Introduction
Rasterkraftmikroskopie (AFM) ist eine Technik, die qualitativen und quantitativen Bildgebung ermöglicht und Sondieren einer Materialoberfläche. 4-6 Traditionell AFM wird für die Bewertung der Oberflächentopographie, die Morphologie und Struktur der mehrphasige Materialien verwendet. AFM hat die Fähigkeit, quantitativ zu bewerten Nano-Wechselwirkungen, wie Ladung, Anziehung, Abstoßung und Adhäsionskräfte zwischen einer spezifischen Sonde und Substrat in Luft und flüssigen Medien. 7,8 Die ursprünglich von Binning, Quate und Gerber 9 Zwecke entwickelt AFM eine Sonde bekannt / ermittelte Empfindlichkeit und Federkonstante zu nähern und / oder zu scannen eine Probe. Aufgrund der physikalischen Wechselwirkungen zwischen der Sonde und der Probe, wird der Ausleger in Kontakt oder die Nähe lenkt und in Abhängigkeit von der Betriebsart, kann diese Auslenkung übersetzt werden, um die Topographie der zwischen der Sonde und der Probe vorliegende Muster oder messen Kräfte erfassen. Änderungen an der AFM-techque, wie kolloidale Sonde Nanoskopie, 10 haben Wissenschaftler erlaubt, direkt bewerten die Nano-Kraftwechselwirkungen zwischen zwei in einem kolloidalen System der Interessen vorhandenen Materialien.
In kolloidalen Sonde Nanoskopie wird ein kugelförmiges Teilchen der Wahl, um die Spitze eines Auslegers befestigt und ersetzt die traditionellen Kegel-und Pyramidenspitzen. Ein sphärischer Partikel ist ideal, um Vergleich mit theoretischen Modellen wie dem Johnson, Kendal, Roberts (JKR) 11 und Derjaguin, Landau, Vervwey, Overbeek (DLVO) 12-14 Theorien und um den Einfluss der Oberflächenrauhigkeit auf die Messung zu minimieren ermöglichen. 15 Diese Theorien werden die Kontaktmechanik und Kräfte zwischen den Teilchen in einem kolloidalen System erwartet definieren. Die DLVO-Theorie verbindet die attraktive van-der-Waals Kräfte und abstoßenden elektrostatischen Kräfte (wegen der elektrischen Doppelschichten) quantitativ zu erklären, das Aggregationsverhalten von wässrigen kolloidalen Systemen, während die JKR Theorie beinhaltet die Wirkung der Kontaktdruck und die Haftung an elastischen Kontakt zwischen zwei Komponenten zu modellieren. Sobald eine geeignete Sonde erzeugt wird, wird es verwendet, um andere Material / Partikel nähern, um die Kräfte zwischen den beiden Komponenten zu beurteilen. Mit einer Standardspitze hergestellt wird man in der Lage, Wechselwirkungskräfte zwischen dieser Spitze und einem Material der Wahl zu messen, aber der Vorteil der Verwendung eines maßgeschneiderten kolloidalen Sonde ermöglicht die Messung zwischen innerhalb des untersuchten System vorhandenen Materialien vorhanden Kräfte. Messbare Wechselwirkungen sind:.. Klebstoff, attraktiv, abstoßend, Ladung und zwischen den Teilchen vorhanden, auch elektrostatische Kräfte 16 Zusätzlich wird die kolloidale Sondentechnik kann zwischen Teilchen und Materialelastizität vorhanden tangentiale Kräfte zu erforschen 17,18
Die Möglichkeit, Messungen in verschiedenen Medien durchzuführen ist eines der großen Vorteile von kolloidalem Sonde Nanoskopie. Umgebungsbedingungen, flüssige medien oder feuchtigkeitskontrollierten Bedingungen können alle verwendet werden, um Umgebungsbedingungen des Systems untersucht werden, nachahmen. Die Fähigkeit, Messungen in einer flüssigen Umgebung durchzuführen ermöglicht die Untersuchung von kolloidalen Systemen in einer Umgebung, die es natürlicherweise vorkommt; somit in der Lage, quantitativ Daten, die direkt übersetzbar dem System in seinem natürlichen Zustand zu erwerben. Zum Beispiel können Teilchen-Wechselwirkungen innerhalb Dosieraerosolen (MDI) enthalten mit einem Modell flüssiges Treibmittel mit ähnlichen Eigenschaften wie das Treibmittel in Dosieraerosolen verwendet sucht werden. Die gleichen Wechselwirkungen gemessen in Luft nicht repräsentativ für das System in dem Inhalator vorhanden ist. Ferner kann das flüssige Medium modifiziert werden, um die Wirkung von Feuchtigkeitseintritt, einem sekundären Tensid oder Temperatur auf die Teilchen-Wechselwirkungen in einem MDI zu bewerten. Die Fähigkeit zur Steuerung der Temperatur verwendet werden, um bestimmte Schritte bei der Herstellung von kolloidalen Systemen nachzuahmen, wie Temperatur entweder bei der Herstellung oder auszuwertenSpeicher kolloidaler Systeme können einen Einfluss auf Teilchen-Wechselwirkungen.
