Summary
Här presenterar vi ett stegvis protokoll för spridning av nanomaterial i vattenlösning med realtid karakterisering att identifiera den optimala ultraljudsbehandling villkor, intensitet och varaktighet för förbättrad stabilitet och enhetlighet för nanopartiklar dispersioner utan att påverka prov integritet.
Abstract
Ultraljudsbehandling processen används ofta för de agglomerering och dispergering nanomaterial i vattenlösning baserat nödvändigt att förbättra enhetlighet och stabilitet av suspensionen. I denna studie genomförs en systematisk stegvis för att identifiera optimal ultraljudsbehandling villkor för att uppnå en stabil dispersion. Denna metod har antagits och visat sig vara lämpliga för flera nanomaterial (cerium oxide, zinkoxid och kolnanorör) dispergerade i avjoniserat vatten (DI). Dock med någon förändring i nanomaterial typ eller spridning medium måste det vara optimering av det grundläggande protokollet genom justera olika faktorer såsom ultraljudsbehandling tid, kraft och någon sonikator skriver samt temperaturstegring under processen. Metoden registrerar dispersion processen i detalj. Detta är nödvändigt att identifiera tidpunkter samt andra ovannämnda villkor under ultraljudsbehandling processen där det kan finnas oönskade förändringar, såsom skador på partikeln ytbehandlar därmed påverka ytegenskaper. Vårt mål är att erbjuda ett harmoniserat tillvägagångssätt som kan kontrollera kvaliteten på den slutliga, producerade spridningen. Sådana riktlinjer är avgörande för spridningen kvalitet repeterbarhet i nanovetenskap gemenskapen, särskilt i området nanotoxikologi.
Introduction
Ultraljudsbehandling är processen att generera kavitation, som innebär skapandet, tillväxt, och kollaps bubblor (ofta kallat hotspots) bildas i vätskan på grund av bestrålning av hög intensitet ultraljud1. I laboratoriemiljö utförs ultraljudsbehandling metoden använder en någon sonikator. Det finns olika sonicators, alla har de generella funktionen hos de agglomerering partiklar, som skingra i ett flytande medium som enskilda (eller primära) partiklar. Genom att tillämpa ultraljudsbehandling, kan provets homogenitet förbättra, eventuellt uppnå en mycket smalare partikelstorleksfördelning. En viktig aspekt att beakta i processen dispersion är stabiliteten i den slutliga spridningen. Här, definieras stabiliteten i suspensionen som där partiklarna inte nöja sig eller sediment ner i deras spridda staten och den genomsnittliga hydrodynamiska diameter mätningar inte varierar med mer än 10% mellan fem upprepade mätningarna under det tid (cirka 10 min)2,3. I området i närheten finns det flera sätt att mäta spridning stabilitet. Detta inkluderar uppskattning av zeta potential (ZP) genom mätning av elektroforetiska mobilitet av partiklar. En annan är att mäta karakteristiska absorptionen av nanopartiklar i UV spektralområde4.
I området nanotoxikologi är är möjligheten att ha kontroll över dispersion kvalitet mycket viktigt, eftersom steget spridning kommer att avgöra viktiga fysikalisk-kemiska egenskaper, såsom partikelstorleksfördelning/storlek, form, aggregering/gytter, yta avgift, etc. detta i sin tur kommer i slutändan påverkar växelverkan av partiklar med testet massmedia och resultatet av olika in vitro- och in-vivo experiment, för att härleda de potentiella riskerna med nanomaterial.
Ultraljudsbehandling utförs vanligen genom att antingen använda en sonden-typ (direkt) eller ultraljudsbad, eller ultraljudssond med en injektionsflaska diskant (indirekt ultraljudsbehandling). Alla typer av ultraljudsbehandling finns i en rad intensitet och utgång ströminställningar, ibland anpassas med en annan typ av sonotrode för specifika processer eller krav, och är lämpliga för flytande volymer alltifrån 2 till 250 mL. Även om sonden ultraljud är känd för att prestera bättre än bad ultraljudsbehandling på grund av lokaliserade högintensiv5, är bad ultraljudsbehandling ofta att föredra över sonden-typ för beredning av toxikologiska test suspensioner på grund av möjligheten förorening risken genom spetsen, erosion av Titan sond tips efter långvarig användning och sonden nedsänkning djup avvikelser. Likaså är en ultraljudssond försedd med en injektionsflaska diskant fördelaktiga över sonden direkt på grund av ovannämnda Kontaminationsrisker samt drift vänlighet av utrustningen. Flera injektionsflaskor är sonicated samtidigt och med samma intensitet. Detta sparar inte bara tid utan säkerställer att alla prover behandlas lika, vilket gör resultaten bland proverna mer tillförlitliga och jämförbara. I den säkerhetsforskningen av nanomaterial undviks kontaminering alltid. Men den sond någon sonikator passar inte detta krav och har inte testats. Sond sonicators är kända för att orsaka vissa oundvikliga biverkningar såsom prov kontaminering på grund av tip erosion samt minskad energiproduktionen leder till förändringar av spridningsförhållanden, därmed äventyra data reproducerbarhet6, 7 , 8. Dessutom prover oftast körs i avtäckt behållare leder till flytande förluster genom avdunstning samt damm nedfall. För att undvika dessa oavsiktliga förändringar, rekommenderar senaste studier alternativa indirekta sonicators baserat på deras effektiva energi leverans samt fjädring renhet assurance6.
Icke-optimerade ultraljudsbehandling kan ha en skadlig effekt på resultaten. Det eventuellt, kan ändra viktiga fysikaliska och kemiska egenskaperna för nanomaterialen som storlek, storleksfördelning, morfologi och ytladdning2,9. Tidigare litteratur har rapporterat sådana brister att styra ultraljudsbehandling processen och påverkan på partikel parametrar såsom nano-TiO25,10,11, nano-ZnO6och nano-koppar12 . Tidigare studier har dessutom visat att ultraljudsbehandling processen inte bara förändrar Partikelkännetecken utan också styr resultatet av toxikologiska tester12,13.
För att ha kontroll över dispersion processen, är det viktigt att övervaka och förstå hur olika faktorer såsom instrument makt, volymer och varaktighet, någon sonikator typ, etc., kan påverka dispersion kvalitet. Därför finns det ett behov att ha en systematisk procedur för att analysera viktiga fysikalisk-kemiska egenskaper hos partiklarna i förskingringen vid olika tidpunkter av ultraljudsbehandling processen. Även om sådana överväganden har beaktats av några forskare, är arbete på detta område begränsad. Bihari et al. har studerat spridning stabilitet av olika nanomaterial dispersioner görs med olika ultraljud energier med olika dispersion stabilisatorer14. En senaste översyn av Hartmannn et al. betonade att även om arbetet har gjorts för att förstå de olika faktorer som påverkar nanomaterial spridning kvalitet t.ex., typ av någon sonikator används, ultraljudsbehandling tid, etc., finns det fortfarande ingen väldefinierade och universellt accepterad ultraljudsbehandling förfarande stöder som för närvarande nanotoxikologisk tester och utredningar7,15.
Flera analytiska karakterisering tekniker används för att övervaka dispersion kvalitet. Dessa inkluderar användningen av: dynamisk ljus spridning (DLS), skiva centrifugering, elektrofores ljus spridning (ELS), ultraviolett-synligt ljus (UV-vis) spektroskopi och Transmission Electron Microscopy (TEM), som mäter storlek/partikelstorleksfördelning, Zeta potential, spridning stabilitet och morfologi egenskaper, respektive. DLS används ofta för att bestämma hydrodynamiska diameter (Z-genomsnitt) partiklar och polydispertion index (PdI) av nanomaterial spridning. När det gäller multimodala storleksfördelning av DLS, kanske Z-genomsnittet erhålls inte håller med intensitet-viktade storlek distribution intensiteten. Som sådan, kan medelvärdet av fördelningen av intensitet-viktade storlek citeras. PdI återspeglar bredden av storlek distribution med en skala sträcker sig från 0 - 1, med 0 är ett monodispersed prov och 1 är en mycket polydisperse prova16. Skiva centrifugering är en separation teknik används för att bestämma partikelstorleksfördelning med centrifugal sedimentering i ett flytande medium. Partiklar sediment inom ett optiskt klart och roterande skiva och mängden ljus som sprids av partiklar när de når kanten av skivan är inspelad och omvandlas till partikelstorleksfördelning Stokes lag. Lös multimodala partikel fördelning, är tekniker såsom skiva centrifug mer lämpade eftersom de har en separation mekanism element integrerad i instrumentet. Zeta potential (ζ -potentiella) av partiklar definieras som elektriska potential på deras skeva eller glider planet, som är en fiktiv gräns inom elektriska dubbla lager som skiljer (bulk) vätskan visar normalt trögflytande beteende från den Aktern lager, ett lager som är huvudsakligen består av counter joner och ansåg att flytta med partikeln. Zeta potential är direkt relaterad till ytladdning av partiklar och därför den elektrostatiska växelverkan (dvs, repulsion/attraktion) mellan partiklarna. Denna parameter anses därför en primär indikator för nanomaterial spridning stabilitet. Av konvention zeta potential värde nedan -25 mV och över 25 mV anses stabil17,18. Koncentration och typ av såväl joner som lösning pH, påverka starkt zeta potential19. ELS används för att mäta partiklar i dispersion elektroforetiska rörlighet och denna rörlighet är konverteras till zeta potential genom Henry ekvationen och Smoluchowski eller Hückel modellerna. UV-vis spektroskopi är en teknik som används för att kvantifiera ljuset som absorberas och sprids av ett prov vid en viss våglängd. Det är ofta används för att övervaka spridning stabilitet genom att mäta karakteristiska absorptionen av nanomaterial i regionen UV. Slutligen, TEM används ofta för att visualisera och analysera storlek, storleksfördelning, gytter, och formen av nanopartiklar5,14,15,20.
