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物性変化・分子間相互作用定量 QCM装置

物性変化・分子間相互作用定量 QCM装置

アルバックの分子間相互作用定量QCM装置AFFINIXシリーズは、分子間結合・解離・重合・凝集解析から分子・材料の粘弾性変化まで、センサー表面の質量変化を測定する装置です。検出質量感度は30 pgから、溶液中での測定が可能で、測定物質に標識(目印)が不要、リアルタイムに測定できます。

AFFINIXシリーズの特徴

(1)測定原理(水晶発振子マイクロバランス法)

圧電材料の一つである水晶は、圧力をかけると電荷を発生させ(圧電効果)、電圧を印加すると変形する(逆圧電効果)性質をもちます。
この逆圧電効果を利用し、水晶を極薄い板状に切り出した切片の両側に金電極を形成した水晶振動子を発振回路に接続すると、一定の周波数で非常に正確に振動させることができ、この現象を共振といいます。その周波数は共振周波数(Fs)と呼ばれ、金電極上に物質が吸着するとその質量に応じて吸着物質の厚み分だけずり振動の波長や周期が長くなる(増加)ので、共振周波数(Fs)が減少します。
この現象を利用して微量天秤として利用することができ、このような方法論はQCM(Quartz-Crystal Microbalance:水晶発振子マイクロバランス)法と呼ばれています。

(2)吸着量測定

水晶発振子表面に物質が吸着した時の周波数変化が1秒1点でリアルタイム計測できる。

AFFINIXシリーズの場合、1 Hzの振動数変化 = 0.62ngcm-2(30 pg)の質量変化

表面でのナノグラムレベルの吸着量をモニタリング可能

(3)AFFINIXシーズ測定手順

センサー上に何をつけるか?(A)
・タンパク質、プラスティック、ナノチューブなど

結合を見たいものは何か?(B)
・タンパク質、DNA、微粒子など

測定する溶液は何か?(C)
・水、緩衝液など

手順 1

センサーへ Sample A を固定化・コーティングする

手順 2

カップに溶液を入れ、周波数が安定化するまで待つ

手順 3

秤の目盛りをゼロ点補正し、Sample B を入れる

手順 4

表面の重量増減を測定 → 分子間相互作用の測定

(4)分子間相互作用解析

吸着量の濃度依存性の測定から分子間相互作用における平衡定数(Kd, Ka )、速度定数( kon, koff)の算出ができる。

相互作用の親和性の強さ
Kd ; 解離定数 Ka ; 結合定数

相互作用の速度
kon ; 結合速度定数 koff ; 解離速度定数

速度定数kon, koffの算出

AQUAの詳細へ

アプリケーション代表例

(1)標的分子のスクリーニング用途

自分たちの開発した薬剤(主に抗体)がどれだけ標的物質に結合するかが数値で測定できる。

生体適合性の評価や様々な医療機器の表面に対するタンパク質や血液成分の吸着量などが評価できる。

(2)台所用洗剤の洗浄力評価

応用 洗剤の最適使用量・最少使用料の検討
測定サンプル (A)センサー:タンパク汚れ
(B)添加サンプル:台所用洗剤
(C)測定溶液:水道水
材料 1. 市販台所用洗剤(4製品)
2. カゼイン ※牛乳中に含まれるタンパク質。食品汚れとして仮定
結果 1. 台所用洗剤でタンパク質の洗浄を確認
2. 洗浄力は A = B ≫ C > D で効果大

付着させた汚れの除去率により洗浄効果を評価できる。

(3)β-アミロイドタンパク質の自己凝集

応用 狂牛病、アルツハイマー病等の凝集塊形成病メカニズムの短時間解析
薬物や抗体の凝集阻害剤効果の評価や作用機構の解明
測定サンプル (A)センサー:β-アミロイド
(B)添加サンプル:β-アミロイド
(C)測定溶液:PBSバッファー
材料 1. β-アミロイドタンパク質 1-40・HCI塩(Peptide Institute, Inc.製)
2. β-アミロイドタンパク質 1-42・TFA塩(Peptide Institute, Inc.製)
結果 1. β-アミロイドタンパク質の凝集反応を確認
2. 凝集量は 1-40 ≪ 1-42 であった
3. Thioflavin T の結合からβ-シート構造を示唆

自己凝集タンパク質の凝集阻害効果をリアルタイムに測定できる。

測定例(リンク集)

(1)バイオ系

(2)材料系

(3)粘弾性

製品の紹介

AFFINIXシリーズ セレクションガイド

AFFINIX
QN Pro
AFFINIX
Q8
AFFINIX
QN μ
AFFNIX
QN
手軽な相互作用解析装置を導入したい
結合定数、速度定数を測定したい
サンプルの消費量を抑えたい
測定したいサンプルの数が多い
測定溶液に有機溶剤を混在させたい
有機溶剤を使用して固定化を行いたい ○* ○** ○*
吸着物の粘弾性を定量したい
溶液の粘性を定量したい

