Caractérisation spectroscopique UV-Vis de nanomatériaux en milieu aqueux
25 octobre 2021
Cette étude présente les résultats de l’analyse comparative pour une comparaison interlaboratoire (ILC) conçue pour tester la procédure d’exploitation standard (SOP) développée pour les dispersions colloïdales d’or (Au) caractérisées par spectroscopie ultraviolet-visible (UV-Vis), parmi six partenaires du projet H2020 ACEnano pour la préparation des échantillons, la mesure et l’analyse des résultats.
La spectrophotométrie UV-Vis est une technique bien établie, facile à utiliser et peu coûteuse pour mesurer la taille, la concentration, l’état d’agrégation et l’indice de réfraction des nanomatériaux. UV-Vis fournit un criblage et une évaluation non invasifs et rapides, en temps réel, des caractéristiques des nanomatériaux à l’aide de mesures d’absorption simples. UV-Vis est exceptionnellement simple.
Les échantillons nécessitent peu de préparation, et le logiciel a peu de variables et est facile à utiliser. Allumez le spectromètre UV-Vis pendant au moins 20 minutes pour permettre à la lampe de chauffer. Chargez le logiciel et sélectionnez Connecter l’instrument Sélectionnez l’option Spectrum Scan dans la fenêtre de mode qui affiche les modes de fonctionnement.
Dans le logiciel, cliquez sur Instrument et allez dans Paramètres dans la barre de commandes, sélectionnez Paramètres pour Spectrum Scan, puis ajustez les paramètres de mesure. Accédez à l’onglet Instrument et sélectionnez ABS pour le mode données et la largeur de fente de 1,5. Accédez à l’onglet Analyse de longueur d’onde et définissez une longueur d’onde de début de 680 nanomètres, une longueur d’onde de fin de 380 nanomètres et une vitesse de numérisation de 400 nanomètres par minute.
Après avoir défini les paramètres, remplissez deux cuvettes avec un millilitre d’eau ultra pure et placez-les dans le support de cellule de référence et d’échantillon pour couvrir le trajet de la lumière. Fermez le capot de l’instrument et poursuivez l’étalonnage vide en sélectionnant vide dans la barre de commandes, puis sélectionnez OK. Prélever un sous-échantillon de 500 microlitres de chaque échantillon de nanoparticules d’or et préparer une dilution avec 500 microlitres d’eau ultrapure. Placer les dilutions dans des cuvettes d’un millilitre avec une concentration finale de 25 microgrammes par millilitre.
Exécutez un étalonnage vide. Après l’étalonnage à blanc, remplacez l’une des cuvettes à blanc dans le porte-cellule de l’échantillon par un échantillon de nanoparticules d’or, en gardant la cuvette de référence intacte. Sélectionnez Mesurer Démarrer dans la barre de commandes pour exécuter l’analyse.
Exécutez trois balayages du spectre pour chaque échantillon de nanoparticules d’or diluées et échantillon inconnu. Extrayez les données expérimentales brutes pour chaque mesure dans un fichier compatible avec une feuille de calcul. Sélectionnez Propriété dans la numérisation, dans la barre de commandes, accédez à l’onglet Imprimer/Exporter, cliquez sur Données, Spectre et paramètres, puis appuyez sur OK. Cliquez sur Enregistrer dans la barre de commandes et enregistrez les données en tant que fichier xls.
Notez la longueur d’onde d’absorption maximale et le lambda pour chacune des lectures et enregistrez-les dans le modèle fourni. Tracez une courbe d’étalonnage avec la moyenne du lambda maximal par rapport à la taille des nanoparticules en sélectionnant des données, en insérant un graphique, un nuage de points, en ajoutant une courbe de tendance et une courbe polynomiale. Pour inclure l’équation polynomiale de la courbe d’étalonnage, sélectionnez Options de ligne de tendance et Afficher l’équation sur le graphique dans la barre de commandes.
Enfin, calculez la taille de l’échantillon de nanoparticules d’or inconnues en isolant l’équation polynomiale de la courbe d’étalonnage pour ajuster la valeur moyenne du lambda maximal inconnu en utilisant une dérivation de la formule quadratique. Parmi les six laboratoires, la longueur d’onde maximale a montré une répétabilité étroite, tandis que les résultats d’absorbance maximale ont montré une gamme plus dispersée de valeurs de données pour différentes tailles de nanoparticules d’or. Les fourchettes et les moyennes globales pour chaque taille de nanoparticule d’or sont indiquées ici.
