Name: 粒子粒子相互作用采用胶体探针纳米显微定量和定性检查 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-07-18T14:00:00.000+00:00
Duration: 13 min 15 s
Description: 学习使用胶体探针纳米显微技术定量研究液相胶体系统中的纳米级粒子相互作用。该方法可精确测量粒子间吸引力与粘附力，为药物制剂开发和生物系统稳定性评估提供关键数据支持。

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

作者感谢（1）纳米生物医学科学系提供的经费支持 &amp;#38; BK21 PLUS NBM 全球再生医学研究中心（丹国大学）以及韩国国家研究基金会（NRF）资助的优先研究中心项目（No. 2009-0093829）；(2) 澳大利亚悉尼大学显微镜与微分析中心提供的设施及科学技术支持。HKC 感谢澳大利亚研究理事会通过发现项目资助（DP0985367）提供的经费支持。&amp;#38; DP120102778)。WCh 感谢澳大利亚研究理事会通过合作项目资助 (LP120200489, LP110200316) 提供的经费支持。

1. 准备胶体探针和原子力显微镜基底
<ol>
	<li>制备胶体探针时，采用作者先前开发的方法。19
	<ol>
		<li>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）。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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）。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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。
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>用即将用于胶体探针测量的液体介质多次清洗基底，以确保所有未附着的颗粒均被去除。注意：此步骤至关重要，可减少测量过程中自由流动颗粒的影响，这些颗粒可能与悬臂梁相互作用并导致结果误差。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 安装胶体探针、校准激光及平衡系统
<ol>
	<li>将带有胶体颗粒的盖玻片安装到液体池的下半部分，确保O形圈正确就位，以防止任何泄漏。</li>
	<li>在显微镜载物台上放置一张疏水性透明保护膜，以防止实验过程中可能发生的液体泄漏，特别是在仅使用液体池下半部分进行测量时，随后将液体池放置在显微镜载物台上。注意：为简化操作，若系统能够充分平衡，可仅使用液体池的下半部分；提示——蒸发会改变测量条件并影响结果/读数。</li>
	<li>将胶体探针连接至原子力显微镜（AFM）扫描头，并将其组装到AFM上。开启AFM仪器软件后，使用扫描头上的调节旋钮将悬臂尖端调至焦点。注意：所有操作步骤和测量均使用MFP-3D-Bio AFM结合Asylum Research软件完成。</li>
	<li>为获得最大信号强度，使用扫描头上的相应调节旋钮将激光对准悬臂尖端。</li>
	<li>让系统平衡5–10分钟，或直至偏转值稳定。使用偏转调节旋钮将偏转值调至零或略低于零。</li>
	<li>系统在空气中平衡后，使用AFM软件（主面板窗口中的“热噪声校准”面板）热噪声法计算胶体探针的InvOLS（灵敏度）和弹簧常数。注意：该灵敏度将仅作为临时值使用，直到测量结束时测得真实灵敏度（见步骤4）。
	<ol>
		<li>选择“Cal Spring Constant”或“Cal InvOLS”，然后点击“Capture Thermal Data”以采集热噪声数据。</li>
		<li>当出现明显的共振峰时，停止数据采集，并点击放大主峰区域。</li>
		<li>点击“Initialize Fit”，然后点击“Fit Thermal Data”，以获得自动计算的弹簧常数或InvOLS值。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>使用注射器缓慢向液体池中加入2 ml液体介质，并确保悬臂周围无气泡。由于介质折射率已改变，需重新对准激光，并再次使系统平衡，待偏转值稳定后，将偏转重新调至零。注意：若环境与液体之间存在较大温差，则平衡所需时间将更长。</li>
</ol>
3. 成像与数据采集
<ol>
	<li>将初始扫描尺寸设为 20 µm，扫描速率为 1 Hz，扫描角度为 90°，设定点为 0.2 V，并对样品进行扫描。根据需要调节增益，以获得重叠的正向扫描和反向扫描曲线。</li>
	<li>一旦发现目标颗粒，立即对该颗粒进行放大，以限制探针在获取力体积测量数据前与基底的长时间相互作用。</li>
	<li>放大后，获取单个颗粒或单个颗粒局部区域的足够图像。然后在软件中切换到“力控制面板”。将红色位置条移至最高位置，设定力距离为 5 µm，扫描速率为 0.1 Hz，触发通道为“无”，并执行一次单点力测量。确保探针不接触基底。</li>
	<li>根据获得的单次测量曲线图，通过在图形窗口中右键单击并选择“Calculate Virtual Def Line”（计算虚拟偏转线）选项来计算虚拟偏转线。软件将自动计算虚拟偏转值，并根据需要更新该数值。</li>
	<li>将触发通道改为“偏转”，并将触发点设为 20 nm。将力距离设为 1 µm，并根据感兴趣的测量力大小调整扫描速度。</li>
	<li>在进行 2–3 次连续的初步单点力测量后，手动调整“力控制面板”中“评审”选项卡下的偏转逆光杠杆灵敏度（InvOLS）数值。
	<ol>
		<li>执行一次单点力测量，然后点击“力控制面板”上的“Review”（评审）按钮，打开主“力控制面板”（Master Force Panel）。</li>
		<li>高亮显示最近完成的力测量数据。在“Axis”（坐标轴）标题下，确保仅勾选“DeflV”。使用下拉菜单将“X-Axis”（X 轴）输入字段更改为“Sep”，然后点击“make graph”（生成图形）。</li>
		<li>点击主“力控制面板”中的“Parm”（参数）选项卡，并调整“InvOLS”数值，使图中接触区域完全呈垂直状态。然后将此数值填入主“主控面板”（Master Panel）窗口中“Force”（力）选项卡下“Cal&#160;sub-tab”中的“Defl InvOLS”字段。</li>
		<li>重复此过程 2–3 次，以确保 InvOLS 数值不再发生显著变化。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>现在所有参数均已设置完毕，确认液体介质液位仍充足，且偏转信号保持稳定。注意：此时可获取单点力曲线或力图谱。若需进行停留力测量，可在“力控制面板”中启用停留（dwell）选项。</li>
</ol>
4. 分析灵敏度的后期调节
<ol>
	<li>完成测量采集后，测量胶体探针的真实灵敏度。为此，使用该胶体探针在相同液体介质中对云母等“无限”硬的表面进行一次相对较大偏转/力的力测量。注意：灵敏度在实验结束后获取，因为较大的偏转/力可能会损坏由多孔或脆弱胶体所制备的胶体探针。</li>
	<li>软件利用接触区域的斜率自动计算灵敏度（图2）。在对该特定胶体探针获得的所有曲线进行数据分析时，应使用此真实的灵敏度值。</li>
</ol>

