UV-Vis Spektroskopische Charakterisierung von Nanomaterialien in wässrigen Medien
25. Oktober 2021
Diese Studie präsentiert die Benchmarking-Ergebnisse für einen Ringversuch (ILC), der entwickelt wurde, um das Standard Operating Procedure (SOP) zu testen, das für Gold (Au)-Kolloiddispersionen entwickelt wurde, die durch ultraviolett sichtbare Spektroskopie (UV-Vis) gekennzeichnet sind, unter sechs Partnern aus dem H2020 ACEnano-Projekt zur Probenvorbereitung, -messung und -analyse der Ergebnisse.
Die UV-Vis-Spektrophotometrie ist eine etablierte, einfach zu bedienende und kostengünstige Technik zur Messung der Größe, Konzentration, des Aggregationszustands und des Brechungsindex von Nanomaterialien. UV-Vis bietet ein nichtinvasives und schnelles Echtzeit-Screening und die Bewertung der Eigenschaften von Nanomaterialien mithilfe einfacher Absorptionsmessungen. UV-Vis ist außergewöhnlich einfach.
Die Proben erfordern wenig Vorbereitung, und die Software hat nur wenige Variablen und ist einfach zu bedienen. Schalten Sie das UV-Vis-Spektrometer für mindestens 20 Minuten ein, damit sich die Lampe aufheizen kann. Laden Sie die Software und wählen Sie Gerät anschließen Wählen Sie die Option Spektrum-Scan aus dem Modusfenster, das die Betriebsmodi anzeigt.
Klicken Sie in der Software auf Instrument und gehen Sie in der Befehlsleiste zu Einstellungen, wählen Sie Parameter für spectrum Scan und passen Sie dann die Einstellungen für die Messung an. Wechseln Sie zur Registerkarte Instrument, und wählen Sie ABS für den Datenmodus und Schlitzbreite von 1,5 aus. Wechseln Sie zur Registerkarte Wellenlängenscan und legen Sie eine Anfangswellenlänge von 680 Nanometern, eine Endwellenlänge von 380 Nanometern und eine Scangeschwindigkeit von 400 Nanometern pro Minute fest.
Füllen Sie nach dem Einstellen der Parameter zwei Küvetten mit einem Milliliter Ultrareines Wasser und legen Sie sie in den Referenz- und Probenzellenhalter, um den Lichtweg abzudecken. Schließen Sie die Geräteabdeckung und fahren Sie mit der Leerkalibrierung fort, indem Sie in der Befehlsleiste leer und dann OK auswählen. Nehmen Sie eine 500-Mikroliter-Subprobe jeder Gold-Nanopartikelprobe und bereiten Sie eine Verdünnung mit 500 Mikrolitern Reinstwasser vor. Die Verdünnungen in Ein-Milliliter-Küvetten mit einer Endkonzentration von 25 Mikrogramm pro Milliliter geben.
Führen Sie eine leere Kalibrierung durch. Ersetzen Sie nach der Blindkalibrierung eine der blinden Küvetten im Probenzellhalter durch eine Goldnanopartikelprobe, wobei die Referenzküvette unberührt bleibt. Wählen Sie in der Befehlsleiste measure Start aus, um den Scan auszuführen.
Führen Sie drei Spektrumscans für jede verdünnte Gold-Nanopartikelprobe und unbekannte Probe durch. Extrahieren Sie die experimentellen Rohdaten für jede Messung in eine tabellenkalkulationskompatible Datei. Wählen Sie im Scan Eigenschaft aus, wechseln Sie in der Befehlsleiste zur Registerkarte Drucken/Exportieren, klicken Sie auf Daten, Spektrum und Parameter, und drücken Sie OK. Klicken Sie in der Befehlsleiste auf Speichern und speichern Sie die Daten als xls-Datei.
Notieren Sie sich die maximale Absorptionswellenlänge und Lambda für jeden der Messwerte und zeichnen Sie sie in der bereitgestellten Vorlage auf. Zeichnen Sie eine Kalibrierkurve mit dem Durchschnitt des maximalen Lambda im Vergleich zur Nanopartikelgröße, indem Sie Daten auswählen, Diagramm einfügen, Streudiagramm, Trendlinie und Polynomkurve hinzufügen. Um die Polynomgleichung für die Kalibrierkurve einzuschließen, wählen Sie in der Befehlsleiste Trendlinienoptionen und Gleichung im Diagramm anzeigen aus.