Messungen, die unter Verwendung von kolloidalem Sonden erhalten werden können, umfassen; Topographie Scannen, individuelle Kraft-Weg-Kurven, Kraft-Weg-Haft Karten und wohnen Kraft-Weg-Messungen. Wichtige Parameter, die mit der in diesem Papier kolloidalen Sonde Nanoskopie-Methode gemessen werden, umfassen das Snap-In, max Last-und Trennenergiewerte. Snap-in ist ein Maß für die Anziehungskräfte, max laden Sie den Wert der maximalen Haftkraft, und die Trennenergie vermittelt die erforderlich ist, um das Teilchen aus zurückzutreten Energie. Diese Werte können durch sofortige oder Haltekraftmessungen gemessen werden. Zwei verschiedene Arten von Halte Messungen umfassen Auslenkung und Vertiefung. Die Länge und die Art der Messung kann Verweilzeit speziell ausgewählt werden, um spezifische Interaktionen, die innerhalb eines Systems von Interesse vorhanden sind, nachzuahmen. Ein Beispiel ist die Verwendung Ablenkung Verweildauer - das hältdie Proben in Kontakt mit einer gewünschten Härtewert - die Klebeverbindungen, die in Aggregaten in Dispersionen gebildet entwickeln, zu evaluieren. Die Klebeverbindungen gebildet werden, als eine Funktion der Zeit gemessen werden kann und einen Einblick in die erforderlich ist, um die Aggregate nach längerer Lagerung redispergieren Kräfte. Die Fülle von Daten, die mit diesem Verfahren erhalten werden kann, ist ein Beweis für die Vielseitigkeit der Methode.
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Protocol
1. Vorbereitung der Probe und AFM Kolloidales Substrat
- Um kolloidalen Sonden herzustellen, verwenden Sie ein zuvor von den Autoren entwickelten Methode. 19.
- Kurz gesagt, mit einem 45 °-Winkel Halter, eine spitzenlose Freischwinger im bestimmten Winkel von 45 ° (Abbildung 1A) zu befestigen.
- Bereiten Sie eine Epoxy Folie durch Bestreichen Sie eine dünne Schicht Epoxidharz auf einen Objektträger. Mit einem sauberen Spatel oder einem langsamen Stickstoffstrom, um sicherzustellen, daß die Schicht aus Epoxidharz auf dem Objektträger zugesetzt ist der minimale Höhe.
- Befestigen Sie die Folie in eine Epoxy-40X optischer Zoom Mikroskop-Objektiv mit einem kundenspezifischen Halter (Abbildung 1B). Dann nutzen Sie die Freischwinger, die Epoxy-Folie nähern und erwerben Sie eine kleine Menge von Epoxy auf den Ausleger.
- Diese Schritte wiederholen, um auch ein einzelnes Partikel von Interesse zu befestigen an der Spitze des Auslegers (Fig. 1C).
- Bereiten Sie die AFM-Substrat durch die Anbringung kolloidalen ParTeilchen auf einer AFM-Deckglas mit einem thermoplastischen Klebstoff für die Befestigung.
- Erhitzen Sie eine 35 mm Runddeckglas bis 120 ° C und eine kleine Menge des Klebers auf dem Deckglas. Die hohe Temperatur ist erforderlich, um den thermoplastischen Klebstoff zur Anwendung zu schmelzen.
- Dann kühlen, das Deckglas auf 40 ° C vor Bestäuben der kolloidalen Teilchen auf den Leim. HINWEIS: Bei 40 ° C wird der Klebstoff ausreichend festgelegt, daß die Teilchen nicht in den Klebstoff eingebettet werden, aber der Klebstoff klebrig genug ist, um sicherzustellen, dass die Partikel an dem Substrat haften.
- Weitere kühlen das Deckglas auf RT und verwenden Sie einen leichten Stickstoffstrom abgeblasen überschüssige ungebundene Partikel.
- Das Substrat mehrere Male mit dem flüssigen Medium, das für kolloidale Sondenmessungen verwendet werden waschen, damit alle losen Partikel von dem Substrat entfernt. HINWEIS: Dies ist wichtig, um die Auswirkungen von frei fließenden Teilchen während der Messung zu reduzieren, können die unterhandeln mit dem Ausleger und Fehler in den Ergebnissen vor.