<ol><li>Sindel, U., Zimmermann, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measurement+of+interaction+forces+between+individual+powder+particles+using+an+atomic+force+microscope%5BTitle%5D)+AND+%22Powder+Technology%22%5BJournal%5D)">Measurement of interaction forces between individual powder particles using an atomic force microscope.</a> Powder Technology. 117, 247-254 (2001).</li>
<li>Ducker, W. A., Senden, T. J., Pashley, R. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct+measurement+of+colloidal+forces+using+an+atomic+force+microscope%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Direct measurement of colloidal forces using an atomic force microscope.</a> Nature. 353, 239-241 (1991).</li>
<li>Israelachvili, J. N., Adams, G. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measurement+of+forces+between+two+mica+surfaces+in+aqueous+electrolyte+solutions+in+the+range+0%E2%80%93100+nm%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+Chemical+Society%2C+Faraday+Transactions%22%5BJournal%5D)">Measurement of forces between two mica surfaces in aqueous electrolyte solutions in the range 0–100 nm.</a> Journal of the Chemical Society, Faraday Transactions. 1, 975-1001 (1978).</li>
<li>Upadhyay, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Magnetised+thermo+responsive+lipid+vehicles+for+targeted+and+controlled+lung+drug+delivery%5BTitle%5D)+AND+%22Pharmaceutical+Research%22%5BJournal%5D)">Magnetised thermo responsive lipid vehicles for targeted and controlled lung drug delivery.</a> Pharmaceutical Research. 29, 2456-2467 (2012).</li>
<li>Chrzanowski, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biointerface%3A+protein+enhanced+stem+cells+binding+to+implant+surface%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Materials+Science%3A+Materials+in+Medicine%22%5BJournal%5D)">Biointerface: protein enhanced stem cells binding to implant surface.</a> Journal of Materials Science: Materials in Medicine. 23, 2203-2215 (2012).</li>
<li>Chrzanowski, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanomechanical+evaluation+of+nickel%E2%80%93titanium+surface+properties+after+alkali+and+electrochemical+treatments%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+The+Royal+Society+Interface%22%5BJournal%5D)">Nanomechanical evaluation of nickel–titanium surface properties after alkali and electrochemical treatments.</a> Journal of The Royal Society Interface. 5, 1009-1022 (2008).</li>
<li>Tran, C. T., Kondyurin, A., Chrzanowski, W., Bilek, M. M., McKenzie, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Influence+of+pH+on+yeast+immobilization+on+polystyrene+surfaces+modified+by+energetic+ion+bombardment%5BTitle%5D)+AND+%22Colloids+and+Surfaces+B%3A+Biointerfaces%22%5BJournal%5D)">Influence of pH on yeast immobilization on polystyrene surfaces modified by energetic ion bombardment.</a> Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. 104, 145-152 (2013).</li>
<li>Page, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Study+of+the+adhesion+of+Staphylococcus+aureus+to+coated+glass+substrates%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+materials+science%22%5BJournal%5D)">Study of the adhesion of Staphylococcus aureus to coated glass substrates.</a> Journal of materials science. 46, 6355-6363 (2011).</li>
<li>Binnig, G., Quate, C. F., Gerber, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Atomic+force+microscope%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Letters%22%5BJournal%5D)">Atomic force microscope.</a> Physical Review Letters. 56, 930-933 (1103).</li>
<li>Butt, H. -J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measuring+electrostatic%2C+van+der+Waals%2C+and+hydration+forces+in+electrolyte+solutions+with+an+atomic+force+microscope%5BTitle%5D)+AND+%22Biophysical+Journal%22%5BJournal%5D)">Measuring electrostatic, van der Waals, and hydration forces in electrolyte solutions with an atomic force microscope.</a> Biophysical Journal. 60, 1438-1444 (1991).</li>