Berechnen Sie schließlich die Größe der unbekannten Goldnanopartikelprobe, indem Sie die Polynomgleichung aus der Kalibrierkurve isolieren, um den Mittelwert für das unbekannte maximale Lambda unter Verwendung einer Ableitung der quadratischen Formel anzupassen. Unter den sechs Labors zeigte die maximale Wellenlänge eine enge Wiederholbarkeit, während die maximalen Absorptionsergebnisse einen verstreuteren Bereich von Datenwerten für verschiedene Goldnanopartikelgrößen aufwiesen. Die Bereiche und Gesamtmittelwerte für jede Gold-Nanopartikelgröße sind hier dargestellt.
Der maximale Z-Score-Wert für Lambda max wurde von Labor drei für die 5-Nanometer-großen Nanopartikel gemeldet, und der höchste Z-Score für maximale Absorption wurde von Labor eins für 40-Nanometer-große Nanopartikel gemeldet. Die meisten Partner berechneten die Größe des unbekannten Nanopartikels auf 76 bis 80 Nanometer, wobei Labor fünf einen Ausreißer von 109 Nanometern meldete. Die Z-Scores für unbekannte Größen wurden für alle Labore zwischen minus 0,25 und minus 0,56 berechnet, mit der einzigen Ausnahme, die von Labor fünf gemeldet wurde, das den höchsten positiven Z-Score von 2,03 aufwies.
Stellen Sie sicher, dass die Parameter und Einstellungen korrekt angepasst wurden. Die verdünnten Proben müssen vor der Messung mit dem UV-Vis frisch zubereitet werden. UV-Vis kann leicht mit anderen Werkzeugen wie TEM, DLS und AFM kombiniert werden, um eine Vielzahl von Attributen zu messen, wenn Benutzer ihre Probe umfassender charakterisieren möchten.
Übersicht
Diese Studie stellt einen Vergleich zwischen Laboratorien (ILC) als Referenz dar, um das Standardarbeitsprotokoll (SOP) für Gold-(Au-)Kolloiddispersionen mittels UV-Vis-Spektroskopie zu bewerten. Sechs Partner des H2020-ACEnano-Projekts beteiligten sich an der Studie, wobei der Fokus auf der Probenvorbereitung, Messung und Ergebnisanalyse lag.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Nanomaterialien
- Analytische Chemie
- Vergleichende Laboruntersuchungen
Hintergrund
- Die UV-Vis-Spektrophotometrie ist eine weit verbreitete Methode zur Charakterisierung von Nanomaterialien.
- Die Methode ist nichtinvasiv und ermöglicht die Echtzeitevaluierung von Probeneigenschaften.
- Einfache Absorptionsmessungen liefern Erkenntnisse über Größe, Konzentration und Aggregationszustand.
- Standardarbeitsanweisungen sind entscheidend für konsistente Ergebnisse zwischen verschiedenen Laboratorien.
Zweck der Studie
- Die SOP für Goldkolloid-Dispersionen in mehreren Laboratorien zu validieren.
- Die Wiederholbarkeit und Zuverlässigkeit von UV-Vis-Messungen zu bewerten.
- Die Ergebnisse zu analysieren und Abweichungen bei der Nanopartikelgrößenbestimmung zu identifizieren.
Verwendete Methoden
- Herstellung von Gold-Nanopartikelproben und deren Verdünnungen.
- Kalibrierung des UV-Vis-Spektrometers und Durchführung von Blindmessungen.
- Durchführung mehrfacher Spektrumsaufnahmen für jede Probe.
- Datengewinnung und Analyse zur Bestimmung der Nanopartikelgrößen.
Hauptergebnisse
- Gute Wiederholbarkeit bei der Messung der maximalen Wellenlänge über verschiedene Labore hinweg.
- Variabilität der Ergebnisse für die maximale Absorption bei unterschiedlichen Nanopartikelgrößen.
- Die meisten Labore schätzten die unbekannte Nanopartikelgröße zwischen 76 und 80 Nanometer ein.
- Das fünfte Labor meldete eine abweichende Größe von 109 Nanometern.
Schlussfolgerungen
- Die Studie unterstreicht die Bedeutung standardisierter Verfahren für UV-Vis-Messungen.
- Abweichungen in den Absorptionsdaten deuten auf die Notwendigkeit weiterer Untersuchungen hin.
- Zusammenarbeit zwischen Laboratorien kann die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Messungen verbessern.
Häufig gestellte Fragen
Ausschlaggebende Bedeutung für die Industrie
Mithilfe der UV-Vis-Spektroskopie lassen sich Größe, Konzentration und Aggregationszustand von Nanomaterialien schnell und nichtinvasiv untersuchen, was die physikochemische Charakterisierung in der frühen Entwicklungsphase von Nanomedikamenten unterstützt. Standardisierte Protokolle verbessern die Reproduzierbarkeit zwischen verschiedenen Laboratorien und verringern die Variabilität bei der präklinischen Bewertung von Nanomaterialien. Dies erhöht die Vorhersagegenauigkeit bei der Auswahl aussichtsreicher Kandidaten und verringert Risiken aufgrund inkonsistenten Verhaltens von Nanomaterialien in biologischen Systemen.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die Untersuchung der physikochemischen Eigenschaften von Nanomaterialien, die biologische Wechselwirkungen und die Bindung an Zielstrukturen beeinflussen.