2. Montage des Kolloidales Probe, Ausrichten Laser und äquilibrierende-System
- Montieren Sie das Deckglas mit der kolloidalen Teilchen in die untere Hälfte eines Flüssigkeitszelle, um sicherzustellen, dass der O-Ring korrekt sitzt, jede Auslaufen zu verhindern.
- Legen Sie eine hydrophobe transparente Folie auf den Mikroskoptisch, gegen jede Flüssigkeit, die während des Experiments kann auslaufen zu schützen, vor allem, wenn nur über die untere Hälfte eines Flüssigkeitszelle für die Messung, und legen Sie die Flüssigkeitszelle auf den Mikroskoptisch. HINWEIS: Der Einfachheit halber kann man nur die untere Hälfte einer Flüssigkeitszelle zu verwenden, da das System ausreichend äquilibriert werden; Tipp - die Verdunstung ändert den Zustand der Messung und Auswirkungen der Ergebnisse / Lesen.
- Befestigen Sie das kolloidale Sonde an die AFM-Messkopf und montieren auf die AFM. Mit der AFM-Instrument-Software auf, verwenden Sie die Knöpfe auf derScannen Kopf, um die Blattfederspitze in den Fokus zu bringen. HINWEIS: Alle Verfahrensschritte und Messungen wurden mit einem MFP-3D AFM-Bio mit Asylum Research Software abgeschlossen.
- Um Intensität maximieren, richten Sie den Laser auf die Spitze des Auslegers mit den entsprechenden Einstellungsknöpfe auf der Scan-Kopf.
- Damit das System für 5-10 Minuten oder bis der Biegungswert stabilisiert äquilibrieren. Verwenden Sie die Ablenkung Einstellknopf, um die Ablenkung auf Null oder leicht negativ zu bringen.
- Nachdem das System in der Luft ins Gleichgewicht, verwenden Sie die AFM-Software (Thermal-Panel im Fenster Master Panel) thermisch zu berechnen die InvOLS (Empfindlichkeit) und Federkonstante der kolloidalen Sonde. HINWEIS: Diese Empfindlichkeit wird vorübergehend verwendet werden, bis die wahre Empfindlichkeit wird bei Beendigung der Messung gemessen werden (siehe Schritt 4).
- Wählen Sie entweder "Cal Federkonstante" oder "Cal InvOLS" und klicken dann auf "Capture Thermische Daten".
- Einmalein prominenter Spitzen ist offensichtlich, stoppen Sie die Erfassung von Daten, und klicken Sie zum Vergrößern auf die Hauptgipfel.
- Klicken Sie auf "Initialisieren Fit", gefolgt von "Fit Thermal-Daten", die automatisch berechnet Federkonstante oder InvOLS Werte zu erhalten.
- Langsam 2 ml des flüssigen Mediums zu der Flüssigkeitszelle unter Verwendung einer Spritze und sicherzustellen, dass keine Blasen auf der Ausleger vorhanden sind. Neuausrichten der Laser, da der Brechungsindex des Mediums ändert sich jetzt und wieder ins Gleichgewicht des Systems ermöglicht die Ablenkung Wert vor der Einstellung der Auslenkung auf Null zu stabilisieren. HINWEIS: Wenn ein großer Temperaturunterschied zwischen der Umgebung und Flüssigkeit vorhanden ist, wird Ausgleich länger dauern.
3. Imaging und Datenkommunikation
- Setzen Sie den ersten Scangröße bis 20 um, scannen Rate auf 1 Hz, Scanwinkel bis 90 °, Sollwert auf 0,2 V und erhalten einen Scan der Probe. Stellen Sie die Verstärkung wie notwendig, um überlappenden Spuren erhaltenund verfolgen Kurven.
- Sobald ein Teilchen von Interesse gefunden wird, sofort auf, dass die Partikel vergrößern Zum erweiterten Sonden-Wechselwirkungen mit dem Substrat vor dem Erhalt Kraft Volumenmessungen beschränken.
- Sobald gezoomt, erwerben eine ausreichende Bild eines einzelnen Teilchens oder Teil eines einzelnen Teilchens. Dann in die Macht-Panel wechseln in der Software. Bringen Sie den roten Positionsleiste in die höchste Position, stellen Sie den Abstand Kraft bis 5 um, Scan-Rate auf 0,1 Hz, Trigger-Kanal zu keinen und führen eine Einzelkraft-Messung. Stellen Sie sicher, dass die Sonde nicht in Kontakt mit dem Substrat.
