Dispersione dei nanomateriali in mezzi acquosi: verso l'ottimizzazione dei protocolli

L'obiettivo generale di questa procedura è utilizzare la caratterizzazione in tempo reale per identificare le condizioni ottimali di sonificazione, intensità e durata necessarie per ottenere dispersioni stabili e uniformi di nanomateriali in mezzi acquosi. Questo metodo può aiutare a rispondere a domande fondamentali nella nanoscienza, in particolare nel campo della nanotossicologia, riguardo a come ottimizzare la dispersione delle nanoparticelle senza compromettere l'integrità del campione. Il vantaggio principale di questa strategia di ottimizzazione consiste nel migliorare il controllo sulla qualità finale della dispersione, elemento essenziale per garantire la ripetibilità.

Per iniziare la procedura, calibrare il sonicatori a sonda dotato di un blocco per vial. Quindi utilizzare una spatola metallica pulita per misurare due milligrammi della nanopolvere scelta in ciascuno di tre vial di vetro puliti da 10 o 20 millilitri, numerati da uno a tre. Pipettare un millilitro di acqua deionizzata lungo le pareti interne di ciascun vial.

Per campioni idrofobi, utilizzare invece un millilitro di etanolo allo 0,5 percento in volume in acqua deionizzata. Mescolare ogni campione fino a ottenere una pasta densa. Successivamente, aggiungere acqua deionizzata alla pasta in quantità sufficiente a raggiungere una concentrazione finale del campione di 0,2 milligrammi per millilitro.

Agitare orizzontalmente i vial per rimuovere qualsiasi nanopolvere aderente alle pareti interne. Trasferire 1,5 millilitri di ciascuna dispersione di nanopolvere in provette microcentrifughe pulite, etichettate con i numeri corrispondenti. Chiudere saldamente le provette e agitarle delicatamente per staccare la nanopolvere dalle pareti interne.

Quindi, posizionare i campioni nel sonitrodo. Sottoporre i campioni a sonificazione a 1,1 watt, con impulsi di un secondo acceso e un secondo spento, per due minuti. Successivamente, rimuovere il campione uno dal blocco.

Trasferire un millilitro dalla parte superiore della dispersione in un altro tubo da microcentrifuga pulito. Aggiungere acqua deionizzata al tubo per ottenere una concentrazione del campione di 0,02 milligrammi per millilitro. Iniziare immediatamente la caratterizzazione del campione.

10 minuti dopo la fine del primo trattamento sonico, sottoporre a sonica i campioni rimanenti per quattro minuti, utilizzando la stessa ampiezza e le stesse impostazioni di impulso. Diluire il campione due a 0,02 milligrammi per millilitro con acqua deionizzata e iniziare la caratterizzazione. 10 minuti dopo la fine del secondo trattamento sonico, sottoporre il campione tre a un'ulteriore sonica per quattro minuti alle stesse impostazioni.

Diluire il campione fino a 0,02 milligrammi per millilitro e iniziare la caratterizzazione. Per prima cosa, calibrare un bagno ad ultrasuoni rispetto al sensore del bagno. Successivamente, utilizzare una spatola pulita per posizionare due milligrammi del nanopolvere scelto in ciascuno di quattro vial di vetro puliti, numerati da quattro a sette.

Aggiungere con la pipetta un millilitro di acqua deionizzata lungo le pareti di ogni provetta e mescolare le polveri fino a ottenere delle paste dense. Aggiungere acqua deionizzata per raggiungere una concentrazione del campione di 0,2 milligrammi per millilitro in ogni provetta. Chiudere le provette con il tappo e agitarle delicatamente per staccare qualsiasi nanopolvere aderente alle superfici interne.

Posizionare i vial al centro del bagno ad ultrasuoni calibrato. Assicurarsi che il livello dell'acqua raggiunga la metà dei vial. Sottoporre il campione a sonificazione a 80 watt per 15 minuti a temperatura ambiente.

Quindi, trasferire un'aliquote del campione quattro in un vial pulito. Diluire l'aliquote con acqua deionizzata fino a 0,02 milligrammi per millilitro e iniziare la caratterizzazione. Sostituire l'acqua del bagno ad ultrasuoni con acqua fresca a temperatura ambiente per evitare l'accumulo di calore che potrebbe alterare le dispersioni.