Vi presenterar en jämförande studie av sex olika nanomaterial dispersioner gjorts med ultraljudsbad och en ultraljudssond försedd med en injektionsflaska tweeter. Partikel koncentration, temperatur, någon sonikator typ och inställningar som används i studien anges i protokollet, så att de experimentella inställningarna för liknande sonder och Ultraljuds bad kan utläsas. De följande nanomaterial används: silver (Ag), cerium oxide (VD2), zinkoxid (ZnO, NM110-hydrofila och NM111-hydrofoba) och kolbaserade nanomaterial såsom kolnanorör (A32 och A106, se Tabell för material).
Bedömning av dispersion kvalitet vid olika tidpunkter längs ultraljudsbehandling processen görs med hjälp av olika karakterisering tekniker, nämligen DLS för storlek/partikelstorleksfördelning, skiva centrifugering för storleksfördelning, ELS för zeta potential, UV-vis-spektroskopi för stabilitet och TEM för partikelform och homogenitet. Ett antal olika nanomaterial alltifrån metalloxider till kolbaserade utvärderas. För jämförelse används kommersiella vattensuspension av Silvernanopartiklar (Ag-NPs) stabiliserad med citrat tak parallellt, för att härleda en relevant kommersiellt tillgängliga suspension förväntade långsiktiga stabilitet. Uppenbarligen denna Ag-NPs modell är inte direkt relaterade till någon av förfaranden som spridning men agerar enbart för att indikera att behöva åter Sonikera eller åter stabilisera upphängningarna efter en tids lagring eftersom förändringar såsom re gytter är bundet inträffa under lagring. Suspensionen förvaras i kylskåpet i två månader. Under denna period kännetecknas spridning för att identifiera potentiella gytter av partiklarna. De första resultaten visar en instabil suspension (som diskuteras i avsnittet resultat ). Därefter utsätts ytterligare denna spridning av olika ultraljudsbehandling behandlingar, liknar den andra nanomaterial som används i studien. Syftet med studien är att bekräfta att vi de kan fällningen klumpar suspensionen genom samma ultraljudsbehandling protokoll. Ag-NPs modellen kan därmed associeras som riktmärke för långtidsstudier som representerar återdispergering av partiklar i optimerade form.
Dispersion protokollen presenteras här likheter dem publicerade i tidigare litteratur och innehåller några av de några tidigare rekommendationer som tidigare arbetstagare7,21,22,23 ,24,25. I denna studie används ett systematiskt och stegvis tillvägagångssätt att övervaka dispersion kvalitet i hela protokollet dispersion. Detta tillvägagångssätt åtar sig realtid karakterisering av nanomaterial dispersioner, för att identifiera optimala experimentella spridningsförhållanden (figur 1).
Figur 1. Flödesschema som skildrar systematik och stegvis sekvens av protokollet dispersion. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Protocol
Obs: Alla kemikalier används som mottagits utan ytterligare rening. Använda ultrarent vatten under hela studien med en resistivitet av 18 MΩ·cm. Alla de förberedda dispersioner lagras vanligtvis vid 5 ° C i mörker för eventuella ytterligare karakterisering eller framtida stabilitetsundersökningar men detta kan variera beroende på materialsammansättning och andra associerade egenskaper som upplösning. Ag-NPs är exempelvis allmänt stabil för en tid om förvaras mellan 2-5 ° C borta från solljus; men dynamiska förändringar är bundna att hända inom upphängningarna och dispersioner kommer åter fällningen klumpar ändå och är kända för att sediment ner med tiden. Analysera dessa material använder DLS, UV-vis, och TEM för kvalitet kontroll före biologisk testning4,5,13,14. En koncentration av 0,02 mg/mL används för analys nedan. Prov koncentrationen är lämplig för analys med DLS, UV-vis, skivan centrifug, zeta potential beräkningar och TEM analys.
1. kalibrering av levererade makt genom Sonicators
Obs: Effektiv akustisk kraften levereras till sonicated upphängningen är en viktig parameter för att erhålla reproducerbara dispersioner. Detta skiljer sig från den elektriska ingång eller uteffekt av den generator som anges av tillverkaren, eftersom detta är den faktiska makt som är slutprodukt till upphängningen under ultraljudsbehandling26. Bland många metoder för beräkning av effektiv levererad effekt är den vanligaste metoden kalorimetri26. Detta är kända för att vara ett enkelt och effektivt sätt för direkt mätning av effektiv power levereras till en suspension7. I den här metoden temperaturökningen av vätskan på en given någon sonikator inställning registreras över tid och effektiva kraften levereras beräknas med följande ekvation:
där P är den levererade akustisk effekt (W), T är temperaturen (K), t motsvarar tid (s), CP är den specifika värmen av vätskan (4.18 J/g· K för vatten), och M är massan av vätskan (g).
-
Kalibrering av levererade makt ultraljud sonden försedd med en injektionsflaska tweeter
Obs: Metoden är anpassad från Taurozzi et al. 7 och följande steg rekommenderas.- Placera en tom plast injektionsflaska på microbalance och Taravikt balansen.
- Fyll flaskan med 1,5 mL DI vatten (resistivitet 18 MΩ·cm) och registrera massan av vätskan med balansen.
- Placera injektionsflaskan i en av de sex injektionsflaska hål i den högintensiva delen av injektionsflaskan diskant och fördjupa en temperatursond ansluten till en digital temperatur mätaren med hjälp av en klämma. Kontrollera att sonden inte vidrör väggarna i injektionsflaskan och är cirka 2 cm under vätskeytan.
- Ange inställningen injektionsflaska tweeter på 24 kHz och 10 W (amplitud justering på 50%) och fungera i kontinuerligt läge.
Obs: Andra amplitud justeringar testat här är 70%, 90% och 100%. - Spela in ökningen i vattentemperatur för de första 5 min intervall 30 s och säkerställa att injektionsflaskan eller Ställ inte flyttas position.
- Skapa en temperatur versus tidskurvan i ett kalkylprogram och få den bästa linjära passformen för kurvan med hjälp av minsta kvadratmetoden regression.
- Erhålla lutningen på grafen (vilket är en ökning av temperaturen över tiden) och beräkna kraften levereras med hjälp av ekvation 1. Upprepa experimentet tre gånger och erhåller medelvärdet.
- Upprepa proceduren från steg 1.1.1 - 1.1.4 för 70%, 90% och 100% amplitud inställningar. Det power-värde som erhålls med den här proceduren rapporteras under spridning förfarandet.
-
Kalibrering av levererade makt genom ett ultraljudsbad
- Placera en tom plast injektionsflaska på microbalance och Taravikt balansen.
- Fyll flaskan med 1,5 mL DI vatten (resistivitet 18 MΩ·cm) och registrera massan av vätskan med balansen.
- Placera injektionsflaskan med mitt i ultraljudsbadet hälften doppad i vatten och säkra den med en klämma. Fördjupa en temperatursond ansluten till en digital temperatur mätaren med hjälp av en klämma. Kontrollera att sonden inte vidrör väggarna i injektionsflaskan och är cirka 2 cm under vätskeytan.
- Ställ in ultraljudsbadet på 40 KHz och 80 W och fungera i kontinuerligt läge.
- Spela in ökningen i vattentemperatur för de första 5 min intervall 30 s och säkerställa att injektionsflaskan eller Ställ inte flyttas position.
- Skapa en temperatur versus tidskurvan i excel och få den bästa linjära passformen för kurvan med hjälp av minsta kvadratmetoden regression.
- Erhålla lutningen på diagrammet i ett kalkylprogram (som är ökningen av temperaturen över tiden) och beräkna kraften levereras med hjälp av ekvation 1. Upprepa experimentet tre gånger och erhåller medelvärdet. Det power-värde som erhålls med den här proceduren rapporteras under förfarandet för spridning.
2. spridning förfarande i vattenhaltigt Medium med en ultraljudssond försedd med en injektionsflaska Tweeter
- Väg 2 mg av varje av de obligatoriska nanopowder med en ren spatel till tre rena glasflaskor. Märka dem som injektionsflaskor 1, 2 och 3.
- Pipettera ut 1 mL DI vatten och Lägg längs väggarna i en injektionsflaska. Gör en tjock pasta med hjälp av en ren tunn glasstav, tillsätt sedan resten av vattnet för att göra en slutlig koncentration av 0,2 mg/mL. Vid en hydrofoba prov, utföra den före vätning med 1 mL 0,5% vol/vol etanol och tillsätt DI vatten för att kompensera den önskade slutliga koncentrationen.
- Försegla varje injektionsflaska med locket och skaka väl i horisontella cirkelrörelse till regleringsmyndighet nanopowder sticker till väggarna i injektionsflaskan.