- Vom Einzelmesskurve erhalten, die Berechnung der Biegelinie virtuelle mit der rechten Maustaste auf das Grafikfenster, und wählen Sie die Option "Berechnen Virtuelle Def Line". Dieser berechnet dann automatisch die virtuelle Ablenkung und aktualisieren Sie den Wert wie in der Software nötig.
- Ändern Sie den Triggerkanal, bis zu 20 nm Auslenkung und den Triggerpunkt. Stellen Sie die Kraft distrungs bis 1 um und stellen die Scangeschwindigkeit, wie gewünscht in Abhängigkeit von den gemessenen Kräften von Interesse.
- Den Wert manuell einstellen für die Ablenkung Inverse Optical Lever Empfindlichkeit (InvOLS) in der Bewertung Waffensteuerung nach Durchführung 2-3 aufeinander folgenden vorläufigen Einzelkraft-Messungen.
- Führen Sie eine Einzelkraft-Messung, dann klicken Sie auf den "Review"-Taste auf der Force-Panel, das einen Haupt-Kraftsteuerung wird geöffnet.
- Markieren Sie den zuletzt abgeschlossenen Kraftmessung. Unter der "Achse" Überschrift sicherzustellen, dass nur "DeflV" aktiviert ist. Ändern Sie den "X-Achse" Eingabefeld auf "September" über das Dropdown-Menü und klicken Sie auf "Grafik zu machen."
- Klicken Sie auf "Parm" Vorsprung auf der Haupt-Kraftsteuerung und stellen Sie den Wert von "InvOLS", bis die Kontaktbereich des Graphen ist völlig senkrecht. Dann bevölkern diesen Wert im Feld "Defl InvOLS" unter der Cal befindet60; Unterregisterkarte in der Registerkarte Force für die Haupt Master Panel-Fenster.
- Wiederholen Sie diesen Vorgang 2-3 mal, um sicherzustellen, dass die InvOLS Wert nicht wesentlich ändern.
- Nun, da alle Parameter eingerichtet wurden, sorgen dafür, dass das flüssige Medium Ebene ist immer noch ausreichend und dass die Ablenkung ist immer noch stabil. HINWEIS: Zu diesem Zeitpunkt können einzelne Kraftkurven oder Kraft Karten erhalten werden. Wenn Verweilzeit Kraftmessungen gewünscht werden, können die Haltemöglichkeiten in der Macht-Panel zugegriffen werden.
4. Post-Abstimmung der Empfindlichkeit für Analysis
- Nach Abschluss der Messwerterfassung, Messung der tatsächlichen Empfindlichkeit des kolloidalen Sonde. Um dies zu tun, führen Sie eine Kraftmessung mit einem relativ großen Ablenkung / Kraft mit der kolloidalen Sonde in der gleichen flüssigen Medium gegen ein "unendlich" harte Oberfläche wie Glimmer. HINWEIS: Die Empfindlichkeit wurde nach Abschluss der Experimente erhalten, da die große Auslenkung / Kraft kann collo beschädigenidal Sonden mit porösen oder zerbrechliche Kolloide vorbereitet.
- Die Neigung der Kontaktbereich wird durch die Software verwendet, um die Empfindlichkeit (Fig. 2) automatisch berechnet werden. Mit dieser wahren Wert der Empfindlichkeit während der Datenanalyse aller mit, dass insbesondere kolloidale Sonde erhaltenen Kurven.
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Representative Results
Flüssige kolloidale Systeme sind für verschiedene pharmazeutische Drug Delivery-Systemen verwendet wird. Inhalationsmedikamentenlieferung ist ein gemeinsames System der kolloidalen Suspension unter Druck Dosieraerosol (pMDI). Teilchen-Wechselwirkungen in der vorliegenden Druckdosieraerosol spielen eine wichtige Rolle bei der Formulierung der physikalischen Stabilität, Lagerung und Drug-Delivery-Uniformität. In diesem Manuskript wurden interpartikuläre Kräfte zwischen porösen Lipid-basierte Partikel (~ 2 um optische Durchschnittspartikeldurchmesser) in einem Modell Treib (2H, 3H-Perfluorpentan) bei Raumtemperatur untersucht, um die Funktionalität und mögliche Fehler des präsentierten zugehörigen vermitteln Verfahren.
Abbildung 3 zeigt zwei repräsentative kolloidalen Sonden mit den Lipid-basierte inhalierbaren Partikeln, die für kolloidale Sonde Nanoskopie verwendet werden können, vorbereitet. Es ist wichtig, dass ein einzelnes kolloidales Teilchen ist an der Spitze des Auslegers so befestigt ist, dass es das wichtigste Merkmal und wird der erste Punktder Kontakt während der Messung. Dies stellt sicher, dass die Wechselwirkungen gemessen werden allein durch die Kolloidpartikel. Anbringen mehrerer Teilchen oder Partikel-Agglomerate können zu fehlerhaften Ergebnissen (Abbildung 4) durch mehrere Auslegerbiegungen von beiden Teilchen gleichzeitig Abtasten der gleichen einzelnen Teilchen vorhanden auf dem Substrat verursacht zu produzieren. Verwendung richtig vorbereitet kolloidalen Sonden können topographische Bilder einer Partikelsubstrat, wie sie in Fig. 5 gezeigt, in einem flüssigen Medium erreicht werden.
