QCM-D測定装置について

QCMとは?

QCMとは、Quartz Crystal Microbalanceの略称で、日本語では『水晶振動子マイクロバランス』と呼ばれています。

水晶の薄い切片から成る素子をセンサーとして用い、センサーを共振させたときに得られる周波数を連続的に観測しています。
周波数の変化を捉え続けることで、センサー表面の物質(膜)と、その表面上の液中に滞留したり動いている物質(分子)との間に生じる相互作用(表面に吸着したり、表面から脱離したり、といった現象など)を、リアルタイムに観測することができます。

QCM-Dの概要・特徴

一般的なQCM法では、センサーを共振させたときに得られる周波数を連続的に観測することで、周波数変化の係数「Δf」(fはfrequencyの意)のみを計測しています。

これに対して、Biolin Scientific社の『QCM-D法』では、Δfに加えて、センサーを共振させた後、瞬間的に共振を途中で止めることで、振動が段々と衰え、散って、消えていく様子(Dissipation = 消散係数、または散逸)も観測しており、これをΔfに対し「ΔD」と呼んでいます。
QCM-D法においては、ΔfとΔDの両方を、同時かつ連続的に観測しており、Δfからだけでは測定できない粘弾性や、ソフト膜の膜厚といった測定を、ΔDを変換することで実施が可能になります。
粘弾性や膜厚が得られることで、センサー表面上の形成物質についての構造的な変化(硬い、または柔らかい)や、物理的な表面吸着量(厚み = nm)といった、より具体的かつ詳細な物質情報を知ることが可能になります。
サービスイメージ2

QCM-Dの測定原理

周波数fと消散Dを鐘の音に例えると?

f

鐘を震わせて鳴り響かせる
→発生した音響振動は一定の周波数の波を形成する
(frequency)

D

鐘を震わせた後、急に手で止めると?
→発生した音響振動は急激に散って減衰し消えていく
(Dissipation)

実際の測定の様子

まずは装置を用いて、ΔfとΔDの両方を、同時かつ連続的に観測します。
Δf、ΔDともに、各々最大7種類、合計14種類までのハーモニクス同時測定が可能です。

Δfの測定結果

周波数変化は、表面上での質量変化を反映しています。
分子が表面に吸着すると、周波数振動は減衰する方向に動きます。

ΔDの測定結果

消衰(散逸)係数の変化は、物性構造の変化を反映します。
ソフトマター構造を持つ膜が形成されると、消衰振動は増幅する方向に動きます。
測定の様子
最後に、取得したΔf、ΔDを変換して解析します。
測定結果の解析イメージ

アプリケーション(応用)

例 ~洗剤の評価と洗浄のモニタリング~
QCM-Dを使えば、洗剤による汚れ除去過程とΔfとΔDの変化、汚れの膨潤と除去の様子が観測可能です。

汚れ除去過程とΔfとΔDの変化

汚れ除去過程とΔfとΔDの変化
この測定結果から分かる洗浄力の評価は以下の通りです。
チャンピオンメダル

洗浄力が良く反応も速い!

測定結果グラフ
スタンダードメダル

洗浄力が良いが反応は緩やか

測定結果グラフ2
ロークオリティメダル

洗浄力が悪く反応も遅い

測定結果グラフ3

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