- Placera de tre flaskorna i ultraljudssond försedd med en injektionsflaska tweeter och tillämpa den första ultraljudsbehandling behandlingen i 2 min på 1,1 W i pulsad läge (1 s/1 s, vilket innebär 1 s på och 1 s off). Detta ger en temperaturökning på ca 4 ° C i förskingringen.
- Ta ut injektionsflaskan 1 och pipett ut en lämplig mängd alikvot från toppen av flaskan, späd med DI vatten till en koncentration av 0,02 mg/mL. Karakterisera den utspädda spridningen för storlek, partikelstorleksfördelning, form, gytter och zeta potential med hjälp av en rad gratis tekniker såsom DLS, TEM, UV-vis, och ELS (beskrivs i avsnitt 4). Spela in och dokumentera mätningarna korrekt.
- Paus för 10 min från steg 2,4 så att kylning av provet och för att undvika eventuella plötsliga temperaturstegring i systemet. Tillämpa en andra ultraljudsbehandling behandling till flaskor 2 och 3 för 4 min på samma inställningar av amplitud och pulsad läge. Ta ut injektionsflaskan 2, upprepa steg 2.5 och dokumentera avläsningar efter 6 min av ultraljudsbehandling.
- Pausa i 10 min, tillämpa en tredje ultraljudsbehandling behandling till injektionsflaska 3 för en annan 4 min och följ sedan steg 2.5. Spela in och dokumentera mätningarna vid 10 min av ultraljudsbehandling (beskrivs i avsnitt 4).
Obs: Lab rockar, handskar och skyddsglasögon ska användas vid hantering suspensioner av nanopartiklar. Den någon sonikator måste placeras i akustiska inneslutningen under längre experiment och högt skydd hörselskydd måste bäras när arbetar närmare till ultraljud källan.
3. Dispersion förfarande i vattenhaltigt Medium använder ett ultraljudsbad
- Väger 2 mg av varje av de obligatoriska nanopowder med en ren spatel i fyra rena glasflaskor och märka dem som injektionsflaskor 4, 5, 6 och 7.
- Pipettera ut några droppar DI vatten och Lägg längs väggarna i varje injektionsflaska, och gör en tjock pasta med hjälp av ren tunn glasstav. Tillsätt sedan resten av vattnet för att göra en slutlig koncentration av 0,2 mg/mL i varje injektionsflaska.
Obs: Vid en hydrofoba prov, den före vätning utförs med 1 mL 0,5% vol/vol etanol och sedan DI vatten tillsätts för att kompensera den önskade slutliga koncentrationen. - Försegla varje injektionsflaska med locket och skaka väl i den horisontella cirkelrörelser för att ta bort eventuella nanopowder som sticker till väggarna i injektionsflaskan.
- Placera fyra rören mitt i ultraljudsbad med injektionsflaskorna hälften doppad i vatten och tillämpa den första ultraljudsbehandling behandlingen på 80 W under 15 minuter vid rumstemperatur. Detta skulle ge en temperaturökning på ca 3 ° C i förskingringen.
- Injektionsflaska 4 ta bort ultraljudsbadet och Pipettera ut en lämplig mängd alikvot från toppen av flaskan, späd med DI vatten till en koncentration av 0,02 mg/mL och karakterisera provet för storlek, partikelstorleksfördelning, form, gytter och zeta potential med hjälp av en rad gratis tekniker såsom DLS, TEM, UV-vis, och ELS (beskrivs i avsnitt 4). Spela in och dokumentera mätningarna.
- Byta vatten i ultraljudsbadet och tillämpa en andra ultraljudsbehandling behandling för injektionsflaskor 5, 6 och 7 för en annan 15 min på samma inställningar (80 W). Ta bort injektionsflaska 5, Följ steg 3.5 för karakterisering och dokumentera avläsningarna på 30 min av ultraljudsbehandling.
- Byta vatten i ultraljudsbadet (för att undvika eventuella ytterligare temperaturstegring) och tillämpa en tredje ultraljudsbehandling behandling av en annan 30 min till flaskor 6 och 7 på samma inställningar med en liten paus på byte av vatten igen vid 15 min. ta bort injektionsflaskan 6 och följ steg 3.5. Spela in och dokumentera mätningar på 1 h av ultraljudsbehandling.
- Byta vatten igen i ultraljudsbadet varje 15 min och tillämpa en fjärde ultraljudsbehandling behandling till injektionsflaska 7 för ytterligare en timme att hålla inställningar konstant. Ta ut injektionsflaskan 7 och följ steg 3.5 för fullständig karakterisering och registrera mätningar på 2 h av ultraljudsbehandling.
4. karakterisering av spridda proverna vid olika tidpunkter
- Storlek karakterisering använder DLS 27
- Öppna programvaran DLS. Skapa en storlek mätning fil som kan anpassas individuellt för ett specifika nanomaterial (inklusive en för en standard) med hjälp av brytningsindex värdet från Malvern manual. Dessutom ange andra uppgifter som krävs av programvara, till exempel värden av absorption och viskositet, och även typ av dispergeringsmedel.
- Ange i experiment villkoren för provet, t ex 2 min Jämviktstiden tid, 20 ° C temperatur, kyvetten som låg volym disponibla kyvetten och experimentera kör i automatläge. Tryck på filen | Spara (sparar med önskat namn).
- Tryck på ”fil | Öppna ny mätning ”och kör en DLS kontrolltestet med standard latex pärlor med en nominell storlek 100 nm att kvalificera instrument prestanda
- Använd en låg volym disponibla kyvetten. Injicera 1 mL av provet med spruta eller pipetter för att undvika eventuella luftbubblor.
Obs: Ren kyvetter med etanol och DI vatten före användning. - In i kyvetten i maskinen. Klicka på ”start”-knappen i panelen fil mätning. Observera att detta kommer att temperera provet för 2 min och gör mätningar vid 20 ° C.
Obs: Om prover har tidigare förvarats i kylen, att de når rumstemperatur före användning. - Samla minst fem mätningar i automatiskt läge och ta medelvärdet av mätningarna att rapportera storleken genom att välja alla mätningar och klicka på ”genomsnittlig” från den övre panelen. Exportera data till excel för vidare analys.
- Rapportera den hydrodynamiska diametern som Z-genomsnittet, med PdI bredd som representerar standardavvikelsen för Z-genomsnittet vid en monomodal distribution28. Vid en betydande diskrepans mellan Z-genomsnittet och medelvärdet av fördelningen av intensitet-viktade storlek, som är vägledande för polydispertion eller tätbebyggelse, citeras medelvärdet av intensitet-viktade storlek distribution resultatet med en kommentar på sample status.
- Upprepa steg 4.1.3 för nya mätningar.
Obs: DLS är inte en lämplig teknik för analys av icke-ideala proverna. Med detta menar vi prover som är icke-sfäriska partiklar med hög polydispertion, omfattande gytter, sedimentering, etc. de upprepa mätningarna kan resultera i felaktiga värden på grund av sedimentering/lösa partiklar. I sådana fall rekommenderas andra kostnadsfri tekniker såsom skiva centrifugering, som kan användas för att bedöma spridning på ett kvalitativt sätt.
- Använd en låg volym disponibla kyvetten. Injicera 1 mL av provet med spruta eller pipetter för att undvika eventuella luftbubblor.
- Storlek distribution av skivan centrifugering
- Öppna programvaran för CPS. Välj ”förfarande definition”, sätta i provet SOP namn längst upp och fyll provet parametrar såsom minsta och största diameter, partikel densitet, brytningsindex, absorption och icke-sfärisk faktor29.
- För exempel, för ZnO nanopartiklar, Skriv 0,1 micron och 1.0 micron på flikarna minsta och största diameter respektive, ange 5,61 g/mL i partikel täthet, 2.1 i avsnittet brytningsindex, 0,001 i partikel absorptionen och 1 i icke-sfärisk avsnitt.
- Fyll den kalibrering som standard Detaljer bygger på PVC standard topp diameter 0.377 µm med partikel täthet av 1.385 g/mL. Också fylla i vätska parametrar (sackaros, fluid densitet 1,04 g/ml, och vätska brytningsindex på 1,35) och namn och spara förfarandet.
- Valde det valda förfarandet (SOP sparade i steg 4.2.1) och injicera gradient Grundnivå, 1,6 mL sackaros (24%) i hål genom den skivan och tryck på 'starten'.
Obs: Rollen av sackaros här är att upprätta en täthetlutning i skivan medan spinning med konstant hastighet. Detta beräknas automatiskt skivan hastigheten beroende på storleksintervall. - Vänta tills programmet når den automatiskt beräknade RPM (varv per minut). Stabilisera sedimentation genom att injicera en gradient av sackaros (8% låg densitet och 24% hög densitet, se tabell 1), 1,6 mL totalt volym varje gång börjar med högsta densitet och slutar med den lägsta density-lösningen.
Obs: Här markerar vi de 8% sackaroslösning som låg och 24% sackaroslösning som hög. De är blandade i följande volymer (totala volym 1,6 mL varje gång) och injiceras i skivan en efter en tills en gradient bildas.- Efter detta, injicera 1,0 mL av dodecane cap vätska som hjälper till att upprätthålla övertoningen på en skiva för minst 6 h. Tillåt skiva centrifugen temperera för 1 h.