Topographie Scans mit einer kolloidalen Sonde weniger definiert als diejenigen, die eine geschärfte konische Spitze erhalten wird; jedoch in CPN, ist der Hauptzweck einer topographischen Scan, um ein Teilchen auf dem Substrat, die verwendet werden können, um die Wechselwirkungen zwischen den Teilchen zu bewerten lokalisieren. Abbildung 6 vermittelt mehrere Kraftkurven kann man bei der Durchführung von kolloidalen Sondenmessungen in einem flüssigen Medium begegnen . Flüssigkeitsmessungenenthalten weitere Fehlerquellen bei der Messung und man sollte bewusst sein, alle Quellen ihre Auswirkung auf die Genauigkeit der Messung (Fig. 6A) entsprechend zu minimieren.
Die schnellen und scharfen Spitzen in der Kraftverlauf in 6B offensichtlich sind, der eine plötzliche Störung auf das System während der Messung. Dies kann zu AFM-Instrument oder eine plötzliche Bewegung Rauschen im Hintergrund (zB Türenschlagen, Niesen), die in einem kurzen Zeitraum sofort und schnelle Destabilisierung führt zurückzuführen. In 6C wird die Schwankung der Ausgangswert in der An-und Abfahren des Auslegers vorschlagen, ein Problem mit dem flüssigen Medium. Dies kann auftreten, wenn der Flüssigkeitszelle nicht ausreichend gefüllt wodurch die Verdampfung des Mediums, um einen großen Einfluss auf die Stabilität des Systems und Messung haben. Eine alternative Quelle dieser Instabilität kann durch unsachgemäße Gleichgewicht des Auslegers in der liqu seinid Medium vor der Analyse. Der Ausleger ist empfindlich auf Veränderungen der Temperatur und Aktionen wie "Nachfüllen" die Flüssigkeitszelle ausreichend Reäquilibrierung Zeit benötigen. 6D zeigt ein Grundlinienverschiebung während der An-und Abfahrt Zyklus. Dieses saubere Verschiebung ist nicht existent während momentanen Kraftmessungen, ist aber in Haltekraftmessungen deutlicher. Diese Drift ist ein Effekt des Auslegers thermische Drift, die aus mehreren Gründen auftreten: langsame Verdampfung des flüssigen Mediums, die zu einer Änderung in der Temperatur des Mediums, unter Verwendung eines Mediums, die noch Äquilibrierung wird die Umgebungstemperatur, oder die Durchführung Messung in einer Umgebung, die nicht optimal gesteuert wird. Minimale stetige Veränderungen in der Temperatur des flüssigen Mediums während der Messung erzeugen, so driftet. Diese Art der Messung Drift schwer zu hohen Verdampfungs Flüssigkeiten zu steuern, es sei denn, ein geschlossener Flüssigkeitszelle während der Messung verwendet werden; however, können die meisten AFM-Analyse-Software wie Drifts zu korrigieren.
Nachdem alle steuerbaren Fehlerquellen wurden gelindert und das System entsprechend äquilibriert, kann die Haftung Mapping verwendet werden, um einen großen Körper der statistischen Daten in einer bestimmten Größe der Probe zu erhalten. Kraftzuordnung kann unabhängig oder in Verbindung mit Umfelderkennung verwendet, um den Effekt der Topographie auf Partikelhaftkräfte (7) auszuwerten. Kraftzuordnung liefert zwei Hauptgraphen interessant: eine topographische Karte der Probe basierend auf der Höhe, in der die freitragenden Kontakt mit dem Substrat (7A) und eine Haftkartenförder die maximale Zugkraft des einzelnen Kraftkurve (Fig. 7B). Der Graph in Abbildung 7B kann auch verwendet werden, um eine numerische Mittelwert und Standardabweichung der Haftung zu erhalten und Snap-In Kräfte sowie Trennung Energien über die gesamte Probe werden. Diese Rohdaten graphs als dreidimensionale Darstellungen der Topographie oder der Ausbreitung der Haftungsmessungen über die Probe (7C / D) betrachtet werden und sie überlagert wird eine dreidimensionale Darstellung der Verteilung der Haftkräfte in Abhängigkeit von der Topographie zu erzeugen ( 7E). Diese Art der Daten bietet kritisches Verständnis der zwischen Kolloiden und wie die Oberfläche der Kolloide weiterer Effekt Wechselwirkungen vorhanden Kräfte.
