理解聚合物多层膜沉积过程

应用光波导光模光谱（OWLS）和带阻抗石英晶体微天平（QCM-I），结合QCM-I和OWLS测量结果理解聚合物多层膜沉积过程。

引言

对表面活性膜吸附的理解是比较复杂的。比较有用的实时技术能提供多个片段信息. 然而，通过结合不同技术才能获得更为清晰的认知。¹ QCM-I测量有关表面膜水合质量和刚性的变化。将这一结果与光学技术如OWLS相结合，则聚合物和相关离子的“干质量”可以从水合质量中区分出来。如此便实现了对正在发生的过程的更为深入的了解，明显减少了歧义。

实验介绍

本应用报告报道的是从“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传感晶片和ITO涂布OWLS芯片上的实验”中获得的数据。

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。

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以及半峰宽（半高全宽，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。

OWLS设备监测光波导传感芯片的TE和TM光波导模式，可以计算覆盖膜的厚度和RI。结果可以采用Feijter方程1转换为“干”质量，对于有关材料采用标准dn/dc值

Results

图1 PEI和PSS多层沉积样品过程注射和冲洗阶段的质量（F1和F3）和半峰宽变化。蓝色阴影区域标识样品注射阶段。

图1显示了当PEI和PSS层膜被吸附到ITO表面时，QCM-I仪器计算获得的质量和半峰宽变化。² 此结果创建了图2所示的近似示意模型。然而，由于PEI具有一定的水化程度，很难分清每一PEI层加入的质量中多少是聚合物和离子，又有多少是水。相似的，很难说少量的PSS是否仅仅简单地固定了水合PEI层，还是确实取代了部分PEI。

图2 PEI/PSS聚合物多层堆积模型

图3显示了QCM-I质量以及由OWLS实验计算的质量。结合两项技术，现在就可以计算每一层的聚合物体积比了，以数值的方式呈现。由图中体积分数的增加可见，PSS比PEI加了更多的聚合物质量，明显减小了下层PEI膜的水合程度，而且当每双层加入时质量差异保持相同。

该结果帮助我们对沉积过程有了明显更加清晰的理解。

图3 PEI和PSS多层沉积过程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。

参考文献:

1 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

2 QCM-I application Note No 0015.

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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