- Välj ”driva analyzer” och införa den prov-ID och tryck på start. Injicera 0,2 mL standard med en 1 mL spruta i skivan och tryck på mellanslagstangenten samtidigt. Sedan injicera 0,2 mL av provet och tryck på mellanslagstangenten samtidigt. Vänta tills mätningen att avsluta och klicka sedan på nästa prov.
- Använda programvaran skivan centrifug kontroll system att förvärva och bearbeta data. För detta, klicka ”Hämta distribution” och klicka på namnet på prov; Detta öppnar storlek distribution grafen för provet. Exportera data till ett kalkylblad manager.
- Öppna programvaran för CPS. Välj ”förfarande definition”, sätta i provet SOP namn längst upp och fyll provet parametrar såsom minsta och största diameter, partikel densitet, brytningsindex, absorption och icke-sfärisk faktor29.
- Spridning stabilitet studie med UV-vis spektroskopi
Obs: UV-vis spektroskopi används ofta att förstå suspensionens stabilitet och aggregation genom att noggrant Observera ändringarna i peak intensitet, spektrala snedhet, spektrala form samt våglängden skifta i absorptionsspektrum4. De detaljerade anvisningarna är följande.- Öppna programvaran för UV-vis-spektrofotometer och klicka på ”spektrum scan”30.
- Använda en standard kvarts kyvetten (semi microrectangular kvarts cell 100 mm, 190-2.700 nm). Injicera 2-3 mL av provet med pipett.
- Före användning tvätta kyvetter med 50% salpetersyra i 10 min och tvätta sedan tre gånger med renat vatten. Skölj sedan med aceton, avlägsna överskott och lufttorka.
- Förinställda intervallet instrument inställning till 700 nm till 200 nm våglängd från fliken våglängd genom ”Instrument” överst på panelen programvara och klicka på 'Ange våglängd'.
- Klicka på ”baseline”. Bakgrunden subtrahera varje spektrum med en motsvarande 'Tom' dvsen kyvetten fylld med bara dispergering medium, som i detta fall är vatten.
Obs: Vid hydrofoba prover används ett liknande förhållande etanol: vatten som spridning medium. - Samla minst tre enskilda spectra på varje prov genom att klicka ”Instrument | Egendom ”, och ange '3' i antalet spectra. Ta medelvärden för analys. Spara data och exportera data för vidare analys.
- Zeta potential mätningar med ELS
- Öppna programvaran DLS. Skapa en zeta potential mätning fil som kan anpassas individuellt för ett specifika nanomaterial med hjälp av brytningsindex värdet från Malvern manual. Ange annan information som kan anslutas till den programvara t.ex., absorption, viskositet och typ av dispergeringsmedel som finns i fliken prov inställningen Klicka ”fil | Spara ”och spara med önskat namn.
- Klicka på ”fil | Öppna ny mätning ”och kontrollera instrument prestanda genom att använda en referens standard DTS 1235 (zeta potential standard). Detta är en polystyren latex standard i vattenlösning buffert med pH 9 och har en zeta potential-42 ± 4,2 MV.
- Förbereda provet i en spruta minst 1 mL kapacitet. Användning en disponibel vikta kapillär cell försedd med en elektrod på varje sida för zeta potential mätningar. Injicera försiktigt provet i kapillär cellen genom en av portarna på kapillär cell kontroll att det finns inga bubblor.
- När provet börjar växa fram från den andra änden, infoga proppar och ta bort eventuell vätska som kan ha spilla på elektroderna. Ren kyvetter noggrant med etanol och DI-vatten.
- In den vikta kapillära cellen i maskinen. Låt jämvikta i 2 min och förvärva mätningarna vid 200 ° C om inte annat anges. Om spridning prover har tidigare förvarats i kylen, tillåta spridning proverna att nå rumstemperatur före användning.
- Samla in minst fem mätningar i automatiskt läge och rapportera värdet genomsnitt zeta potential. Exportera data, analysera17,18 (vanligtvis zeta potentiella värde under -25 mV och över 25 mV anses stabila), och tolka online eller offline.
- Morfologisk karakterisering med TEM
- Använda stödraster (300 mesh) holey kol filmer för provpreparering. Sätta en droppe av dispersion provet (cirka 0,1 mL, 0,02 mg/mL) på en ren rutnät.
- Låt provet till luft torka i den omgivande miljön samtidigt rutnäten täckt för att förhindra luftburen förorening.
- Tvätta rutnäten med ultrarent vatten för att avlägsna torkar, och föremål för TEM imaging.
Obs: Tillägg av dispersion drop på nätet ökar koncentrationen av partiklar på rutnätet ytan vilket leder till attraktiva mellan partikel krafter. Ojämn torkning kan leda till artefakter. En liten sköljning med ultrarent vatten eliminerar denna risk och är till hjälp för en enhetlig torkning av nät31. - Förvärva bilderna i ett dm3-format och senare undersöka dem offline med TEM programvara.
Obs: Bilder kan användas för att härleda kompletterande information kring partikelstorlek, struktur och form. Filerna konverteras till tiff, där kvantifiering på egenskaper, såsom form och storlek kan utföras.
Representative Results
Kalorimetriska data visar löneförhöjningen i temperatur över tiden under båda ultraljudsbehandling typer visas i figur 2. Effektiv akustisk kraften levereras till spridningen i en ultraljudssond med en injektionsflaska diskant (strömkälla 200 W) beräknas till 0,55 ± 0,05 W på 50% amplitud, 0,75 ± 0,04 W vid 70% amplitud, 1.09 ± 0,05 W vid 90% amplitud och 1.15 ± 0,05 W på 50% amplit Ude, medan ultraljudsbadet (strömkälla 80 W), den beräknas vara 0.093 ± 0,04 W vid 100% inställning. Konstaterandet är liknar tidigare publicerade arbete, som visar att uteffekten visas av sonicators är långt mindre än som levereras till upphängningarna under behandling32,33,34.
Figur 2. Kalorimetriska data visar temperaturökning över tid under ultraljudsbehandling med (A) en ultraljudssond försedd med en injektionsflaska tweeter och (B) ett ultraljudsbad. Effektiv akustisk kraften levereras till spridningen i en ultraljudssond med en injektionsflaska diskant (strömkälla 200 W) beräknas till 0,55 ± 0,05 W på 50% amplitud, 0,75 ± 0,04 W vid 70% amplitud, 1.09 ± 0,05 W vid 90% amplitud och 1.15 ± 0,05 W på 50% amplit Ude, medan ultraljudsbadet (strömkälla 80 W), den beräknas vara 0.093 ± 0,04 W vid 100% inställning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Fynd som förknippas med de olika nanomaterial dispersioner produceras av olika protokoll sammanfattas i tabell 2. Resultaten visar variationen i dispersion kvalitet (mätt som DLS, ELS och TEM) associerade med olika nanomaterial dispersioner produceras med olika ultraljudsbehandling villkor. Som förväntat, data variabilitet styrs av flera faktorer såsom typ av nanomaterial, ultraljudsbehandling tid, och om en sond eller ett ultraljudsbad har använts i protokollet. UV-vis spektrumet erhålls för varje nanomaterial visas i figur 3 och figur 4 och DLS resultaten visas i figur 5 och figur 6.
Syftet med tabell 2 är inte bara att Visa graden av data variabilitet, utan också att tillåta identifiering av en optimerad dispersion protokoll för en given nanomaterial spridning. Om sådana dispersioner hade använts som en del av en nanotoxikologisk testmetod och idealet är att ha en stabil dispersion (helst en magnitud av på minst ± 30 mV), en liten PdI som visar smalare partikelstorleksfördelning (helst med PdI 0,2 eller mindre), och en liten genomsnittlig DLS partikelstorlek, att ange upplösningen av stora agglomeratbildning. Här, Z-genomsnittet definieras som intensitet baserat genomsnittliga storleken på nanopartiklarna och PdI är ett mått på totalt bredd storlek distribution (beskrivs ovan i inledningen).