La valeur maximale du score Z pour lambda max a été rapportée par le laboratoire trois pour les nanoparticules de taille 5 nanométriques, et le score z le plus élevé pour l’absorbance maximale a été rapporté par le laboratoire un pour les nanoparticules de taille 40 nanométriques. La plupart des partenaires ont calculé que la taille de la nanoparticule inconnue était de 76 à 80 nanomètres, le laboratoire cinq signalant une taille aberrante plus grande de 109 nanomètres. Les scores Z pour les tailles inconnues ont été calculés entre moins 0,25 et moins 0,56 pour tous les laboratoires, à la seule exception rapportée par le laboratoire cinq, qui a affiché le score Z positif le plus élevé de 2,03.
Assurez-vous que les paramètres et les paramètres ont été correctement ajustés. Les échantillons dilués doivent être préparés frais avant la mesure avec l’UV-Vis. UV-Vis peut être facilement combiné avec d’autres outils, tels que TEM, DLS et AFM pour mesurer une grande variété d’attributs si les utilisateurs souhaitent caractériser leur échantillon de manière plus complète.
Aperçu
Cette étude établit une comparaison interlaboratoires (ILC) afin d'évaluer la procédure opératoire normalisée (SOP) pour les dispersions de colloïdes d'or (Au) par spectroscopie UV-Vis. Six partenaires du projet H2020 ACEnano ont participé à l'étude, en se concentrant sur la préparation des échantillons, les mesures et l'analyse des résultats.
Composantes clés de l'étude
Domaine scientifique
- Nanomatériaux
- Chimie analytique
- Comparaisons interlaboratoires
Contexte
- La spectrophotométrie UV-Vis est une technique largement utilisée pour la caractérisation des nanomatériaux.
- Cette méthode est non invasive et permet une évaluation en temps réel des caractéristiques de l'échantillon.
- Des mesures d'absorption simples fournissent des informations sur la taille, la concentration et l'état d'agrégation.
- Des procédures opératoires normalisées sont essentielles pour obtenir des résultats cohérents entre les laboratoires.
Objectif de l'étude
- Évaluer la procédure opératoire normalisée (SOP) pour les dispersions de colloïdes d'or dans plusieurs laboratoires.
- Évaluer la répétabilité et la fiabilité des mesures UV-Vis.
- Analyser les résultats et identifier les écarts dans les mesures de taille des nanoparticules.
Méthodes utilisées
- Préparation des échantillons de nanoparticules d'or et de leurs dilutions.
- Étalonnage du spectromètre UV-Visible et mesures du blanc.
- Réalisation de plusieurs balayages spectraux pour chaque échantillon.
- Extraction et analyse des données pour déterminer la taille des nanoparticules.
Résultats principaux
- Répétabilité élevée des mesures de longueur d'onde maximale entre les différents laboratoires.
- Variabilité des résultats d'absorbance maximale pour différentes tailles de nanoparticules.
- La plupart des laboratoires ont estimé la taille des nanoparticules inconnues entre 76 et 80 nanomètres.
- Le laboratoire cinq a signalé une valeur aberrante de 109 nanomètres.
Conclusions
- L'étude souligne l'importance de procédures normalisées pour les mesures UV-Vis.
- Les écarts dans les données d'absorbance suggèrent la nécessité d'une investigation approfondie.
- La collaboration entre laboratoires peut améliorer la précision et la fiabilité des mesures.
Questions fréquemment posées
Pertinence industrielle pour les cadres
La spectroscopie UV-Vis permet un criblage rapide et non invasif de la taille, de la concentration et de l'état d'agrégation des nanomatériaux, facilitant la caractérisation physico-chimique en phase précoce du développement de la nanomédecine. Des protocoles normalisés améliorent la reproductibilité entre laboratoires, réduisant ainsi la variabilité dans l'évaluation préclinique des nanomatériaux. Cela renforce la fiabilité prédictive du choix des candidats leaders et atténue les risques liés à un comportement inconstant des nanomatériaux dans les systèmes biologiques.