◎:特にお勧めです ○:お勧めです △:あまり得意ではありません -:測定できません

* 水晶分離型センサーをご利用ください。
** 測定カップを取り外してご利用ください。

物性変化・分子間相互作用定量QCM装置 AFFINIX®QN Pro

特徴

・吸着物の粘弾性解析
・膜厚算出などの物性評価も可能
・アドミッタンス解析法
・昇降温度自動プログラム

原理 アドミッタンス解析法(QCM-A法)


QN Pro 用センサーセル(消耗品)

AFFINIX QN Proの詳細へ

(1) AFFINIX®QN Proによる解析法

水晶振動子のコンダクタンスは共振周波数で最大値を示す

Fs:直列共振周波数(従来の発振法の周波数に相当)
F2:溶液の粘性負荷をキャンセル出来る周波数(質量感度はFsと同じ)
Fw:振動エネルギーの損失を表す周波数(溶液の粘性負荷のみも測定可)
Q:共振の鋭さを表す、水晶の品質係数
D:振動エネルギーの損失を表す半値幅/Fsで求められ、Fwとほぼ同じ情報

R:負荷がある水晶振動子の等価回路の抵抗成分(振動エネルギーの損失を表す)

CO:負荷がある水晶振動子の等価回路の静電容量
C1:負荷がある水晶振動子の等価回路の直列容量
L1:負荷がある水晶振動子の等価回路の直列インダクタンス

発振回路に接続して安定に振動している共振周波数を測定する方法(発振法)とは違い、AFFINIXQN Proの場合は、アドミッタンス解析法(QCM based on Admittance method:QCM-A)により計測をおこないます。

アドミッタンス解析法(QCM-A)とは、回路やデバイスの通過及び反射電力を測るネットワークアナライザやインピーダンスアナライザ等を用いる測定方法です。水晶振動子に高周波を入力し、水晶振動子の共振周波数近傍を掃引(sweep)することで電気的特性(インピーダンスや位相等)が測定できます。

取得したインピーダンスからアドミッタンスを求め解析をおこなうことで、共振周波数以外にも様々なパラメーターが取得可能となります。

(2) AFFINIX®QN Proで得られるパラメーター

名称 単位 概要
G’ 貯蔵弾性率 MPa G’(ジープライム)は、物体の歪みのエネルギーが応力として内部に蓄えられる成分で、粘弾性体の弾性成分を表すパラメーターの一つになります。
G” 損失弾性率 MPa G”(ジーダブルプライム)は、与えられるエネルギーが熱など他のエネルギーに変換されて損失してしまう成分で粘弾性の粘性成分を表すパラメーターになります。
tanδ 損失係数 G”/G’で求められます。
値が0の時は固体(粘性成分がゼロ)、値が∞の時は溶液(弾性成分がゼロ)になり、粘弾性体はその中間の値を示します。
μ 弾性率 MPa 変形のしにくさを表す物理量です。剛性率とも呼ばれます。Proの測定では粘弾性体の弾性成分を表すパラメーターの一つになります。
η 粘性率 mPas 物質に力を加えた時に変形が起こり、その力を取り除いても元には戻らない性質を表す物理量です。主には液体などが相当しますが、粘弾性薄膜解析では付着物の粘性成分を表します。
m 質量 μg/cm2 付着物の質量を算出しますが、付着物内部に水を含む場合はその水も含めた質量になります。
h 膜厚 nm 算出した質量と付着物の密度(入力必須)から膜厚を計算します。

(3)利用方法

AFFINIX QN Proで測定できるものとは?

AFFINIX QN Proでは、吸着物のと吸着した物体の柔らかさがわかる。

製薬、バイオ関連用途

微量(10μL)粘弾性測定 タンパクの構造変化

バイオ医薬品をプレフィルドシリンジ化するためにタンパク製剤を高濃度に充填する必要がある。
高濃度状態のタンパク凝集の評価の一つとして粘弾性特性評価が有効。

吸着タンパクの構造変化に伴う膜厚変化及びその構造体の硬さがわかる。

一般の粘弾性測定では必要サンプル量が多すぎる。
Proでは10μL測定で粘性と粘弾性を測定可能。
生体内と同じ水中におけるタンパクの機能解析に有効。

材料関連用途

ゲルの粘弾性測定 グリスの劣化評価

溶液からゲル状態への変化をリアルタイムで観測できる。

グリスの劣化を粘弾性の差により評価可能

自動昇降温プログラムにより温度依存性のゲルの粘弾性も解析できる。 グリスの劣化や、半固体材料比較に有効
10μl 程度の少量での評価が可能なため、回収した不良解析なども可能