| NM | Exempelkod | Ultraljudsbehandling tid | Storlek av DLS (nm) | Polydispertion Index (PdI) | Zeta potential (mV) |
| Cerium oxide | CeO2_powder | 0 | 396±130 | 0.763±0.100 | 17.2±0.4 |
| CeO2_B_15min | 15 min | 128±4 | 0.231±0.015 | 39.2±1.0 | |
| CeO2_B_30min | 30 min | 117±5 | 0.210±0.008 | 38.1±0.5 | |
| CeO2_B_1h | 1 h | 95±3 | 0.209±0.012 | 46.5±0.5 | |
| CeO2_B_2h | 2 h | 92±2 | 0.203±0.007 | 46.5±1.4 | |
| CeO2_P_2min | 2 min | 126±7 | 0.218±0.005 | 28.8±0.7 | |
| CeO2_P_6min | 6 min | 131±2 | 0.209±0.014 | 40.5±0.7 | |
| CeO2_P_10min | 10 min | 122±1 | 0.184±0.014 | 44.4±1.3 | |
| Zinkoxid (hydrofil) | ZnO_NM110 pulver | 0 | 1410±120 | 0.786±0.150 | 17.1±0.5 |
| ZnO_NM110_B | 15 min | 239±2 | 0.130±0.024 | 25.4±1.0 | |
| _15min | |||||
| ZnO_NM110_B | 30 min | 251±2 | 0.166±0.020 | 21.6±0.3 | |
| _30min | |||||
| ZnO_NM110_B | 1 h | 310±8 | 0.162±0.025 | 21.0±0.2 | |
| _1hr | |||||
| ZnO_NM110_B | 2 h | 274±3 | 0.243±0.014 | 25.2±0.7 | |
| _2hr | |||||
| ZnO_NM110_P | 2 min | 377±20 | 0.267±0.025 | 21.7±0.4 | |
| _2min | |||||
| ZnO_NM110_P | 6 min | 885±70 | 0.276±0.023 | 8.6±0.6 | |
| _6min | |||||
| ZnO_NM110_P | 10 min | 1074±88 | 0.673±0.058 | 11.2±1.4 | |
| _10min | |||||
| Zinkoxid (hydrofoba) | ZnO_NM111_ | 0 | 758±86 | 0.823±0.006 | -14.6±0.7 |
| pulver | |||||
| ZnO_NM111_ | 15 min | 384±95 | 0.399±0.074 | -17.5±1.0 | |
| B_15min | |||||
| ZnO_NM111_ | 30 min | 282±35 | 0.361±0.009 | -22.4±0.5 | |
| B_30min | |||||
| ZnO_NM111_ | 1 h | 296±18 | 0.379±0.031 | -22.8±0.5 | |
| B_1hr | |||||
| ZnO_NM111_ | 2 h | 280±54 | 0.366±0.031 | -23.7±1.0 | |
| B_2hr | |||||
| ZnO_NM111_ | 2 min | 227±9 | 0.402±0.032 | 19.8±0.8 | |
| P_2min | |||||
| ZnO_NM111_ | 6 min | 340±58 | 0.477±0.026 | -21.1±0.2 | |
| P_6min | |||||
| ZnO_NM111_ | 10 min | 370±72 | 0.626±0.065 | -21.8±0.8 | |
| P_10min | |||||
| CNT | A32_powder | 2 min | 306±5 | 0.279±0.029 | -23.7±0.5 |
| A32_B_15min | 15 min | 250±3 | 0.200±0.007 | -18.0±0.4 | |
| A32_B_30min | 30 min | 255±2 | 0.282±0.036 | -20.2±1.1 | |
| A32_B_1hr | 1 h | 230±3 | 0.226±0.021 | -21.7±0.5 | |
| A32_B_2hr | 2 h | 267±3 | 0.337±0.019 | -20.6±0.6 | |
| A32_P_2min | 2 min | 255±4 | 0.217±0.011 | -22.5±0.4 | |
| A32_P_6min | 6 min | 245±9 | 0.328±0.029 | -23.6±0.8 | |
| A32_P_10min | 10 min | 254±4 | 0.313±0.029 | -23.6±0.5 | |
| CNT | A106_powder | 2 min | 580±18 | 0.305±0.070 | -35.9±1.0 |
| A106_B_15min | 15 min | 573±18 | 0.404±0.016 | -29.5±1.0 | |
| A106_B_30min | 30 min | 479±11 | 0.363±0.013 | -28.8±1.4 | |
| A106_B_1hr | 1 h | 566±22 | 0.461±0.054 | -25.0±0.7 | |
| A106_B_2hr | 2 h | 477±10 | 0.311±0.027 | -26.8±0.5 | |
| A106_P_2min | 2 min | 300±58 | 0.473±0.053 | -29.8±1.0 | |
| A106_P_6min | 6 min | 390±10 | 0.359±0.022 | -40.7±0.5 | |
| A106_P_10min | 10 min | 300±85 | 0.511±0.134 | -24.5±0.7 | |
| Silver | Ag_cit | 0 | 72±50 | 0.462±0.258 | -38.7±1.3 |
| Ag_B_15min | 15 min | 25±1 | 0.489±0.008 | -39.8±2.2 | |
| Ag_B_30min | 30 min | 25±1 | 0.532±0.036 | -30.7±2.8 | |
| Ag_B_1hr | 1 h | 25±1 | 0.542±0.028 | -39.2±1.7 | |
| Ag_B_2hr | 2 h | 28±5 | 0.387±0.015 | -35.8±1.8 | |
| Ag_P_2min | 2 min | 29±1 | 0.300±0.025 | -42.0±2.9 | |
| Ag_P_6min | 6 min | 26±2 | 0.263±0.017 | -40.4±1.5 | |
| Ag_P_10min | 10 min | 25±2 | 0.251±0.011 | -47.3±1.4 |
Tabell 2. Sammanfattning av resultaten från NM dispersion i vatten. 'P' i provet koder ange spridningen utförs med en ultraljudssond försedd med en injektionsflaska tweeter och 'B' i exempelkoden anges dispersion utföras med hjälp av ett ultraljudsbad. Alla mätningar togs på 0,02 mg/mL. Ultraljudsbehandling tid 0 innebär en icke-sonicated suspension dvsfast bara skaka och blanda utan något annat stöd. CNTs som är helt olöslig och icke-spridbar i DI vatten på fysiska skakar var sonicated i ett inledande 2 min i den bad någon sonikator och rapporterade också.
Figur 3. UV-vis spektra av (A) VD2, (B) ZnO NM110 och (C) ZnO NM111 dispersion i vatten. UV-vis spektroskopi används för att förstå de suspensionens stabilitet och aggregation genom att noggrant Observera ändringarna i peak intensiteten, spektrala snedhet, spektrala forma samt våglängd skiftet i Absorptionsspektra. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4. UV-vis spektra av (A) CNTs A106, (B) CNTs A32 och (C) Ag_citrate dispersion i vatten. UV-vis spektroskopi används för att förstå de suspensionens stabilitet och aggregation genom att noggrant Observera ändringarna i peak intensiteten, spektrala snedhet, spektrala forma samt våglängd skiftet i Absorptionsspektra. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5. Storlek distribution av intensitet erhålls med DLS för (A) VD2, (B) ZnO NM110 och (C) ZnO NM111 dispersion i vatten. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6. Storlek distribution av intensitet erhålls med DLS a CNTs A106, (B) CNTs A32 och (C) Ag_citrate dispersion i vatten. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
När det gäller VD2 nanomaterial fjädring resulterade användning av ultraljudsbehandling i en övergripande minskning av partikelstorlek och PDI värden. Utan någon ultraljudsbehandling visar resultaten en multimodal intensitet-distribution med en Z-genomsnittet (396 ± 130 nm) och mycket hög PdI värdet 0.763 ± 0,100 (tabell 2). Dessutom visar spridningen zeta potentiella värdet 17,2 ± 0,4 mV. Det bör noteras att en PdI av ≥0, 5 är ett tecken på en mycket polydisperse suspension. Därför provet utsattes för skivan centrifugering och storlek distribution uppgifterna bekräftade också en icke-uniform och inhomogena prov (figur 7a). Morfologi och storlek provanalys genom TEM bekräftat att partiklarna i förskingringen är faktiskt mycket polydisperse (figur 8). Vid spridning pulvret med ultraljudsbad för 15 min, resultaten visade förbättring i kvaliteten dispersion. I synnerhet hade den allmänna stabiliteten (som påpekas av dess motsvarande zeta potentiella värde) och monodispersity förbättrats. Ökande ultraljudsbehandling tid att 2 h resulterade i mycket förbättrad stabilitet och smalare partikelstorleksfördelning (tabell 2). Det är klart att det gradvis förbättring i dispersion kvalitet om längre bad ultraljudsbehandling tid används, som ses av en gradvis minskning hydrodynamiska diameter och PdI. Liknande resultat erhölls om förfarandet spridning hade genomförts med en ultraljudssond istället. Sammantaget har en mer stabil och homogen stat av gytter uppnåtts med sonden, vilket bekräftas av DLS och TEM data. Intressant, kan ultraljudsbad som visade sig vara ett bättre alternativ än användning av en sond, som en mycket mindre genomsnittlig partikelstorlek och ett mycket högre zeta potentiella värde uppnås med ett bad i stället för en sond. Det observeras att de TEM-micrographs i båda ultraljudsbehandling förfaranden, bekräftat förekomsten av olika primära partiklar att inkludera: klot, kuber och polyhedrons.