<li>Johnson, K., Kendall, K., Roberts, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surface+energy+and+the+contact+of+elastic+solids%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+Royal+Society+of+London.+A.+Mathematical+and+Physical+Sciences%22%5BJournal%5D)">Surface energy and the contact of elastic solids.</a> Proceedings of the Royal Society of London. A. Mathematical and Physical Sciences. 324, 301-313 (1971).</li>
<li>Deraguin, B., Landau, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Theory+of+the+stability+of+strongly+charged+lyophobic+sols+and+of+the+adhesion+of+strongly+charged+particles+in+solution+of+electrolytes%5BTitle%5D)+AND+%22Acta+Physicochim%3A+USSR%22%5BJournal%5D)">Theory of the stability of strongly charged lyophobic sols and of the adhesion of strongly charged particles in solution of electrolytes.</a> Acta Physicochim: USSR. 14, 633-662 (1941).</li>
<li>Derjaguin, B., Muller, V., Toporov, Y. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+contact+deformations+on+the+adhesion+of+particles%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Colloid+and+Interface+Science%22%5BJournal%5D)">Effect of contact deformations on the adhesion of particles.</a> Journal of Colloid and Interface Science. 53, 314-326 (1975).</li>
<li>Verwey, E. J. W., Overbeek, J. T. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Theory+of+the+stability+of+lyophobic+colloids%5BTitle%5D)+AND+%22DoverPublications.com%2C+doi%3A10.1021%2Fj150453a001%22%5BJournal%5D)">Theory of the stability of lyophobic colloids.</a> DoverPublications.com, doi:10.1021/j150453a001. , (1999).</li>
<li>Kappl, M., Butt, H. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+colloidal+probe+technique+and+its+application+to+adhesion+force+measurements%5BTitle%5D)+AND+%22Particle+%26+Particle+Systems+Characterization%22%5BJournal%5D)">The colloidal probe technique and its application to adhesion force measurements.</a> Particle & Particle Systems Characterization. 19, 129-143 (2002).</li>
<li>Tran, C. T., Kondyurin, A., Chrzanowski, W., Bilek, M. M., McKenzie, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Influence+of+pH+on+yeast+immobilization+on+polystyrene+surfaces+modified+by+energetic+ion+bombardment%5BTitle%5D)+AND+%22Colloids+and+Surfaces+B%3A+Biointerfaces%22%5BJournal%5D)">Influence of pH on yeast immobilization on polystyrene surfaces modified by energetic ion bombardment.</a> Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. , (2012).</li>
<li>Sa, D. J., de Juan Pardo, E. M., de Las Rivas Astiz, R., Sen, S., Kumar, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-throughput+indentational+elasticity+measurements+of+hydrogel+extracellular+matrix+substrates%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Physics+Letters%22%5BJournal%5D)">High-throughput indentational elasticity measurements of hydrogel extracellular matrix substrates.</a> Applied Physics Letters. 95, 063701-063701 (2009).</li>
<li>Zauscher, S., Klingenberg, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Friction+between+cellulose+surfaces+measured+with+colloidal+probe+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Colloids+and+Surfaces+A%3A+Physicochemical+and+Engineering+Aspects%22%5BJournal%5D)">Friction between cellulose surfaces measured with colloidal probe microscopy.</a> Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 178, 213-229 (2001).</li>
<li>Sa, D., Chan, H. -K., Chrzanowski, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Attachment+of+Micro-+and+Nano-particles+on+Tipless+Cantilevers+for+Colloidal+Probe+Microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Colloid+and+Interface%22%5BJournal%5D)">Attachment of Micro- and Nano-particles on Tipless Cantilevers for Colloidal Probe Microscopy.</a> International Journal of Colloid and Interface. , (2014).</li>
</ol>

