Dispersion von Nanomaterialien in wässrigen Medien: zur Protokoll-Optimierung

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, mithilfe von Echtzeitcharakterisierung die optimalen Beschallungsbedingungen, -intensität und -dauer zu identifizieren, um stabile und gleichmäßige Nanomaterialdispersionen in wässrigen Medien zu erhalten. Diese Methode kann dazu beitragen, Schlüsselfragen in den Nanowissenschaften, insbesondere im Bereich der Nanotoxikologie, zu beantworten, wie die Dispersion von Nanopartikeln optimiert werden kann, ohne die Integrität der Probe zu beeinträchtigen. Der Hauptvorteil dieser Optimierungsstrategie besteht darin, dass sie die Kontrolle über die endgültige Dispergierqualität verbessert, was für die Gewährleistung der Wiederholbarkeit von entscheidender Bedeutung ist.

Zu Beginn des Verfahrens kalibrieren Sie das Sonden-Ultraschallgerät, das mit einem Durchstechflaschenblock Sonitrob ausgestattet ist. Verwenden Sie dann einen sauberen Metallspatel, um zwei Milligramm des ausgewählten Nanopulvers in jedes der drei sauberen 10- oder 20-Milliliter-Glasfläschchen zu messen, die von eins bis drei nummeriert sind. Pipettieren Sie einen Milliliter entionisiertes Wasser entlang der Innenwände jedes Fläschchens.

Verwenden Sie für hydrophobe Proben stattdessen einen Milliliter Ethanol mit 0,5 Volumenprozent in deionisiertem Wasser. Mischen Sie jede Probe zu einer dickflüssigen Paste. Fügen Sie dann der Paste ausreichend entionisiertes Wasser hinzu, um eine endgültige Probenkonzentration von 0,2 Milligramm pro Milliliter zu erreichen.

Schwenken Sie die Fläschchen horizontal, um jegliches Nanopulver zu entfernen, das an den Innenwänden haftet. Übertragen Sie 1,5 Milliliter jeder Nanopulverdispersion in saubere Mikrozentrifugenröhrchen, die mit den entsprechenden Nummern gekennzeichnet sind. Verschließen Sie die Röhrchen fest und schwenken Sie sie, um Nanopulver von den Innenwänden zu entfernen.

Geben Sie dann die Proben in das Sonitrob. Die Proben werden mit 1,1 Watt beschallt, eine Sekunde lang eingeschaltet und zwei Minuten lang eine Sekunde lang ausgeschaltet. Entfernen Sie dann Probe eins aus dem Block.

Übertragen Sie einen Milliliter von der Oberseite der Dispersion in ein anderes, sauberes Mikrozentrifugenröhrchen. Geben Sie deionisiertes Wasser in das Röhrchen, um eine Probenkonzentration von 0,02 Milligramm pro Milliliter zu erreichen. Beginnen Sie sofort mit der Probencharakterisierung.

10 Minuten nach dem Ende der ersten Beschallungsbehandlung beschallen Sie die verbleibenden Proben vier Minuten lang mit der gleichen Amplituden- und Pulseinstellung. Die Probe wird um zwei bis 0,02 Milligramm pro Milliliter mit entionisiertem Wasser verdünnt und mit der Charakterisierung begonnen. 10 Minuten nach dem Ende der zweiten Beschallungsbehandlung wird die dritte Probe für weitere vier Minuten bei den gleichen Einstellungen beschallt.

Verdünnen Sie die Probe um drei bis 0,02 Milligramm pro Milliliter und beginnen Sie mit der Charakterisierung. Zuerst kalibrieren Sie ein Ultraschallbad in Bezug auf den Badsensor. Geben Sie anschließend mit einem sauberen Spatel zwei Milligramm des ausgewählten Nanopulvers in jedes der vier sauberen Glasfläschchen mit den Nummern vier bis sieben.

Pipettieren Sie einen Milliliter deionisiertes Wasser entlang der Wände jedes Fläschchens und mischen Sie die Pulver zu dicken Pasten. Fügen Sie entionisiertes Wasser hinzu, um eine Probenkonzentration von 0,2 Milligramm pro Milliliter in jedem Fläschchen zu erreichen. Verschließen Sie die Fläschchen und schwenken Sie sie, um jegliches Nanopulver zu entfernen, das an den Innenflächen haftet.

Stellen Sie die Fläschchen in die Mitte des kalibrierten Ultraschallbades. Stellen Sie sicher, dass sich der Wasserstand auf halber Höhe der Fläschchen befindet. Die Probe wird 15 Minuten lang bei Raumtemperatur bei 80 Watt beschallt.

Dann wird ein Aliquot der vierten Probe in ein sauberes Fläschchen überführt. Verdünnen Sie das Aliquot mit deionisiertem Wasser auf 0,02 Milligramm pro Milliliter und beginnen Sie mit der Charakterisierung. Ersetzen Sie das Ultraschallbadewasser durch frisches Wasser mit Raumtemperatur, um einen Wärmestau zu vermeiden, der die Dispersionen beeinträchtigen könnte.