Figur 7. Storlek distribution erhålls med skivan centrifugering för (A) VD2_powder och (B) ZnO NM110_powder dispersion i vatten vid 0 min. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 8. TEM bilder av VD2 visar effekterna av ultraljudsbehandling på prov homogeniety och stabilitet. Skalstapeln är 100 nm för varje prov. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
När det gäller ZnO, två typer av ZnO används i dispersioner dvs, ZnO nanomaterial olika surface profiler, hydrofil (NM110) och hydrofoba (NM111). Resultaten tyder på liknande resultat mellan de två typerna av ZnO. Båda visar att spridningen kvaliteten med ingen ultraljudsbehandling, anges en stor genomsnittlig partikelstorlek och hög polydispertion. NM110 har en Z-genomsnitt 1 410 ± 120 nm och PdI 0.786 ± 0,150 Nm; NM111 har en Z-genomsnittet av 758 ± 86 nm och PdI 0,823 ± 0,006. Storlek distribution data erhållna för NM110 från skivan centrifugering också bekräfta urvalet polydispertion och inhomogenitet (figur 7b). Storlek och polydispertion av den sonicated NM110 verkar minska med 15 min behandling i ultraljudsbad och nå en optimal reduktion platå på 30 min ultraljudsbehandling tid. Längre ultraljudsbehandling tid visar en allmän ökning i partikel storlek data, eventuellt på grund av partikel agglomerering igen efter att de agglomererad initialt. Å andra visar NM110 en homogen och stabil dispersion efter 2 min ultraljudssond behandling. Längre cykler av 6 min och 10 min visar dock också en ökning i partikelstorlek och PdI värderar, som indikerar nytt gytter av partiklarna. TEM (figur 9 och figur 10) och UV-vis (figur 3b–c) resultat ytterligare bekräfta status för sådan spridning kvalitet. Intressant, följs mycket liknande resultat vid NM111 när de behandlades med en ultraljudssond. Igen, den systematiska metoden anger att för bästa spridning uppnåddes på 2 min, som möjligt åter gytter kan associeras med motsvarande 6 min och 10 min fall. När ett ultraljudsbad användes istället, nått dispersion partikelstorlek en platå efter 30 min av ultraljudsbehandling; efter att ingen ytterligare öka eller minska i storlek eller polydispertion värden observeras. Också, TEM micrographs erhålls för den hydrofoba NM111 indikera närvaron av olika artefakter och andra uttorkande effekter på rutnätet TEM (figur 10). Detta visar att före vätning med etanol eller andra organiska lösningsmedel kan vara bra mot utarbetandet av aqueous dispersioner men det fanns utmaningar vid immobilisera hydrofoba nanomaterial prover på gallren för kol. Övergripande, om en optimal spridning protokollet identifieras och detta styrs av minsta motsvarande PDI värde, då detta motsvarar ZnO_NM110_B1 h och ZnO_Nm111_B30 min för hydrofil NM110 och hydrofoba NM 111 fall, respektive.
Figur 9. TEM bilder av den ZnO NM110 visar effekterna av ultraljudsbehandling på prov homogeniety och stabilitet. Skalstapeln är 100 nm för varje prov. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 10. TEM bilder av den ZnO NM111 visar effekterna av ultraljudsbehandling på prov homogeniety och stabilitet. Skalstapeln är 0.1 µm för ZnO_NM111_B_15 min, ZnO_NM111_B_1 h, och ZnO_NM111_P_2 min och 0,2 µm för resten av proverna. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
När det gäller kolnanorör (CNTs), visar att sådana nanomaterial inte är enkelt dispergerbara i vatten, särskilt spridning protokollet innebär användning av fysiska omrörning eller kraftig skakning. Detta gäller för både multi-walled kolnanorör (MWCNTs) används i denna studie. TEM micrographs i fallet för både A106 och A32 dispersioner utförs på 2 min och 15 min av ultraljudsbehandling cykel visas i figur 11 och figur 12, respektive. Vid ökande ultraljudsbehandling tid, tyder på brott på CNTs, ofta resulterar i längd ändringar. Sådana längd ändringar var påtagligt vad gäller både sond och ultraljud ultraljudsbehandling. Resultaten visar att de A106 och A32 CNTs kan vara tillräckligt spridda efter 2 min behandling om en ultraljudssond används. Tillräcklig spridning betyder här kritiska ultraljudsbehandling tid tröskeln där alla carbon nanotube (CNT) buntarna är öppna och enskilda rören är separerade35. Vid ökande ultraljudsbehandling tid att 6 min eller 10 min, tyder på en ändring av längd distribution och mycket högre polydispertion. Slutligen, intensiteten fördelad storlek data från DLS (figur 6a–b) och Absorptionsspektra genom UV-vis (figur 4a–b) också bekräfta att CNT dispersioner är mycket känsliga för ultraljudsbehandling tid och huruvida en sond eller badkar har använts. Både A106 och A32 CNTs visar en absorbans topp mellan 253 och 310 nm, vilket är typiskt för MWCNTs36. Maximal intensitet är kända för att vara en bra indikator på högsta uppnåeliga spridning i en ultraljudsbehandling-driven spridning av MWCNTs. UV-spektrumet av både A106 och A32 anger 2 min och 15 min av ultraljudsbehandling cykel för att vara optimal för upphängning. Vid långvarig ultraljudsbehandling breddar toppen med mindre peak intensitet samt prov förstörelse anges av förskjutningen av absorbansen spektrumet och spektrala snedheten (bildande av peak axlar).
Figur 11. TEM bilder av den CNTs A106 visar effekterna av ultraljudsbehandling på prov homogeniety och stabilitet. Skalstapeln är 200 nm för varje prov. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 12. TEM bilder av CNTs A32 visar effekterna av ultraljudsbehandling på prov homogeniety och stabilitet. Skalstapeln är 200 nm för varje prov. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Slutligen, för att ha en viss grad av jämförelser, data jämförs med en kommersiellt tillgänglig suspension av citrat stabiliserad Ag NPs (nominell diameter av 10 nm, 0,02 mg/mL). Karakterisering data visar att spridningen är mycket pressad och mycket polydisperse. DLS data visar en multimodal distribution med en hydrodynamisk diameter av 72 ± 50 nm och en hög PdI 0,46 ± 0,26 (figur 6 c). Morfologisk analys av TEM (figur 13) och breda ytan Plasmon resonans (SPR) peak (absorption vid 418 nm synlig region) genom UV-vis (figur 4 c) ytterligare bekräftar ett starkt polydisperse prov. Intressant, ultraljudsbad behandling förbättrar spridning stabilitet och PdI, men endast om en tillräckligt lång ultraljudsbehandling tid används; en 2 h ultraljudsbehandling tid behövs för att resultera i DLS partikelstorlek 28 ± 5 nm och PdI 0,387 ± 0,015 (tabell 1). Men om en ultraljudssond används i stället, förbättra av provets homogenitet och stabilitet anmärkningsvärt på bara 2 min ultraljudsbehandling tid, vilket resulterar i DLS partikelstorlek 29 ± 1 nm, PdI 0.300 ± 0,025 och ZP-42 ± 3 mV. Denna förbättring i dispersion kvalitet märks också upp till en 10 min. ultraljudsbehandling tidsinställning, där en DLS partikelstorlek av 25 ± 2 nm, PdI 0.251 ± 0,011 och ZP -47,3 ± 1,4 mV observeras. Här, på 10 min av ultraljudsbehandling med injektionsflaskan tweeter, PdI minskar och ZP ökar. De motsvarande TEM-micrographs vid sådana respektive tidpunkter bekräftar också förbättrad provets homogenitet efter de lämpliga ultraljudsbehandling protokoll tillämpas. I området i närheten finns det en snabb förbättring av provets homogenitet och systemdispertionen av partiklar i TEM bilder. Provet vid 2 min visar några gytter jämfört med de enskilda partiklarna sonicated för 10 min med injektionsflaskan diskant.
Figur 13. TEM bilder av den kommersiella Ag-NPs som visar effekterna av ultraljudsbehandling på prov homogeniety och stabilitet. Skalstapeln är 200 nm för varje prov. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
| Hög (mL) | Låg (mL) |
| 1.4 | 0,2 |
| 1.2 | 0,4 |
| 1 | 0,6 |
| 0,8 | 0,8 |
| 0,6 | 1 |
| 0,4 | 1.2 |
| 0,2 | 1.4 |
| 0 | 1.6 |
Tabell 1. Sackaros täthetlutning blandning för totalt 1,6 mL volym. Här vi Markera den 8% sackaroslösning som låg och 24% sackaroslösning så högt. De är blandade i följande volymer (totala volym 1,6 mL varje gång) och injiceras i dis konen en efter en tills en gradient bildas.
Discussion
Det yttersta målet för studien är att utveckla en strategi som skulle tillåta identifiering av optimal ultraljudsbehandling villkor att göra dispersioner av ett antal utvalda nanomaterial i vatten. Här görs ett försök att noggrant dokumentera protokollstegen och parametrar under ultraljudsbehandling för att uppfylla de luckor som tidigare identifierats i recensioner samt att följa de rekommendationer som gjorts i de tidigare15. De optimala spridningsförhållanden identifieras genom att karaktärisera dispersioner efter varje ultraljudsbehandling cykel och kontrollera provets stabilitet och enhetlighet. Effekterna av ultraljudsbehandling förfaranden och stabilitet status bedöms utifrån de karakteristiska förändringarna i viktiga fysikalisk-kemiska egenskaper av nanomaterial, som bestäms av olika analysmetoder: DLS, ELS, UV-vis, och TEM. Det nuvarande protokollet är en anpassad metod för spridning av nanomaterial från den tidigare litteraturen och andra forskning projekt21,22,37,38,39 med några ändringar och förbättringar att ta itu med de viktiga luckorna, steg och deras tillämplighet för bredare nanomaterial av liknande yta profil7. Det krävs dock försiktig justeringar avseende deras ultraljudsbehandling tid, styrka och typ för deras tillämpning på andra nanomaterial. Ytterligare arbete krävs dessutom att upprätta en korrelation mellan ultraljudsbehandling förfarandet och biologisk aktivitet av nanomaterial. Sex olika typer av nanomaterial dispersioner utvärderas och jämfört, främst för deras stabilitet, med hjälp av ett ultraljudsbad och en ultraljudssond försedd med en injektionsflaska tweeter inställda tidpunkter. För att bibehålla suspension renhet och eventuella oavsiktliga ändringar som orsakas på grund av kontaminering, undviks sonden ultraljudsbehandling här. I injektionsflaska diskant, kan injektionsflaskorna förbli stängda. Detta eliminerar eventuella korskontaminering av proverna.