Zudem wohnen Kraftmessungen können verwendet werden, um die Wirkung der Kontaktmechanik und Kontaktlänge auf der Haftkräfte bewerten. Feste Lipidpartikel wurden verwendet, um die Wirkung der Verweilzeit auf die gemessenen Klebkräfte (Fig. 8) zu transportieren. Abbildung 8 zeigt, dass Haftkräfte Anstieg als Funktion der Zeit unter Verwendung Vertiefung Verweilzeit, während sie mit Ablenkung Verweilzeit Plateau. Dieser Trend wird bei längeren Verweilzeiten (180 sec) deutlicher.
.. Abbildung 1 Darstellung des kolloidalen Sonden für kolloidale Sonde Nanoskopie herzustellen Verfahren (A) AFM-Cantilever, auf einer speziell entworfenen 45 ° Auslegerhalter angebracht ist, (B) Epoxy / Kornschieber zu einem sekundären Halter angebracht, die auf geschoben wird das Mikroskopobjektiv, (C) der Ausleger langsam erhöht bis zum Epoxid und eine Partikel erwerben.
2. Die Empfindlichkeit des Auslegers ist die Neigung der Kontaktbereich gegen eine Auslenkung z-Abstands-Kurve.
4. Verwendung einer Sonde, die mehrere kolloidale Teilchen angebracht hat, kann in der fehlerhaften Verdoppelung auf dem Substrat eine einzige vorliegende Partikel während der Umfelderkennung des Substrats führen.
Abbildung 5. Topographie Scans mit einem richtig vorbereitet kolloidalen Sonde erhalten. (A) Ein großerScan enthüllt mehrere Teilchen von Interesse; (B) eine gezieltere Scan enthüllt einen großen Teilchen von Interesse; (C) ein Scan auf der Oberfläche eines einzelnen Teilchens konzentriert.
.. Abbildung 6 Kraft-Kurven mit verschiedenen Einschränkungen, man muss sich bewusst sein, erhalten (A) Beispiel für eine gute Kraftkurve, (B) Kraftkurve, die eine Störung entweder durch die Bewegung des AFM oder während der Messung vorhandene Rauschen, (C ) Schwankung aufgrund un-äquilibriert Ausleger kann zu instabilen Ansatz führen / einfahren, während einer Messung, existent (D) vorhandene Wärme aufgrund der langsamen Verdampfung Drift, die zu Kühlung des Mediums oder instabile Umweltkontrolle.
.. Abbildung 7 Adhäsionskraft Zuordnung, die unter Verwendung von kolloidalem Sonde Nanoskopie erhalten werden können (A) Topographische Verteilung der Probenoberfläche;. (B) Verteilung von max Haftkraft über die Probe (C / D) 3-dimensionale Darstellungen der Graphen dargestellt in A bzw. B, (e) Überlagerung der Topographie und Adhäsionskräfte Herstellung einer einzigen dreidimensionalen Darstellung der Haftkräfte als Funktion der Topographie.
Figur 8. Gemessen als Funktion der Verweilzeit unter Verwendung von zwei unterschiedlichen Verweilzeiten Messungen (n = 30), (◊) ind Adhäsionskräftesentation (□) Ablenkung; * Zeigt einen signifikanten Unterschied zwischen den Werten an dem bestimmten Zeitpunkt unter Verwendung eines zweiseitigen t-Test mit 95% (P <0,05).
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Discussion
Mehrere Quellen der Instabilität des Systems während der Flüssigkeits kolloidalen Sonde Nanoskopie vorhanden ist, kann leicht durch eine angemessene Ausgleichsverfahren gemildert werden. Instabilitäten wie besprochen zuvor in fehlerhaften Ergebnissen und Kraftkurven, die schwieriger zu analysieren sind objektiv führen. Wenn alle Quellen der Instabilität wurden gepflegt und ähnlich der in Fig. 4 gezeigten Graphen noch vorhanden sind, kann ein weiterer Messparameter der Grund sein. Weitere Messparameter, die während kolloidale Sonde Nanoskopie wichtig zu prüfen sind, gehören die Geschwindigkeit, mit der sich der Ausleger eingerückt ist und von der Probe eingefahren und den Triggerpunkt der Kraftmessung. Zusätzlich ist anzumerken, dass die Lage des kolloidalen Sonde Zentrum kann von einem herkömmlichen AFM-Spitze sein. Daher ist es ratsam, den Laserpunkt direkt über der Mitte der Abtastung Teilchenposition um die Messgenauigkeit zu maximieren.