作者声明不存在任何竞争性经济利益。

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...

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。DLVO 理论结合了范德华吸引力和由双电层引起的静电排斥力，可定量解释水相胶体体系的聚集行为；而 JKR 理论则引入了接触压力和粘附效应，用于模拟两个组分之间的弹性接触。一旦制备出合适的探针，便可使其接近其他材料或颗粒，以评估两者之间的相互作用力。使用标准商业探针仅能测量该探针与特定材料之间的相互作用力，而定制胶体探针的优势在于能够测量研究体系中实际存在的材料之间的相互作用力。可测量的相互作用包括颗粒间存在的粘附力、吸引力、排斥力、电荷作用力以及静电作用力16。此外，胶体探针技术还可用于研究颗粒间的切向力及材料的弹性性质17,18。
能够在多种介质中进行测量是胶体探针显微术的主要优势之一。可以在环境条件、液体介质或湿度可控的条件下进行测量，以模拟所研究体系的实际环境条件。在液体环境中进行测量的能力使得可以在胶体体系自然存在的环境中对其进行研究，从而能够定量获取可直接反映体系自然状态的数据。例如，可通过使用具有与定量吸入器（MDI）中所用推进剂相似性质的模型液体推进剂，来研究MDI中存在的颗粒相互作用。而在空气中测得的相同相互作用则无法代表吸入器内实际存在的体系。此外，还可以通过改变液体介质，评估湿气侵入、第二种表面活性剂或温度对MDI中颗粒相互作用的影响。温度控制能力可用于模拟胶体体系制造过程中的特定步骤，以评估制造或储存过程中温度变化对颗粒相互作用可能产生的影响。
使用胶体探针可获得的测量数据包括：形貌扫描、单个力-距离曲线、力-距离黏附力图谱以及驻留力-距离测量。本文所介绍的胶体探针纳米显微技术所测量的关键参数包括“ snap-in”（突入力）、最大载荷（max load）和分离能（separation energy）。“snap-in”用于表征吸引力的大小，最大载荷表示最大黏附力的数值，而分离能则反映将粒子从接触状态拉出所需消耗的能量。这些参数可通过瞬时或驻留力测量获得。两种不同类型的驻留测量包括偏转驻留（deflection dwell）和压入驻留（indentation dwell）。驻留测量的时长和类型可根据特定系统中感兴趣的相互作用进行精确选择。例如，采用偏转驻留——即在设定的悬臂偏转值下保持样品接触——可用于评估分散体系中聚集体内部形成的黏附键。所形成的黏附键可随时间变化进行测量，从而揭示在长期储存后重新分散聚集体所需的力学特性。该方法能够获取大量数据，充分体现了其方法上的高度灵活性。