Kalibrering av sonicators är en viktig faktor eftersom det finns en rad sonicators med olika frekvens, amplitud och befogenheter. För att avgöra den effektiv akustisk energi som levereras till fjädringen, utförs kalibrering av sonicators med hjälp av kalorimetri. Akustiska kraften levereras för 70% amplitud inställning för injektionsflaska diskant såväl som för inställningen 100% ultraljudsbad beräknas vara < 1 W (0,75 ± 0,04 W och 0.093 ± 0,04 W, respektive). Men de makt utgångarna anges av tillverkarna för injektionsflaska tweeter och bad någon sonikator är 200 W och 80 W, respektive. Detta indikerar att trots hög strömkällan, mest av energin går förlorad under generering av cavitational bubblor och bara en bråkdel är faktiskt levereras till spridning under behandling26. Nyligen genomförda studier har belyst vikten av cavitational mätning kontroll jämfört med den tillförda effekten för den någon sonikator för en bättre spridning kontroll under ultraljudsbehandling8. Metoden verkar lovande för kontrollerad spridning av mycket känsliga nanomaterial som CNTs och rekommenderas för framtida studier.
Varje teknik som används i studien bygger på olika principer med begränsningar för alla. DLS är inte en idealisk teknik för icke-sfäriska suspensioner samt mycket polydisperse system. Under sådana förhållanden rekommenderas DCS på grund av hög upplösning, noggrannhet och precision40. DCS kan helt separera mycket smala storlek distribution toppar som skiljer så lite som 3%. TEM ger direkta visuella bilder av nanopartiklar och är ett bra verktyg för bestämning av aggregering, spridning, storlek och form av partiklarna, men tekniken kräver prov torkning vilket kan leda till artefakter41. Detta kan elimineras genom att tvätta rutnäten med ultrarent vatten som beskrivs i steg 4.5.3.
Bland annat belyser metoden några kritiska steg såsom typ av flaskor som används i protokollet, Nedsänkningsdjup och position av injektionsflaskorna i ultraljudsbadet samt injektionsflaska diskant. Temperaturkontroll av systemet under agitation är en viktig parameter. Täta vatten förändringar i ultraljudsbad och pulsad läge kör vid injektionsflaska tweeter rekommenderas att undvika någon värme ackumulering under ultraljudsbehandling, därmed undvika ändringar provet. Steget före vätning för hydrofoba prover såsom zinkoxid hjälper i spridningen av partiklar men detta kan medföra vissa oönskade förändringar. Ultraljudsbehandling tid och energi bör vara hög nog att fällningen de klumpar partiklarna men inte för mycket att den bryter partiklarna. Resultaten indikerar att agglomerate brott är beroende av partikel typ.
Våra resultat betona vikten av att ha en detaljerad dispersion protokollet, eftersom resultaten visar att viktiga fysikalisk-kemiska egenskaper potentiellt kan ändras under ultraljudsbehandling processen, som styrs av faktorer såsom någon sonikator typ, ultraljudsbehandling varaktighet tid, och makt utgång. Resultat har visat att provet integritet äventyras potentiellt på högre intensitet agitation. Resultaten visar att CNTs är mycket känslig för agitation, så skador är mycket sannolikt att uppstå när ultraljudsbehandling varaktighet och styrka byts. Nära till optimala inställningar för spridningen av CNTs är mellan 2-15 min i ultraljudsbadet och endast 2 min med en ultraljudssond. Dock kan ultraljud fortfarande ha orsakat vissa nanotube förkortningar, som inte kan kvantifieras korrekt här. DLS kan inte vara en idealisk teknik för karakterisering av CNTs men det fortfarande kan ge hydrodynamiska diameter för nanorör och informationen kunde vara informativ om skillnader i längd distributioner av CNTs bland olika prover16, 42,43. Tidigare studier visar att protokollet dispersion av CNTs kan förbättras avsevärt genom tillsats av tensider som de ytaktiva molekylerna absorberas på den nanotube enskiktslager, vilket ger ett hinder för brott på grund av ultraljudsbehandling35, 44. men detta kan inte jämföras direkt till protokolls eftersom inga tensider är involverade i detta fall. Det är viktigt att notera att säkerställa fördelningen av längd storlek när det gäller CNTs är mycket viktigt, eftersom proportionerna är ofta korrelerad med vissa toxikologiska svar. Däremot VD2 gav olika resultat jämfört med CNTs, i vilka långvarig ultraljudsbehandling tider med hjälp av ultraljudsbad eller sond, leda till bildandet av primära partiklar. Skillnaden i resultat mellan CNT och CeO2 fall belyser vikten att skräddarsy dispersion protokoll t.ex., optimera ultraljudsbehandling tid och effekt, i enlighet med utgångsmaterial dvs, typ av nanomaterial pulver. Varje nanomaterial pulver Provtyp är annorlunda, eftersom det kommer att finnas olika grad av gytter inom pulvret själv. I vissa fall har de gytter processen framgångsrikt resulterade i de gytter upp till primära partiklar nivå, som framgår av framväxten av andra formade partiklar i TEM bilder, som inte var synliga innan de ultraljudsbehandling steget. Långvarig ultraljudsbehandling resulterade i att kontinuerligt bryta cerium oxide agglomeratbildning i olika vinklar vilket leder till mångfacetterad partiklar.
När det gäller kommersiellt-köpt vattenhaltiga provet av Ag-NPs dispersioner betonar våra resultat också behovet av långsiktiga stabilitet och enhetlighet bedömning. Det finns ett behov av att säkerställa att dispersioner har karaktäriserats tillräckligt före användning, särskilt i fall av långtidslagring. Nanomaterial har dock en mycket kort hållbarhetstid. De åldras med tiden och kan bete sig annorlunda efter långtidslagring jämfört med en nylagad dispersion.
Resultatet här belysa behovet av en harmoniserad strategi för att identifiera en optimerad protokollet för olika nanomaterial. Presenterade föreslagna strategin är att genomföra olika variationer i metoden ultraljudsbehandling och se till att dispersioner vid olika tidpunkter kännetecknas tillräckligt med kompletterande analytiska metoder. Vikten på användningen av en multi metod metoden att karakterisera och övervaka dispersion kvalitet genom tid och olika experimentella förhållanden har belysts av tidigare arbetstagare45. Även om olika metoder för ultraljudsbehandling har presenterats för att tillgodose specifika nanomaterial spridning i studien, kan potentiellt de användas som grund för att skingra andra metall och metall-oxid nanomaterial (av liknande ytegenskaper) i vatten. Men kräver att ha någon förändring i antingen nanomaterial typ eller flytande medium behovet av att optimera det grundläggande protokollet, som kan göras genom noggrann justering av olika faktorer t.ex., ultraljudsbehandling tid, styrka och någon sonikator typ. Oavsett protokoll väljs och identifieras som optimalt, det är alltid ett behov att ha en detaljerad rapport om system och stegvis sekvens av ultraljudsbehandling dispersion förfarandet. Detta är viktigt att förbättra tolkningsbarhet och jämförbarhet. En av program i detta protokoll är att underlätta data jämförbarhet bland andra labb som leder till ett harmoniserade och standardiserade tillvägagångssätt för framtida studier. De aktuella parametrarna för metodik och kontroll kan utnyttjas för andra spridning medier förutom vatten och jämförelser kan ritas på ett enskilt fall.
Disclosures
Författarna har inga konkurrerande ekonomiska intressen. IK och EVJ gemensamt tänkt studien med IK: s design, utfört experimenten, analyserat data och förberett manuskript. LJE och IR utförs av TEM imaging. SA, MLM och MC levereras CNTs, och resten av medförfattarna diskuteras och kommenteras manuskriptet på alla stadier och RT bidragit till redigering av manuskriptet.
Acknowledgments
Den forskning som leder till dessa resultat har fått finansiering från NE/J010783/1. Projektet NanoValid har fått finansiering från EU: s sjunde Program för forskning, teknisk utveckling och demonstration under lån avtal nr 263147.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Cerium oxide nanopowder | Sigma-Aldrich | 544841 | <25 nm particle size (BET) |
| Zinc oxide | European Commission's Joint Research Centre (JRC) | NM110 | hydrophylic |
| Zinc oxide | European Commission's Joint Research Centre (JRC) | NM111 | hydrophobic |
| Multi walled carbon nanotubes | NanoMile project (Large Collaborative Project under the European Commission's 7th Framework Programme) | A32 (MWCNT1) | 3.0±1.8 µm long, O/C ratio of 4.5% |
| Multi walledcarbon nanotubes | NanoMile project | A106 (MWCNT2) | 3.3±2.4 µm long, O/C ratio of 7% |
| Silver dispersion | Sigma-Aldrich | 730785 | 10 nm particle size (TEM), 0.02 mg/mL |
| Zetasizer nano | Malvern Instruments | Particle size and zeta-potential measurements | |
| Disc Centrifuge | CPS instruments Inc. | Model DC 24000 | Particle size distribution by centrifugal sedimentation |
| Transmission electron microscope | JEOL USA | Jeol 1200EX TEM | Bright field images, particle size, shape, agglomeration |
| Ultrasonic probe fitted with a vial tweeter | Hielscher | UIS250V | Sonicator |
| Ultrasonic bath | Branson | Model 1510 | Sonicator |
| Eppendorf vials | Eppendorf | 2236411-1 | 1.5ml capacity |
| UV-vis spectrophotometer | Jenson flight deck | Model 6800 | SPR peaks, suspension stability |
| Disposable folded capillary cell | Malvern Instruments | DTS 1070 | for the measurement of elecr |
| Zeta- potential standard | Malvern Instruments | DTS 1235 | |
| Quartz cuvette | Jasco | 1103-0042 | Rectangular quartz cell 10 x 100 Spectrosil Quartz with lid 190 -2700 nm |
References
- Yin, L., Wang, Y., Pang, G., Koltypin, Y., Gedanken, A. Sonochemical Synthesis of Cerium Oxide Nanoparticles-Effect of Additives and Quantum Size Effect. J Colloid Interface Sci. 246 (1), 78-84 (2002).