Um mit der Beurteilung der Partikelgröße durch dynamische Lichtstreuung zu beginnen, öffnen Sie die Gerätesoftware und erstellen Sie eine Größenmessdatei. Geben Sie die Äquilibrierungszeit, die Temperatur, den Küvettentyp und den Experimentiermodus ein. Speichern Sie die Datei mit der Größenmessung.

Führen Sie dann eine DLS-Verifizierungsmessung an einer Probe von Standard-Latexkügelchen mit einer Nenngröße von 100 Nanometern durch. Vergewissern Sie sich, dass die Leistung des Geräts den entsprechenden Standards entspricht. Pipettieren Sie anschließend langsam einen Milliliter einer verdünnten Nanopulverdispersion in eine saubere Einwegküvette mit geringem Volumen und achten Sie darauf, dass sich keine Luftblasen bilden.

Setzen Sie die Küvette in das Gerät ein und starten Sie die Datenerfassung. Nehmen Sie mindestens fünf Messungen pro Probe vor. Wählen Sie dann alle Messungen aus und berechnen Sie den Durchschnitt für jede Probe.

Exportieren Sie die Messdaten zur weiteren Analyse in ein Tabellenkalkulationsprogramm. Um mit der Probencharakterisierung mit UV-Vis-Spektroskopie zu beginnen, öffnen Sie die Gerätesoftware und bereiten Sie eine neue Haut vor. Pipettieren Sie zwei bis drei Milliliter einer verdünnten Nanopulverdispersion in eine saubere Standard-Quarzküvette.

Stellen Sie dann den Wellenlängenbereich des Instruments auf einen Bereich von 700 Nanometern bis 200 Nanometern ein. Besorgen Sie sich einen Lösungsmittelrohling für die Hintergrundsubtraktion. Erfassen Sie mindestens drei Spektren pro Probe und exportieren Sie die Daten zur weiteren Analyse.

Um mit der Probencharakterisierung mit der Übergangselektronenmikroskopie zu beginnen, geben Sie als Nächstes einen Tropfen einer verdünnten Nanopulverdispersion auf einen sauberen löchrigen Kohlenstofffilm mit 300 Mesh. Lassen Sie die Probe unter Umgebungsbedingungen an der Luft trocknen, während sie vor Kontamination in der Luft geschützt ist. Waschen Sie dann den Rost mit ultrareinem Wasser, um Effekte durch ungleichmäßiges Trocknen zu entfernen.

Erfassen Sie TEM-Bilder und exportieren Sie sie zur weiteren Analyse. Vor der Dispersion zeigten Zinkoxid-Nanomaterialien mit hydrophilen oder hydrophoben Oberflächenprofilen große mittlere Partikelgrößen und eine hohe Polydispersität. Die Partikelgröße und Polydispersität des hydrophilen Zinkoxids nahm nach 15-minütiger Beschallung in einem Ultraschallbad ab, nahm aber mit fortschreitender Beschallung zu.

TEM-Bilder bestätigen, dass die Partikel bei fortgesetzter Beschallung wieder agglomerierten. Die Behandlung der hydrophoben Zinkoxidpartikel im Ultraschallbad führte zu einer Abnahme der Partikelgröße in der Polydispersität, die bei 30 Minuten ein Plateau erreichte. In TEM-Bildern der hydrophoben Zinkoxide wurden Trocknungseffekte beobachtet, was darauf hindeutet, dass die Vorbenetzung mit Ethanol zu Schwierigkeiten bei der Immobilisierung des Pulvers auf dem Kohlenstoffgitter führte.

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

Basierend auf den Polydispersitätswerten wurde festgestellt, dass die optimalen Dispergierbedingungen für die hydrophilen und hydrophoben Zinkoxidpulver eine unkonventionelle Badbehandlung von 60 bzw. 30 Minuten sind. Die Beschallung wird häufig zum Agglomerieren und Dispergieren von Nanomaterialien in wässrigen Medien eingesetzt. Die Optimierungsstrategie muss jedoch für jede Änderung des Nanomaterialtyps oder des Dispersionsmediums neu optimiert werden.

Denken Sie bei diesem Verfahren daran, die Ultraschallgeräte zu kalibrieren, um ihre effektive akustische Energie zu bestimmen, die an die Suspension abgegeben wird. Stellen Sie sicher, dass Sie alle bewerteten Ultraschallparameter und Zeitpunkte aufzeichnen. Sobald diese Technik beherrscht ist, kann sie für die Dispersion von Nanomaterialien in Wasser oder anderen Medien verwendet werden, indem die Art der Beschallung, die Zeit und die Leistung individuell angepasst werden, wobei der Temperaturanstieg während des Prozesses