<table><tbody><tr><td>双气泡环氧树脂</td><td>Hardman</td><td>4004</td><td></td></tr><tr><td>Veeco 无针探针</td><td>Veeco</td><td>NP-O10&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>多孔颗粒</td><td>Pearl Therapeutics</td><td></td><td></td></tr><tr><td>原子力显微镜 (MFP)</td><td>Asylum&amp;nbsp;</td><td>MFP-3D</td><td></td></tr><tr><td>SPIP 扫描探针图像处理软件</td><td>NanoScience&amp;nbsp; Instruments</td><td></td><td></td></tr><tr><td>35 mm 盖玻片</td><td>Asylum</td><td>504.003</td><td></td></tr><tr><td>Tempfix</td><td>Ted Pella. Inc.</td><td>16030</td><td></td></tr></tbody></table>

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

Quantitative and Qualitative Examination of Particle-particle Interactions Using Colloidal Probe Nanoscopy

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。

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...

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。

胶体探针纳米显微术（CPN），研究特异性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……

本实验的总体目标是获取基于液体的胶体系统中粒子间纳米尺度相互作用的定量信息。首先，通过将单个粒子固定在原子力显微镜悬臂探针尖端，制备功能化的胶体探针；第二步是将该探针安装到原子力显微镜上，并准备含有胶体粒子基底的液体池。接下来，使用显微镜软件通过热噪声法对胶体探针的弹簧常数和灵敏度进行校准。最后一步是利用该胶体探针，在液体中测量其与胶体颗粒基底之间的相互作用以完成校准。同时，也将在液体中使用云母（MICA）基底直接测量探针灵敏度，从而最终确定胶体探针的性能。显微镜可用于测量可能导致所研究液相胶体系统絮凝动力学和物理不稳定的颗粒间作用力。该方法通过精确测量两种固体材料之间的吸引力、内聚力和分离力，有助于确定和量化影响多种液相胶体系统物理稳定性及絮凝动力学的关键参数，例如加压定量吸入器、药物制剂、静脉注射配方、生物系统及其他多种系统中的胶体。该方法可深入揭示这两种固体之间在非尺度层面的化学与物理相互作用。这些知识可用于预测药物制剂的稳定性，也可应用于截然不同的生物系统，以研究颗粒或不同固体与细胞或细菌之间的亲和力。首先使用原子力显微镜探针尖端（不带悬臂）制备胶体探针，并将悬臂固定在如图所示的45度角支架上。该支架使悬臂在水平面上方呈45度角固定。下一步是在载玻片上涂抹环氧树脂。环氧树脂制备完成后，使用洁净的刮刀将其均匀涂抹成一层薄层。接着使用临时性粘合剂，将载玻片的另一侧固定在一个特制的支架上，该支架设计为可滑入显微镜物镜外壳中。完成操作后，将载玻片和支架组件放回显微镜，将支架滑入镜头外壳。带有环氧树脂的载玻片应位于样品台悬臂的上方。待所有部件就位后，通过显微镜观察悬臂，并将样品台和悬臂缓慢靠近载玻片上的环氧树脂。当悬臂吸附少量环氧树脂后，将带有环氧树脂的悬臂移出。采用相同技术，将一个直径为2至5微米的脂质颗粒固定在悬臂的尖端。现在准备原子力显微镜的基底。使用直径35毫米的圆形盖玻片和热塑性封片胶。将盖玻片置于配有温度探针的加热板上加热。