Applications stratégiques en R&D biopharmaceutique
Découverte précoce et validation de cibles
- Valeur scientifique : Permet d'interroger les propriétés physico-chimiques des nanomatériaux qui influencent les interactions biologiques et la liaison à la cible.
- Valeur opérationnelle : Fournit une évaluation initiale rapide et peu coûteuse afin de hiérarchiser les candidats nanomatériaux pour une évaluation ultérieure.
Développement de tests et de criblages
- Valeur scientifique : Génère des données quantitatives d'absorption adaptées à l'établissement de courbes de calibration et de relations taille-concentration.
- Valeur opérationnelle : Soutient la standardisation des dosages grâce à des plages de longueurs d'onde définies, des vitesses de balayage et des largeurs de fente assurant des mesures reproductibles.
- Valeur stratégique : Facilite la préparation au criblage à haut débit en permettant une surveillance en temps réel de l'agrégation et de la stabilité.
Recherche translationnelle et préclinique
- Valeur scientifique : Fournit des mesures reproductibles de la taille et de l'agrégation, essentielles pour corréler les propriétés des nanomatériaux avec leur efficacité préclinique et leurs effets toxicologiques.
- Valeur opérationnelle : Permet la comparaison des données entre laboratoires lorsque les protocoles opérationnels standardisés sont suivis, soutenant ainsi les études précliniques multicentriques.
Intégration du pipeline et du flux de travail
La caractérisation par UV-Vis s'inscrit dans le continuum de découverte allant de la synthèse initiale de nanomatériaux jusqu'à l'évaluation préclinique, notamment lorsqu'elle est intégrée à des techniques orthogonales telles que la MET ou la DLS pour un profilage complet.
- Biologie de la découverte : Soutient la vérification d'hypothèses sur la manière dont la taille et l'agrégation influencent l'absorption cellulaire et la liaison aux cibles.
- Criblage : Permet la préparation des tests en fournissant rapidement des retours en temps réel sur la stabilité des nanomatériaux pendant l'incubation des composés.
- Analytique : Fournit les valeurs de lambda max et d'absorbance permettant d'estimer la taille et l'état d'agrégation à l'aide de courbes de calibration.
- Recherche translationnelle : Assure une continuité préclinique en proposant une méthode standardisée pour suivre les propriétés des nanomatériaux dans différentes conditions de formulation et de stockage.
- Réutilisation en entreprise : Constitue une capacité évolutible et réutilisable de contrôle qualité des nanomatériaux tout au long des phases de découverte et de développement.
Impact opérationnel et organisationnel
- Valeur scientifique : Accroît la confiance prédictive concernant le comportement des nanomatériaux en réduisant l'ambiguïté mécanistique liée à des échantillons mal caractérisés.
- Valeur opérationnelle : Favorise la standardisation, la reproductibilité et la possibilité de passage à l'échelle entre laboratoires et projets.
- Valeur stratégique : Améliore les décisions d'aller/arrêt en fournissant dès les premières étapes du développement des données physicochimiques fiables.
- Impact sur le portefeuille : Permet une priorisation ajustée au risque en se basant sur des profils de taille et d'agrégation cohérents.
Considérations relatives à la mise en œuvre
- Nécessite une expertise en spectrophotométrie et en manipulation de nanomatériaux afin d'assurer une préparation adéquate des échantillons et un étalonnage correct de l'instrument.
- Dépend d'une source lumineuse stable et d'une précision des longueurs d'onde, ce qui exige un préchauffage régulier de l'appareil et un entretien courant.
- Requiert un accord entre les équipes sur les protocoles opératoires normalisés (SOP) concernant les facteurs de dilution, le choix des cuvettes et les formats d'exportation des données afin d'assurer la comparabilité.
- Doit tenir compte des limites de détection des nanomatériaux inférieurs à 5 nm ou présents dans des matrices biologiques complexes, en l'absence de purification préalable.
- Bénéficie d'une intégration avec des techniques complémentaires (par exemple, MET, DLS) pour une caractérisation physico-chimique complète lorsque la spectroscopie UV-Vis seule s'avère insuffisante.
