Dispersion von Nanomaterialien in wässrigen Medien: zur Protokoll-Optimierung

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, mithilfe einer Echtzeit-Charakterisierung die optimalen Bedingungen für die Beschallung – einschließlich Intensität und Dauer – zu ermitteln, um stabile und gleichmäßige Dispersionen von Nanomaterialien in wässrigen Medien zu erhalten. Diese Methode kann helfen, zentrale Fragen in der Nanowissenschaft, insbesondere im Bereich der Nanotoxikologie, zu beantworten, beispielsweise wie die Dispersion von Nanopartikeln optimiert werden kann, ohne die Probenechtheit zu beeinträchtigen. Der Hauptvorteil dieser Optimierungsstrategie liegt darin, dass sie eine bessere Kontrolle über die endgültige Qualität der Dispersion ermöglicht, was entscheidend für die Sicherstellung von Reproduzierbarkeit ist.

Beginnen Sie das Verfahren, indem Sie den mit einem Vial-Block-Sonitrop ausgestatteten Ultraschallsondierer kalibrieren. Anschließend verwenden Sie einen sauberen Metallspatel, um zwei Milligramm des gewählten Nanopulvers in jedes der drei sauberen Glasgefäße mit einem Fassungsvermögen von 10 oder 20 Milliliter, nummeriert von eins bis drei, abzuwiegen. Pipettieren Sie je einen Milliliter deionisiertes Wasser entlang der Innenwände jedes Gefäßes.

Für hydrophobe Proben stattdessen ein Milliliter 0,5 Prozent Volumenprozent Ethanol in deionisiertem Wasser verwenden. Jede Probe zu einer dicken Paste verrühren. Anschließend so viel deionisiertes Wasser zur Paste hinzufügen, dass eine endgültige Probenkonzentration von 0,2 Milligramm pro Milliliter erreicht wird.

Die Vials horizontal schwenken, um Nanopulver, das an den inneren Wänden haftet, zu lösen. 1,5 Milliliter jeder Nanopulver-Dispersion in saubere Mikrozentrifugenröhrchen überführen, die mit den entsprechenden Nummern beschriftet sind. Die Röhrchen fest verschließen und schwenken, um Nanopulver von den inneren Wänden zu lösen.

Danach die Proben in den Sonitroben geben. Die Proben 2 Minuten lang bei 1,1 Watt beschallen, dabei jeweils eine Sekunde ein- und eine Sekunde ausschalten. Danach Probe eins aus dem Block entfernen.

Übertragen Sie ein Milliliter von der Oberfläche der Dispersion in ein anderes sauberes Mikrozentrifugenröhrchen. Geben Sie entionisiertes Wasser zum Röhrchen hinzu, um eine Probenkonzentration von 0,02 Milligramm pro Milliliter zu erreichen. Beginnen Sie unverzüglich mit der Probeneigenschaftsbestimmung.

10 Minuten nach Beendigung der ersten Beschallung die verbleibenden Proben vier Minuten lang unter Verwendung derselben Amplituden- und Puls-Einstellungen beschallen. Verdünnen Sie Probe zwei mit entionisiertem Wasser auf 0,02 Milligramm pro Milliliter und beginnen Sie mit der Charakterisierung. 10 Minuten nach Beendigung der zweiten Beschallung Probe drei weitere vier Minuten bei denselben Einstellungen beschallen.

Verdünnen Sie die Probe auf drei bis 0,02 Milligramm pro Milliliter und beginnen Sie mit der Charakterisierung. Kalibrieren Sie zuerst ein Ultraschallbad in Bezug auf den Badsensor. Verwenden Sie anschließend einen sauberen Spatel, um zwei Milligramm des gewählten Nanopulvers in jedes von vier sauberen Glasgefäßen, nummeriert von vier bis sieben, zu geben.

Geben Sie mit einer Pipette einen Milliliter entionisiertes Wasser entlang der Wände jedes Gefäßes und vermischen Sie die Pulver zu dicken Pasten. Fügen Sie entionisiertes Wasser hinzu, um in jedem Gefäß eine Probenkonzentration von 0,2 Milligramm pro Milliliter zu erreichen. Verschließen Sie die Gefäße und schwenken Sie sie, um an den inneren Oberflächen haftendes Nanopulver zu lösen.

Stellen Sie die Vials in die Mitte des kalibrierten Ultraschallbades. Stellen Sie sicher, dass der Wasserstand bis zur Hälfte der Vials reicht. Beschallen Sie die Probe 15 Minuten lang bei Raumtemperatur mit 80 Watt.

Überführen Sie anschließend eine Aliquotprobe von Probe vier in ein sauberes Gefäß. Verdünnen Sie die Aliquotprobe mit deionisiertem Wasser auf 0,02 Milligramm pro Milliliter und beginnen Sie die Charakterisierung. Ersetzen Sie das Wasser im Ultraschallbad durch frisches Wasser von Raumtemperatur, um eine Wärmestauung zu vermeiden, die die Dispersionen beeinträchtigen könnte.