当加热板温度达到约120摄氏度时，涂布热塑性封片胶，关闭加热板，并等待其与盖玻片冷却至40摄氏度。此时，将少量胶体颗粒撒在盖玻片上。当盖玻片冷却至室温后，将其转移至样品 holder 中，并通过移液方式进行清洗。此处使用少量液体介质，即二氢三氟戊烷或 HPFP。重复此步骤数次，以去除未附着的颗粒。下一步是将基底安装至原子力显微镜或荧光显微镜中使用；为此，请使用液体池的下半部分，将带有胶体颗粒的盖玻片安装在液体池的下半部分。确保O形圈正确就位，以防止泄漏。使用原子力显微镜时，需采取防泄漏措施。用透明疏水膜保护显微镜载物台，然后将液体池放置到载物台上。将胶体探针安装到扫描头上后，将其组装到原子力显微镜（A FM）上。启动原子力显微镜（A FM）及仪器软件，使用扫描头调节旋钮将悬臂针尖调至焦点位置并校准激光。校准激光时，监测激光强度并使其达到最大值。让系统在空气中平衡，然后使用偏转调节旋钮将偏转值调至零或略负的数值。接下来，从软件的主面板窗口进入热力学面板。为确定胶体探针的灵敏度，选择“计算逆光杠杆灵敏度”，然后采集热数据。当出现明显的峰值时，停止数据采集。单击以放大主峰，然后选择“初始化拟合”。接着拟合热数据，将计算出一个灵敏度值。按照类似的步骤确定胶体探针的弹簧常数。确定灵敏度和弹簧常数后，即可向液体池中加入介质。使用含有至少两毫升 HPFP 的注射器，缓慢加入两毫升液体，同时确保悬臂周围无气泡产生。加入介质后，需重新调整激光位置，以校正折射率变化带来的影响。在高压流体池（HPFP）中让偏转值平衡5到10分钟，然后将其重新调整至零。准备在主控面板上扫描时，将初始扫描尺寸设为20微米。扫描速率为1赫兹，扫描角度为90度，设定点为0.2伏。接近样品并开始扫描。当发现目标颗粒时，立即对其进行放大，以避免探针与基底长时间相互作用，继续扫描以获得足以定位颗粒在基底上位置的图像，或明确其主要特征的高度。然后切换到软件中的力控面板，将红色位置条移动至最高位置。将力作用距离设置为5微米，扫描速率为0.1赫兹，触发通道设置为无。进行一次单力测量，并确保根据获得的曲线图显示探针未接触基底。在图表窗口上单击右键，然后选择计算虚拟偏转线。系统将自动计算并更新垂直偏转值。现在将触发通道更改为偏转，并将触发点设置为20纳米。将力-距离设置为1微米。根据与此颗粒相关的力，将扫描速度调整为每秒200纳米。然后在完成测量后，进行两到三次单次力测量中的第一次。进入力测量面板并点击“查看”。要打开主力测量面板，需高亮显示最近的一次力测量，并确认仅在“轴”标题下被选中。此外，将 x 轴输入字段更改为分离距离。然后点击“生成图表”。转到主力面板上的参数选项卡，并调节逆光杠杆灵敏度的数值，直到图表的接触区域完全垂直。记录返回至主控力面板的数值。打开力选项卡，然后进入校准子选项卡。在偏转逆光杠杆灵敏度字段中输入逆光杠杆灵敏度的倒数值。重复进行两到三次力测量和灵敏度调整，以确保在设定参数下该数值无明显变化，检查液体介质液位和悬臂偏转的稳定性。随后进行力曲线或力图的测量。测量完成后，确定探针的真实灵敏度。取出带有基底的液体池，并更换为新的液体池。对于云母（MICA）或其他硬质表面，将 MICA 浸入相同的液体介质中。随后使用胶体探针进行力测量，采用相对较大的偏转量，使力曲线具有较长的接触区域。软件通过接触区域的斜率来确定灵敏度。在分析使用探针获得的曲线时，应采用软件计算出的灵敏度。该颗粒基底的形貌图像是在二氢三氢全氟戊烷中使用胶体探针获得的。该图像的清晰度低于使用 sharpened conical tip 获得的图像。然而，目标是找到一种基底颗粒，用于评估颗粒间的相互作用。扫描可进一步聚焦于单个颗粒表面，利用脂质基颗粒在 two H three H per fluoro 条件下进行力图谱映射。戊烷可提供样品高度的形貌图以及反映每条力曲线最大极力的黏附力图。这两种原始数据图均可呈现为三维图示。将两者叠加后，可生成一幅黏附力分布随形貌变化的三维图示。停留力测量可用于研究接触力学和接触时间对粘附力的影响。实验中使用了固体脂质颗粒，测量结果表明，粘附力随时间的延长而增加。在采用压痕停留模式时，粘附力达到稳定；而在尝试使用偏转停留模式时，观察到不同的结果。在开始测量之前，必须对液体培养基进行平衡，以确保获得最准确的结果。