Icht ist wichtig, um eine Geschwindigkeit, die ausreicht, um die Kraft einer daran interessiert sind, und eine, die geeignet ist, in dem flüssigen Medium zu verwenden ist, zu wählen. Wenn nur an den zwischen den Teilchen vorhanden Adhäsionskräfte, die Annäherungsgeschwindigkeit ist nicht kritisch. Doch für anziehende und abstoßende Kraft zwischen den Teilchen Messungen, die Wahl eine An-und Abfahrt, die Geschwindigkeit langsam genug ist, ist wichtig. Eine Annäherungsgeschwindigkeit gewählt werden, damit die Wechselwirkungen und nicht die Geschwindigkeit, um die Auslenkung des Cantilevers zu beherrschen. Ein schneller Ansatz überschatten und nicht genügend Zeit für die attraktiven Wechselwirkungen zu bilden, während eine sehr langsame Annäherung in einem flüssigen Medium instabil Basislinien ähnlich 6C zu produzieren. Die Instabilität, die durch eine langsame Annäherung verursacht wird, weil die Flüssigkeit Auftriebskraft auf den Ausleger ist ähnlich wie die Kraft in der Freischwinger-Ansatz verwendet.
Ein weiterer Messparameter, die vor der Daten berücksichtigt werden sollten,Nahme ist der letzte Auslösekraft. Eine zu große Auslösekraft kann in großen Verformungen während der Messung führen und kann sogar die Sonde oder der Probe in Abhängigkeit von den Materialeigenschaften zu zerquetschen. Alternativ zu kleinen Kraft zu ungenauen Ergebnissen führen, da die Flüssigkeitsschicht zwischen der Sonde und der Probe nicht in ausreichendem Maße aus dem Raum zwischen den Teilchen geschoben werden, wodurch die gemessene Wechselwirkung nicht Teilchen-Teilchen. Verfahren Optimierung ist wichtig, richtig zu screenen und Testen verschiedener Messparameter, um sicherzustellen, daß die erhaltenen Daten darstellbar ist und genau.
Force-Karten in 7 gezeigt, können große Datenmengen auf einfache Weise erhalten werden. Die Auflösung der topographischen Karte und anschließend überlagert dreidimensionale Darstellungen sind direkt mit der Anzahl der Messungen durchgeführt, zusammen. Jedoch, obwohl eine größere Anzahl von Datenpunkten Bilder mit höherer Auflösung zu erzeugen, Scanzeiten stark erhöht werden kann.Keeping flüssigen Messsysteme stabil ganzen Kraft Mapping kann in Abhängigkeit von den flüssigen Medium und den Umweltschutz eine Herausforderung sein. Flüssigkeitsverdampfung, die eine der größten Sorgen ist, kann durch regelmäßige "Nachfüllen" des Systems mit zusätzlicher Flüssigkeit begrenzt werden. Es ist jedoch wichtig, dass die Abtastung unterbrochen und ausreichend Zeit zur Wieder Äquilibrierung des Systems vor der Wiederaufnahme der Messung gegeben. Eine geeignete Abtastzeit gewählt werden sollte, um sicherzustellen, dass das System stabil, um die Genauigkeit der Messungen zu gewährleisten, gehalten werden.
Die Fähigkeit zur momentanen Kraftkurven durchzuführen, wohnen Kraftkurven und große Datenmengen von Gewalt Karten vermittelt die Vielseitigkeit des kolloidalen Sonde Nanoskopie bei der Bewertung in kolloidalen Systemen vorhanden in Umgebungen, die natürlich auftretenden Wechselwirkungen nachahmen. Mit der Methode detailliert hier erhaltenen experimentellen Daten können wichtige Einblicke in kolloidalen Stabilität, elektrostatische Wechselwirkungen stellen einnd Koagulation Kinetik. Diese Informationen können verwendet werden, um Bildschirm und auf gegenwärtigen oder kolloidale Systeme in verschiedenen Branchen zu verbessern. Außerdem kann dieses Verfahren mit biologischen Zelllinien verwendet werden, um die Wirkung bestimmter Medikamente oder Materialien (auf einer Kolloid Sonde hergestellt) auf Zell-Wechselwirkungen und Funktionen ausgewertet werden. Dies kann bieten einen großartigen Einblick in kleinen Molekül, Arzneimittelforschung und Formulierung Design. Darüber hinaus mit der jüngsten Fortschritte in der Fähigkeit, Submikrometerbereich und sogar Nano-kolloidalen Sonden erzeugen, kann man die hier vorgestellte Methode verwenden, um sogar Nano-kolloidale Systeme zu studieren.