- Mandzy, N., Grulke, E., Druffel, T. Breakage of TiO2 agglomerates in electrostatically stabilized aqueous dispersions. Powder Technol. 160, (2005).
- Nickel, C., et al. Dynamic light-scattering measurement comparability of nanomaterial suspensions. J Nanopart Res. 16 (2), 12 (2014).
- Ray, T. R., Lettiere, B., de Rutte, J., Pennathur, S. Quantitative Characterization of the Colloidal Stability of Metallic Nanoparticles Using UV-vis Absorbance Spectroscopy. Langmuir. 31 (12), 3577-3586 (2015).
- Jiang, J., Oberdöster, G., Biswas, P. Characterization of size, surface charge, and agglomeration state of nanoparticle dispersions for toxicological studies. J Nanopart Res. 11, (2009).
- Wu, W., et al. Dispersion Method for Safety Research on Manufactured Nanomaterials. Industrial Health. 52 (1), 54-65 (2014).
- Taurozzi, J. S., Hackley, V. A., Wiesner, M. R. Ultrasonic dispersion of nanoparticles for environmental, health and safety assessment - issues and recommendations. Nanotoxicology. 5 (4), 711-729 (2011).
- Sesis, A., et al. Influence of Acoustic Cavitation on the Controlled Ultrasonic Dispersion of Carbon Nanotubes. J Phys Chem B. 117 (48), 15141-15150 (2013).
- Farré, M., Gajda-Schrantz, K., Kantiani, L., Barceló, D. Ecotoxicity and analysis of nanomaterials in the aquatic environment. Anal Bioanal Chem. 393 (1), 81-95 (2009).
- Mandzy, N., Grulke, E., Druffel, T. Breakage of TiO2 agglomerates in electrostatically stabilized aqueous dispersions. Powder Technol. 160 (2), 121-126 (2005).
- Meißner, T., Oelschlägel, K., Potthoff, A. Dispersion of nanomaterials used in toxicological studies: a comparison of sonication approaches demonstrated on TiO2 P25. J Nanopart Res. 16 (2), 1-13 (2014).
- Cronholm, P., et al. Effect of sonication and serum proteins on copper release from copper nanoparticles and the toxicity towards lung epithelial cells. Nanotoxicology. 5 (2), 269-281 (2011).
- Murdock, R. C., Braydich-Stolle, L., Schrand, A. M., Schlager, J. J., Hussain, S. M. Characterization of Nanomaterial Dispersion in Solution Prior to In Vitro Exposure Using Dynamic Light Scattering Technique. Toxicol Sci. 101 (2), 239-253 (2008).
- Bihari, P., et al. Optimized dispersion of nanoparticles for biological in vitro and in vivo studies. Particle Fibre Toxicol. 5 (1), 1-14 (2008).
- Hartmann, N. B., et al. Techniques and Protocols for Dispersing Nanoparticle Powders in Aqueous Media-Is there a Rationale for Harmonization? J Toxicol Environ Health, B. 18 (6), 299-326 (2015).
- Murdock, R. C., Braydich-Stolle, L., Schrand, A. M., Schlager, J. J., Hussain, S. M. Characterization of nanomaterial dispersion in solution prior to in vitro exposure using dynamic light scattering technique. Toxicol Sci. 101, (2008).
- Hunter, R. J. Zeta Potential in Colloid Science: Principles and Applications. , Academic Press. (1981).
- Lyklema, J. Fundamentals of Interface and Colloid Science. , (1991).
- Sikora, A., et al. A systematic comparison of different techniques to determine the zeta potential of silica nanoparticles in biological medium. Analytical Methods. 7 (23), 9835-9843 (2015).
- Lamberty, A., et al. Interlaboratory comparison for the measurement of particle size and zeta potential of silica nanoparticles in an aqueous suspension DISCUSSION. J Nanopart Res. 13 (12), 7317-7329 (2011).
- Taurozzi, J. S., Hackley, V. A., Weisner, M. R. NIST Special Publication. Vol. 1200-1. , U.S. Department of Commerce/National Institute of Standards and Technology. Washington D.C. (2012).
- Taurozzi, J. S., Hackley, V. A., Weisner, M. R. NIST Special Publication. Vol. 1200-2. , U.S. Department of Commerce/National Institute of Standards and Technology. Washington D.C. (2012).
- Taurozzi, J. S., Hackley, V. A., Weisner, M. R. NIST Special Publication. Vol. 1200-3. , U.S. Department of Commerce/National Institute of Standards and Technology. Washington D.C. (2012).
- Taurozzi, J. S., Hackley, V. A., Wiesner, M. R. A standardised approach for the dispersion of titanium dioxide nanoparticles in biological media. Nanotoxicol. 7 (4), 389-401 (2013).
- NanoValid. www.nanovalid.eu. , Available from: http://www.nanovalid.eu (2017).
- Yamaguchi, K. -i, Matsumoto, T., Kuwata, K. Proper calibration of ultrasonic power enabled the quantitative analysis of the ultrasonication-induced amyloid formation process. Protein Sci. 21 (1), 38-49 (2012).
- Maxit, B. Particle size measurements of dark and concentrated dispersions by dynamic light scattering. , (2010).
- Darlington, T. K., Neigh, A. M., Spencer, M. T., Guyen, O. T. N., Oldenburg, S. J. Nanoparticle characteristics affecting environmental fate and transport through soil. Environ Toxicol Chem. 28 (6), 1191-1199 (2009).
- Mejia, J., Lucas, S. Protocol for the particle determination of a given MNM by the centrifuge liquid sedimentation (CLS) technique. , (2015).
- Jenway. Model 6305 Spectrophotometer. , (2014).
- Michen, B., et al. Avoiding drying-artifacts in transmission electron microscopy: Characterizing the size and colloidal state of nanoparticles. Sci Rep. 5, 9793 (2015).
- Contamine, R. F., Wilhelm, A. M., Berlan, J., Delmas, H. Power measurement in sonochemistry. Ultrason Sonochem. 2 (1), S43-S47 (1995).
- Kimura, T., et al. Standardization of ultrasonic power for sonochemical reaction. Ultrason Sonochem. 3 (3), S157-S161 (1996).
- Raso, J., Mañas, P., Pagán, R., Sala, F. J. Influence of different factors on the output power transferred into medium by ultrasound. Ultrason Sonochem. 5 (4), 157-162 (1999).
- Matarredona, O., et al. Dispersion of Single-Walled Carbon Nanotubes in Aqueous Solutions of the Anionic Surfactant NaDDBS. J Phys Chem B. 107 (48), 13357-13367 (2003).
- Jiang, L., Gao, L., Sun, J. Production of aqueous colloidal dispersions of carbon nanotubes. J Colloid Interface Sci. 260 (1), 89-94 (2003).
- Jensen, K. A., Kembouche, Y., Christiansen, E., Jacobsen, N. R., Wallin, H., Guiot, C., Spalla, O., Witschger, O. The generic NANOGENOTOX dispersion protocol-Standard operation procedure (SOP). , 32 (2011).
- Jacobsen, N. R., Pojano, G., Wallin, H., Jensen, K. A. Nanomaterial dispersion protocol for toxicological studies in ENPRA. Internal ENPRA Project Report. , National Research Centre for the Working Environment. Copenhagen, Denmark. (2010).
- PROSPEcT. Protocol for nanoparticle dispersion. , (2010).
- CPS Instruments, E. urope Introduction to Differential Sedimentation. , Netherlands. Available from: http://www.cpsinstruments.eu/pdf/Introduction%20Differential%20Sedimentation.pdf (2007).
- Mavrocordatos, D., Pronk, W., Boller, M. Analysis of environmental particles by atomic force microscopy, scanning and transmission electron microscopy. Water Sci Technol. 50 (12), 9-18 (2004).
- Moon, Y. K., Lee, J., Lee, J. K., Kim, T. K., Kim, S. H. Synthesis of Length-Controlled Aerosol Carbon Nanotubes and Their Dispersion Stability in Aqueous Solution. Langmuir. 25 (3), 1739-1743 (2009).
- Cheng, X., et al. Characterization of Multiwalled Carbon Nanotubes Dispersing in Water and Association with Biological Effects. J Nanomat. 2011, 12 (2011).
- Dassios, K. G., et al. Optimization of Sonication Parameters for Homogeneous Surfactant-Assisted Dispersion of Multiwalled Carbon Nanotubes in Aqueous Solutions. J Phys Chem C. 119 (13), 7506-7516 (2015).
- Domingos, R. F., et al. Characterizing Manufactured Nanoparticles in the Environment: Multimethod Determination of Particle Sizes. Environ Sci Technol. 43 (19), 7277-7284 (2009).