quantitative-qualitative-examination-particle-particle-interactions

Research

科研

JoVE Journal

Chemistry

化学

粒子粒子相互作用采用胶体探针纳米显微定量和定性检查

本文介绍了一种从全血中分离外泌体，并利用半自动仪器通过纳米颗粒追踪技术进行进一步分析的方法。该技术为液体悬浮液中颗粒的可视化与分析提供了极为灵敏的方法。...

一种用于外泌体定量与粒径测量的创新方法

一种参考干涉仪技术被用于探测超高品质因子微腔，该技术旨在消除纳米探测中的不良激光抖动噪声。本文提供了装置的组装、调试和数据采集说明，以及用于确定腔体品质因子的测量过程。...

用于纳米检测的参考干涉仪实现

在薄层器官和肿瘤组织上进行的激光诱导击穿光谱成功检测到了天然元素以及人工注入的钆（Gd），后者来源于基于钆的纳米颗粒。化学元素成像的空间分辨率达到100...

激光诱导击穿光谱：一种用于组织中纳米颗粒成像与定量的新方法

共聚焦显微镜用于成像静止和流动的胶体-聚合物混合物，这些混合物被用作吸引力悬浮体系的模型系统。图像分析算法用于计算胶体粒子的结构和动态参数，以量化几何限域所引起的变化。...

受限静态与流动胶体-聚合物混合物的共聚焦成像

本文描述了一种合成和表征带有超分子基团包覆胶体的实验方案。这些超分子胶体在紫外光照射下，通过激活表面锚定分子之间的氢键，从而引发自组装过程。...

超分子胶体的合成与表征

我们描述了一种用于检测存在的化学元素的方法 原位 在人类细胞中以及它们的 体外 定量分析。该方法适用于任何细胞类型，尤其适用于单细胞水平的定量化学分析。 体外...

原位检测与单细胞定量金属氧化物纳米颗粒的核微探针分析方法

本文介绍了一种集成等离子体激元镊子的微芯片制备工艺。该微芯片能够对捕获的粒子进行成像，以测量其最大捕获力。...

监测环境中的等离子体捕获与释放纳米颗粒

本方案详细介绍了构建和操作一种实时三维单粒子追踪显微镜的方法，该显微镜能够以高扩散速度和低光子计数率追踪纳米级荧光探针。...

一种用于实时三维单粒子追踪的实验方案

本文展示了利用传统暗场显微镜监测金纳米棒（AuNRs）在细胞膜上动态行为的方法。通过ImageJ和MATLAB检测单个AuNRs的位置和取向，并利用单颗粒追踪分析对其扩散状态进行表征。...

利用单纳米颗粒暗场显微技术可视化金纳米棒在细胞膜上的扩散动力学

我们演示如何使用一种新型纳米颗粒跟踪分析仪器，来估算从小鼠围生殖腺脂肪组织和人血浆中分离出的细胞外囊泡的粒径分布及总颗粒浓度。...

纳米颗粒追踪分析用于细胞外囊泡的定量与粒径测定

开尔文探针力显微镜（KPFM）可测量表面形貌和表面电势差异，而扫描电子显微镜（SEM）及其相关谱学技术则可用于阐明表面形貌、成分、结晶性及晶体取向。因此，将SEM与KPFM进行共定位分析，有助于揭示纳米尺度成分和表面结构对腐蚀行为的影响。...

联用开尔文探针力显微镜与其他显微及谱学技术：在合金腐蚀表征中的若干应用

学习使用胶体探针纳米显微技术定量研究液相胶体系统中的纳米级粒子相互作用。该方法可精确测量粒子间吸引力与粘附力，为药物制剂开发和生物系统稳定性评估提供关键数据支持。

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

探索更多视频