- Operativer Wert: Bietet eine schnelle, kostengünstige Erstbewertung, um Nanomaterialkandidaten für eine weitere Bewertung zu priorisieren.
Screening und Assay-Entwicklung
- Wissenschaftlicher Wert: Erzeugt quantitative Absorptionsdaten, die zur Erstellung von Kalibrierkurven und Größen-Konzentrations-Beziehungen geeignet sind.
- Operationaler Wert: Unterstützt die Assay-Standardisierung durch definierte Wellenlängenbereiche, Scanngeschwindigkeiten und Spaltbreiten für konsistente Messungen.
- Strategischer Wert: Ermöglicht die Vorbereitung auf Hochdurchsatz-Screenings, indem die Echtzeitüberwachung von Aggregation und Stabilität ermöglicht wird.
Translationale und präklinische Forschung
- Wissenschaftlicher Wert: Liefert reproduzierbare Größen- und Aggregationsparameter, die entscheidend sind, um Nanomaterial-Eigenschaften mit präklinischen Wirksamkeits- und Toxizitätsdaten zu korrelieren.
- Operativer Wert: Ermöglicht den Vergleich von Daten zwischen verschiedenen Laboratorien, sofern SOPs befolgt werden, und unterstützt damit multizentrische präklinische Studien.
Pipeline- und Workflow-Integration
Die UV-Vis-Charakterisierung fügt sich in den Entdeckungsprozess von der anfänglichen Nanomaterialsynthese bis zur präklinischen Bewertung ein, insbesondere wenn sie mit orthogonalen Techniken wie TEM oder DLS zur umfassenden Profilierung kombiniert wird.
- Entdeckungsbiochemie: Unterstützt die Hypothesenprüfung dazu, wie Größe und Aggregation den zellulären Uptake und die Zielbindung beeinflussen.
- Screening: Ermöglicht die Versuchsbereitschaft, indem es eine schnelle, echtzeitnahe Rückmeldung zur Stabilität von Nanomaterialien während der Inkubation mit Verbindungen liefert.
- Analytik: Stellt Lambda-max- und Absorptionswerte bereit, die mithilfe von Kalibrierungskurven zur Größenschätzung und Beurteilung des Aggregationszustands dienen.
- Translationale Forschung: Schafft Anschlussfähigkeit an die präklinische Forschung, indem es eine standardisierte Methode bietet, um Nanomaterial-Eigenschaften über verschiedene Formulierungs- und Lagerbedingungen hinweg zu verfolgen.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Stellt eine skalierbare und wiederverwendbare Kapazität für die Qualitätskontrolle von Nanomaterialien in den Phasen der Entdeckung und Entwicklung dar.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Erhöht die Vorhersagesicherheit bezüglich des Verhaltens von Nanomaterialien, indem mechanistische Unklarheiten aufgrund schlecht charakterisierter Proben verringert werden.
- Operativer Wert: Fördert die Standardisierung, Reproduzierbarkeit und Skalierbarkeit zwischen Laboren und Projekten.
- Strategischer Wert: Verbessert Entscheidungen über Fortführung oder Abbruch durch die Bereitstellung zuverlässiger physikochemischer Daten zu einem frühen Zeitpunkt der Entwicklung.
- Portfolio-Wirkung: Ermöglicht eine risikoadjustierte Priorisierung basierend auf konsistenten Größen- und Aggregationsprofilen.
Durchführungsaspekte
- Erfordert Fachkenntnisse in der Spektrophotometrie und im Umgang mit Nanomaterialien, um eine korrekte Probenvorbereitung und Gerätekalibrierung sicherzustellen.
- Hängt von einer stabilen Lichtquelle und genauer Wellenlängenbestimmung ab, was eine regelmäßige Aufwärmphase des Geräts und Wartung erfordert.
- Benötigt eine Abstimmung zwischen den Teams hinsichtlich standardisierter Arbeitsanweisungen (SOPs) für Verdünnungsfaktoren, Küvettenauswahl und Datenexportformate, um Vergleichbarkeit zu gewährleisten.
- Muss die Einschränkungen bei der Detektion von Nanomaterialien unter 5 nm oder in komplexen biologischen Matrizes berücksichtigen, sofern keine vorherige Aufreinigung erfolgt.
- Profitiert von der Kombination mit komplementären Methoden (z. B. TEM, DLS), um eine vollständige physikochemische Charakterisierung zu erreichen, wenn die UV-Vis-Spektroskopie allein nicht ausreicht.