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Acknowledgments
Die Autoren erkennen (1) finanzielle Unterstützungen von der Abteilung Wissenschaft & nanobiomedical BK21 PLUS NBM Global Research Center für Regenerative Medizin in Dankook-Universität und von der Schwerpunktzentren-Programm (Nr. 2009-0093829) von NRF, der Republik Korea, (gefördert 2) die Einrichtungen und die wissenschaftliche und technische Unterstützung, der australischen Zentrum für Mikroskopie und Mikroanalyse an der Universität von Sydney. HKC dankt dem Australian Research Council für die finanziellen Unterstützungen durch eine Discovery Project Grant (DP0985367 & DP120102778). WM dankt dem Australian Research Council für die finanziellen Unterstützungen durch eine Verbindung Projektförderung (LP120200489, LP110200316).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Double-Bubble Epoxy | Hardman | 4004 | |
| Veeco Tipless Probes | Veeco | NP-O10 | |
| Porous Particles | Pearl Therapeutics | ||
| Atomic Force Microscope (MFP) | Asylum | MFP-3D | |
| SPIP Scanning Probe Image Processor Software | NanoScience Instruments | ||
| 35 mm Coverslips | Asylum | 504.003 | |
| Tempfix | Ted Pella. Inc. | 16030 |
References
- Sindel, U., Zimmermann, I. Measurement of interaction forces between individual powder particles using an atomic force microscope. Powder Technology. 117, 247-254 (2001).
- Ducker, W. A., Senden, T. J., Pashley, R. M. Direct measurement of colloidal forces using an atomic force microscope. Nature. 353, 239-241 (1991).
- Israelachvili, J. N., Adams, G. E. Measurement of forces between two mica surfaces in aqueous electrolyte solutions in the range 0–100 nm. Journal of the Chemical Society, Faraday Transactions. 1, 975-1001 (1978).
- Upadhyay, D., et al. Magnetised thermo responsive lipid vehicles for targeted and controlled lung drug delivery. Pharmaceutical Research. 29, 2456-2467 (2012).
- Chrzanowski, W., et al. Biointerface: protein enhanced stem cells binding to implant surface. Journal of Materials Science: Materials in Medicine. 23, 2203-2215 (2012).
- Chrzanowski, W., et al. Nanomechanical evaluation of nickel–titanium surface properties after alkali and electrochemical treatments. Journal of The Royal Society Interface. 5, 1009-1022 (2008).
- Tran, C. T., Kondyurin, A., Chrzanowski, W., Bilek, M. M., McKenzie, D. R. Influence of pH on yeast immobilization on polystyrene surfaces modified by energetic ion bombardment. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. 104, 145-152 (2013).
- Page, K., et al. Study of the adhesion of Staphylococcus aureus to coated glass substrates. Journal of materials science. 46, 6355-6363 (2011).
- Binnig, G., Quate, C. F., Gerber, C.
- Butt, H. -J. Measuring electrostatic, van der Waals, and hydration forces in electrolyte solutions with an atomic force microscope. Biophysical Journal. 60, 1438-1444 (1991).
- Johnson, K., Kendall, K., Roberts, A. Surface energy and the contact of elastic solids. Proceedings of the Royal Society of London. A. Mathematical and Physical Sciences. 324, 301-313 (1971).
- Deraguin, B., Landau, L. Theory of the stability of strongly charged lyophobic sols and of the adhesion of strongly charged particles in solution of electrolytes. Acta Physicochim: USSR. 14, 633-662 (1941).
- Derjaguin, B., Muller, V., Toporov, Y. P. Effect of contact deformations on the adhesion of particles. Journal of Colloid and Interface Science. 53, 314-326 (1975).
- Verwey, E. J. W., Overbeek, J. T. G.
- Kappl, M., Butt, H. J. The colloidal probe technique and its application to adhesion force measurements. Particle & Particle Systems Characterization. 19, 129-143 (2002).
- Tran, C. T., Kondyurin, A., Chrzanowski, W., Bilek, M. M., McKenzie, D. R. Influence of pH on yeast immobilization on polystyrene surfaces modified by energetic ion bombardment. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. , (2012).
- Sa, D. J., de Juan Pardo, E. M., de Las Rivas Astiz, R., Sen, S., Kumar, S. High-throughput indentational elasticity measurements of hydrogel extracellular matrix substrates. Applied Physics Letters. 95, 063701-063701 (2009).
- Zauscher, S., Klingenberg, D. J. Friction between cellulose surfaces measured with colloidal probe microscopy. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 178, 213-229 (2001).
- Sa, D., Chan, H. -K., Chrzanowski, W. Attachment of Micro- and Nano-particles on Tipless Cantilevers for Colloidal Probe Microscopy. International Journal of Colloid and Interface. , (2014).
