利用胶体探针纳米显微技术对颗粒-颗粒相互作用进行定量与定性分析

摘要

胶体探针纳米显微技术可用于多个领域，以深入了解胶体体系的物理稳定性和凝集动力学，并借助生物系统辅助药物发现与制剂科学研究。本文所述方法为研究此类体系提供了定性与定量的手段。

摘要

胶体探针纳米显微技术（CPN）利用原子力显微镜（AFM），研究经特定制备的胶体探针与任意选定基底之间在纳米尺度上的相互作用力，可为胶体系统中存在的物理相互作用提供关键见解。胶体系统广泛存在于多种应用中，包括药物制剂、食品、涂料、纸张、土壤与矿物、洗涤剂、印刷等^1-3。此外，胶体可呈现多种状态，如乳液、泡沫和悬浮液。通过胶体探针纳米显微技术，可以获得有关胶体黏附特性、结合能的关键信息，甚至可深入了解其物理稳定性及凝聚动力学。此外，胶体探针纳米显微技术还可用于生物细胞研究，辅助药物发现与制剂开发。本文中，我们描述了一种开展胶体探针纳米显微技术的方法，讨论测量过程中需考虑的关键因素，并展示此类测量所能获得的定性与定量数据。

引言

原子力显微镜（AFM）是一种能够对材料表面进行定性和定量成像与探测的技术。^4-6 传统上，AFM用于评估多相材料的表面形貌、形态和结构。AFM具备定量评估纳米尺度相互作用的能力，例如在空气和液体环境中，特定探针与基底之间的电荷、吸引力、排斥力和粘附力。^7,8 最初由Binning、Quate和Gerber开发的AFM⁹，利用已知或确定灵敏度及弹簧常数的探针接近和/或扫描样品。由于探针与样品之间的物理相互作用，悬臂在接触或接近过程中会发生偏转，根据操作模式的不同，这种偏转可被转化为样品表面形貌信息，或用于测量探针与样品之间存在的作用力。对AFM技术的改进，例如胶体探针纳米显微术¹⁰，使科研人员能够直接评估感兴趣胶体体系中两种材料之间的纳米级力相互作用。

在胶体探针纳米显微技术中，将选定的球形颗粒连接到悬臂梁的尖端，以替代传统的圆锥形或金字塔形探针尖端。采用球形颗粒有利于与约翰逊-肯德尔-罗伯茨（Johnson, Kendal, Roberts，JKR）¹¹ 理论以及德查金-兰道-弗尔韦-奥弗贝克（Derjaguin, Landau, Vervwey, Overbeek，DLVO）^12-14 理论等理论模型进行比较，同时可最大限度地减少表面粗糙度对测量结果的影响¹⁵。这些理论用于描述胶体体系中预期的接触力学行为及颗粒间作用力。D....

方案

1. 准备胶体探针和原子力显微镜基底

1. 制备胶体探针时，采用作者先前开发的方法。¹⁹
   1. 简而言之，使用45°角固定装置将无针尖悬臂梁以精确的45°角固定（图1A）。
   2. 通过在载玻片上涂抹一层薄薄的环氧树脂制备环氧树脂载片。使用洁净的刮刀或缓慢的氮气流，确保涂覆在载玻片上的环氧树脂层高度尽可能低。
   3. 使用定制设计的固定装置将环氧树脂载片固定在40倍光学变焦显微镜镜头上（图1B）。然后用悬臂梁接近环氧树脂载片，使其尖端沾取少量环氧树脂。
   4. 重复上述步骤，将一个感兴趣的单个颗粒附着在悬臂梁的顶端（图1C）。
2. 通过使用热塑性粘合剂将胶体颗粒固定在原子力显微镜（AFM）盖玻片上，制备AFM基底。
   1. 将直径35 mm的圆形盖玻片加热至120 °C，并在盖玻片上施加少量粘合剂。高温对于熔化热塑性粘合剂以便施加是必要的。
   2. 然后将盖玻片冷却至40 °C，再将胶体颗粒撒在胶层表面。注意：在40 °C时，胶体已充分凝固，颗粒不会嵌入胶中，但胶仍具有足够的黏性以确保颗粒牢固附着于基底。
   3. 进一步将盖玻片冷却至室温（RT），并用温和的氮气流吹去未附着的多余颗粒。
   4. 用即将用于胶体探针测量的液体介质多次清....

结果

液态胶体系统被用于多种药物递送系统。在吸入给药中，一种常见的胶体系统是加压定量吸入器（pMDI）中的混悬液。pMDI 内部的颗粒间相互作用在制剂的物理稳定性、储存以及药物递送均一性方面起着关键作用。本研究在室温下评估了多孔脂质基颗粒（光学平均粒径约 2 µm）在模型抛射剂（2H,3H-全氟戊烷）中的颗粒间作用力，以阐明所采用方法的功能性及其可能存在的误差。

图3展示了使用基于脂质的可吸入颗粒制备的两个典型胶体探针，这些探针可用于胶体探针纳米显微技术。将单个胶体颗粒固定在悬臂末端时，必须确保该颗粒最为突出，并在测量过程中首先与样品接触。这可保证所测得的相互作用仅来源于该胶体颗粒。若附着多个颗粒或颗粒聚集体，则可能因两个颗粒同时感应基底上同一单颗粒而引起多个悬臂偏转，导致错误结果（图4）。使用正确制备的胶体探针，可在液体环境中获得如图5所示的颗粒基底形貌图像。

使用胶体探针进行的形貌扫描，其分辨率将低于使用尖锐锥形探针所获得的扫描.......

讨论

在液体胶体探针纳米显微技术中，存在多种可能导致系统不稳定的因素，这些因素通常可通过适当的平衡程序有效缓解。如前所述，这些不稳定性会导致错误的结果，并使力曲线更难以进行客观分析。如果所有已知的不稳定来源均已排除，但仍出现与图4所示相似的图形，则可能另有其他测量参数所致。在胶体探针纳米显微技术中，还需考虑其他重要的测量参数，包括悬臂与样品接触和 retract（回撤）的速度，以及力测量的触发点。此外，应注意胶体探针中心的位置可能与传统原子力显微镜（AFM）探针尖端不同。因此，建议将激光光斑准确定位于探针颗粒的中心正上方，以最大限度提高测量精度。

选择一个合适的速度至关重要，该速度应足以测量所关注的作用力，并且适用于液体介质中的实验。如果仅关注颗粒间的黏附力，则接近速度并非关键因素。然而，在测量颗粒间的吸引力和排斥力时，选择足够缓慢的接近和回撤速度非常重要。应选择一个合适的接近速度，以确保相互作用力主导悬臂梁的偏转，而非速度本身。过快的接近速度会掩盖作用力，导致吸引力无法充分形成；而在液体介质中过慢的接近速度则会产生不稳定的基线，如图6C.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
双气泡环氧树脂	Hardman	4004
Veeco 无针探针	Veeco	NP-O10
多孔颗粒	Pearl Therapeutics
原子力显微镜 (MFP)	Asylum	MFP-3D
SPIP 扫描探针图像处理软件	NanoScience  Instruments
35 mm 盖玻片	Asylum	504.003
Tempfix	Ted Pella. Inc.	16030