Um die Partikelgröße mittels dynamischer Lichtstreuung zu bestimmen, öffnen Sie die Gerätesoftware und erstellen Sie eine Datei für die Größenmessung. Tragen Sie die Gleichgewichtszeit, die Temperatur, den Küvetten-Typ und den Experimentmodus ein. Speichern Sie die Datei für die Größenmessung.

Führen Sie anschließend eine DLS-Verifizierungsmessung an einer Probe von Standard-Latexkügelchen mit einer Nenngröße von 100 Nanometern durch. Bestätigen Sie, dass die Geräteleistung den entsprechenden Standards entspricht. Danach pipettieren Sie langsam ein Milliliter einer verdünnten Nanopulverdispersion in eine saubere, niedrigvolumige Einwegküvette, wobei Sie darauf achten sollten, keine Luftblasen zu erzeugen.

Platzieren Sie die Küvette im Gerät und starten Sie die Datenaufnahme. Nehmen Sie mindestens fünf Messungen pro Probe vor. Wählen Sie anschließend alle Messungen aus und berechnen Sie den Durchschnittswert für jede Probe.

Exportieren Sie die Messdaten in ein Tabellenkalkulationsprogramm zur weiteren Analyse. Öffnen Sie als Nächstes die Instrumentensoftware, um mit der Probeneigenschaftsbestimmung mittels UV-Vis-Spektroskopie zu beginnen, und bereiten Sie eine neue Messung vor. Pipettieren Sie zwei bis drei Milliliter einer verdünnten Nanopulverdispersion in eine saubere Standard-Quarzküvette.

Danach den Wellenlängenbereich des Geräts auf 700 Nanometer bis 200 Nanometer einstellen. Ein Lösungsmittel-Blanko zur Hintergrundsubtraktion aufnehmen. Pro Probe mindestens drei Spektren aufnehmen und die Daten zur weiteren Analyse exportieren.

Als Nächstes, um die Charakterisierung der Probe mittels Transmissionselektronenmikroskopie zu beginnen, geben Sie einen Tropfen einer verdünnten Nanopulverdispersion auf einen sauberen Lochkohlefilm mit 300 Maschen. Lassen Sie die Probe unter Umgebungsbedingungen lufttrocknen, wobei sie vor Luftverunreinigungen geschützt sein muss. Anschließend spülen Sie das Objektträgergitter mit ultrareinem Wasser, um Effekte durch ungleichmäßiges Trocknen zu entfernen.

TEM-Aufnahmen aufnehmen und für die weitere Analyse exportieren. Vor der Dispergierung wiesen Zinkoxid-Nanomaterialien mit entweder hydrophilen oder hydrophoben Oberflächenprofilen große mittlere Partikelgrößen und hohe Polydispersität auf. Die Partikelgröße und Polydispersität des hydrophilen Zinkoxids nahmen nach 15 Minuten Beschallung in einem Ultraschallbad ab, stiegen jedoch weiter an, wenn die Beschallung fortgesetzt wurde.

TEM-Aufnahmen bestätigen, dass die Partikel bei fortgesetzter Beschallung erneut agglomerierten. Die Behandlung der hydrophoben Zinkoxid-Partikel im Ultraschallbad führte zu einer Abnahme der Partikelgröße und der Polydispersität, die nach 30 Minuten ein Plateau erreichte. In den TEM-Aufnahmen der hydrophoben Zinkoxide waren Trocknungseffekte zu erkennen, was darauf hindeutet, dass eine Vorbenetzung mit Ethanol die Immobilisierung des Pulvers auf dem Kohleraster erschwerte.

Die Ultraschallsondenbehandlung des hydrophilen Pulvers führte nach zwei Minuten zu einer homogenen, stabilen Dispersion. Eine fortgesetzte Beschallung bewirkte eine schnelle Reagglomeration. Ein ähnliches Verhalten wurde bei dem hydrophoben Pulver beobachtet.

Basierend auf den Polydispersitätswerten ergaben sich als optimale Dispersionsbedingungen für die hydrophilen und hydrophoben Zinkoxidpulver eine Behandlung im Ultraschallbad für 60 bzw. 30 Minuten. Die Beschallung wird häufig zur Agglomerierung und Dispergierung von Nanomaterialien in wässrigen Medien verwendet. Die Optimierungsstrategie muss jedoch erneut angepasst werden, wenn sich der Typ des Nanomaterials oder das Dispersionsmedium ändert.

Während des Durchführens dieses Verfahrens ist darauf zu achten, die Beschallungsgeräte zu kalibrieren, um die effektive akustische Energie zu ermitteln, die der Suspension zugeführt wird. Stellen Sie sicher, dass alle bewerteten Parameter und Zeitpunkte der Beschallung dokumentiert werden. Sobald die Technik beherrscht ist, kann sie zur Dispergierung von Nanomaterialien in Wasser oder anderen Medien eingesetzt werden, indem Art, Dauer und Leistung der Beschallung individuell angepasst werden, wobei die Temperaturerhöhungen während des Prozesses zu berücksichtigen sind.