烯亚胺（PEI）溶液（聚合物吸附）、PBS（以压缩PEI层）、生物素（蛋白质物理吸附）、3×链霉亲和素量子点（来自Invitrogen的20nm纳米颗粒，特定识别生物素）和链霉亲和素（在SA-QD附近填充）。

QCM-I仪器监测振荡石英晶体传感器的阻抗谱，追踪基频和泛音的共振频率以及它们半峰宽（FWHM或w，单位都为Hz）的变化。前者是耦合到传感器表面水合质量的函数，后者是耦合材料粘弹性和刚性的函数。

结果

图1显示了实验和所获数据的示意图。基频变化可以采用Sauerbrey方程¹转换为质量包括捕获在膜内的水的质量，其中Sauerbrey方程的假设是刚性耦合膜。如果膜是刚性的，半峰宽不变。对于高粘膜，将会观察到较大的半峰宽变化。在2M NaCl注入时可以看到，小的“质量”变化对应大的瞬态半峰宽变化，此时仅仅是本体溶液交换，不是表面过程。该现象也可以从图2的半峰宽随频率变化曲线中观察到。对于纯粘性溶液，Δw/Δf=2。对于纯刚性膜，Δw/Δf=0。

图1 样品注入过程质量（来自基频）和半峰宽的变化图。

PEI：随着PEI的注入，约300 ng cm^-2粘弹性水合聚合物膜吸附到了传感器表面。该膜在PBS缓冲液注入时变得刚性且排出了部分水，这是因为多价磷酸根离子键合进了氨基聚合物。

b-BSA：生物素化蛋白质以刚性膜的形式静电吸附到了PEI之上。假设密度为1 g/ml，550 ng cm^-2水合膜厚度为5.5 nm。

SA-QD：因为约20 nm的颗粒是通过单SA锚点连接的，非刚性，所以初始SA-QD的键合引起相对快速的半峰宽增加。随着键合过程的进行，表面填满，膜整体变得更刚性，质量增加但半峰宽变化变小。

SA：键合到任意可得b-BSA的自由链霉亲和素填充了SA-QD之间的空隙。这一过程减少了膜的弹性，使得耦合质量增加且FWHM减小，接近图2中刚性膜的线。SA-QD和SA结合的2100 ng cm^-2质量变化，确实接近被水包围约20 nm纳米颗粒膜的预期值。

图2 实验中FWHM（w3/3）随频率变化（F3/3）的变化曲线，其中含理论“溶液”和“刚性薄膜”极限直线。

参考文献:

Using Complementary Acoustic and Optical Techniques for Quantitative Monitoring of Biomolecular Adsorption at Interfaces, R.Konradi, M.Textor and E.Reimhult, Biosensors 2012, 2, 341-376

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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