Per iniziare la valutazione della dimensione delle particelle mediante scattering dinamico della luce, aprire il software dello strumento e creare un file di misurazione della dimensione. Compilare il tempo di equilibrazione, la temperatura, il tipo di cuvetta e la modalità di esperimento. Salvare il file di misurazione della dimensione.

Quindi, eseguire una misurazione di verifica mediante DLS su un campione di microsfere di lattice standard con una dimensione nominale di 100 nanometri. Verificare che le prestazioni dello strumento soddisfino gli standard appropriati. Successivamente, pipettare lentamente un millilitro di una dispersione diluita di nanopolvere in una cuvetta monouso pulita a basso volume, avendo cura di evitare la formazione di bolle d'aria.

Inserire la cuvetta nello strumento e avviare l'acquisizione dei dati. Effettuare almeno cinque misurazioni per campione. Successivamente, selezionare tutte le misurazioni e calcolare la media per ciascun campione.

Esportare i dati delle misurazioni in un programma di foglio elettronico per ulteriori analisi. Successivamente, per iniziare la caratterizzazione del campione mediante spettroscopia UV-vis, aprire il software dello strumento e preparare una nuova analisi. Pipettare due o tre millilitri di una dispersione diluita di nanopolvere in una cuvetta di quarzo standard pulita.

Impostare quindi l'intervallo di lunghezze d'onda dello strumento da 700 nanometri a 200 nanometri. Acquisire un campione bianco del solvente per la sottrazione del fondo. Acquisire almeno tre spettri per ogni campione ed esportare i dati per ulteriori analisi.

Successivamente, per iniziare la caratterizzazione del campione mediante microscopia elettronica a trasmissione, depositare una goccia di una dispersione diluita di nanopolvere su un film di carbonio forato da 300 mesh pulito. Lasciare asciugare il campione all'aria in condizioni ambiente, proteggendolo dalla contaminazione atmosferica. Quindi, lavare la griglia con acqua ultrapura per rimuovere gli effetti derivanti da un'essiccazione non uniforme.

Acquisire immagini in microscopia elettronica a trasmissione (TEM) ed esportarle per ulteriori analisi. Prima della dispersione, i nanomateriali di ossido di zinco con profili superficiali idrofili o idrofobi mostravano dimensioni medie delle particelle elevate e alta polidispersità. Le dimensioni delle particelle e la polidispersità dell'ossido di zinco idrofilo sono diminuite dopo 15 minuti di sonificazione in bagno ad ultrasuoni, ma sono aumentate con il protrarre della sonificazione.

Le immagini TEM confermano che le particelle hanno subito reagglomerazione con l'ulteriore sonicazione. Il trattamento in bagno ad ultrasuoni delle particelle di ossido di zinco idrofobico ha determinato una riduzione della dimensione delle particelle e della polidispersione, che ha raggiunto un plateau a 30 minuti. Negli alleati TEM degli ossidi di zinco idrofobici sono stati osservati effetti di essiccamento, indicando che la pre-umidificazione con etanolo ha causato difficoltà nell'immobilizzare la polvere sulla griglia di carbonio.

Il trattamento con sonda ad ultrasuoni della polvere idrofila ha prodotto una dispersione omogenea e stabile dopo due minuti. La prosecuzione della sonificazione ha portato a una rapida reagglomerazione. Un comportamento simile è stato osservato con la polvere idrofoba.

In base ai valori di polidispersione, le condizioni ottimali di dispersione per le polveri di ossido di zinco idrofile e idrofobe sono state individuate rispettivamente in un trattamento in bagno ad ultrasuoni di 60 e 30 minuti. La sonicazione è comunemente utilizzata per l'agglomerazione e la dispersione di nanomateriali in mezzi acquosi. Tuttavia, la strategia di ottimizzazione deve essere nuovamente ottimizzata in caso di variazioni del tipo di nanomateriale o del mezzo di dispersione.

Nel tentativo di eseguire questa procedura, ricordarsi di calibrare gli ultrasuonatori per determinare l'energia acustica effettiva trasferita alla sospensione. Assicurarsi di registrare tutti i parametri di sonificazione e i punti temporali valutati. Una volta padroneggiata, questa tecnica può essere utilizzata per la dispersione di nanomateriali in acqua o in altri mezzi, regolando singolarmente il tipo, il tempo e la potenza della sonificazione, tenendo conto delle variazioni di temperatura durante il processo.