分子間相互作用定量QCM装置 AFFINIX® Q8

特徴

・8センサー同時
・低容量測定を実現
・実験効率向上
・ランニングコスト低減

原理 発振法(QCM法)


Q8用センサー01(消耗品)

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分子間相互作用定量QCM装置 AFFINIX® QNμ

特徴

・水溶液系測定のベーシックタイプ
・1ch機で小型・軽量・安価
・増設で4台まで一括測定

原理 発振法(QCM法)


QNμ用センサーセル(消耗品)

AFFINIX QN μの詳細へ

分子間相互作用定量QCM装置 AFFINIX® QN

特徴

・材料分野の計測に真価を発揮するベーシックタイプ
・膜厚算出などの物性評価も可能
・1ch機で小型・軽量・安価
・増設で4台までの一括測定

原理 発振法(QCM法)


QN用センサーチップ(消耗品)

AFFINIX QNの詳細へ

AFFINIXシリーズの仕様

機種名 AFFINIX
QN Pro
AFFINIX Q8
機能限定モデル
AFFINIX Q8
標準モデル
AFFINIX
QN μ
AFFINIX
QN
測定原理 水晶発振方式
(QCMアドミッタンス解析法)
水晶発振方式(QCM発振法)
基本周波数 27/81 MHz 27 MHz
同時測定数 1 8 1~4
測定容量 400~550 μL 80~120 μL 80~120 μL 400~550 μL 5~11 mL
撹拌 300~1,000 rpm
可変
3,000 rpm
固定
100~3,000
rpm 可変
300~1,000 rpm
可変
設定温度範囲 10〜60℃ 25℃固定 10〜40℃ 10〜50℃ 0.1〜50℃
温度変更
プログラム

0.1,0.2 ℃/min
不可
Data output Fs, F2, Fw,Q, D, R,
(C0, C1, L1)
Fs

ユーザー使用例

高草木 洋一 先生
量子科学技術研究開発機構 放射線医学総合研究所 (元 東京理科大学)
ご使用装置 AFFINIX Q
先生のご研究を教えてください。
抗がん剤をはじめとする、さまざまな低分子化合物とタンパク質との相互作用を検出する研究です。低分子化合物が生体内に投与されると、主作用および副作用をはじめ、吸収、分布、代謝、排泄 (ADME)などに関わるさまざまなタンパク質と相互作用してその生物活性を示します。個々の化合物につきその相互作用相手となるタンパク質を特定し、生体内での挙動を網羅的に明らかにしてゆくことを目標としています。
先生からみたAFFINIXシリーズの特長などを教えていただけますか?
構造がシンプルであり、メンテナンスも簡便であることから、学生や初心者にとっても非常に扱いやすい装置です。また、キュベットタイプの構造が、PD法をはじめとしたディスプレイクローニング技術の基盤としても最適です。それ以外にも、他の実験技術と組み合わせることでそれらの性能を向上させたり、相互作用測定ツールとして幅広い分野の研究に対応するなど、アイデア次第でその可能性は無限に拡がると思います。
星野 友 助教
九州大学大学院 工学研究院化学工学部門
ご使用装置 AFFINIX Q4 AFFINIX QN Pro
星野先生のご研究を教えてください。
合成高分子と生体高分子の相互作用メカニズムを解析しています。具体的には、粘弾性の異なる合成高分子を合成し、タンパク質の合成高分子への結合・解離速度がどの様に粘弾性の影響を受けるかを調べています。
先生からみたAFFINIXシリーズの特長などを教えていただけますか?
AFFINIX QN Proは、ナノサイズの高分子材料の粘弾性を簡単に調べることが出来るので非常に重宝しています。また、AFFINIX Q4を使えば、一度に4つの実験を同時に行うことが出来るため、コントロール実験と再現性確認の実験を一日で行うことが出来るので研究効率が飛躍的にあがっています。
小野田 晃 助教
大阪大学大学院 工学研究科 応用化学専攻
ご使用装置 AFFINIX QN μ
先生のご研究を教えてください。
バイオマテリアルやバイオデバイスの材料となるタンパク質あるいはタンパク質-核酸から構成される人工的なナノ集合体について研究をしています。
先生からみたAFFINIXシリーズの特長などを教えていただけますか?
非常に簡便に測定できる点と思います。AFFINIXを購入するまで、我々のグループではQCMを使用した経験がありませんでしたが、最初の条件の探索さえクリアすれば、非常に良いデータが得られるようになりました。

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