Dispersie van nanomaterialen in waterige Media: op weg naar protocolverbetering

Samenvatting

Hier presenteren wij een stapsgewijs protocol voor de dispersie van nanomaterialen in waterige media met real-time karakterisering te identificeren van de optimale ultrasoonapparaat voorwaarden, intensiteit en duur voor verbeterde stabiliteit en uniformiteit van de nanoparticle dispersies zonder invloed op de integriteit van de steekproef.

Samenvatting

Het ultrasoonapparaat proces wordt meestal gebruikt voor de specie en verspreiden van nanomaterialen in waterige gebaseerde media, noodzakelijk om de homogeniteit en stabiliteit van de schorsing. In deze studie wordt een systematische, stapsgewijze benadering te identificeren van de optimale ultrasoonapparaat voorwaarden met het oog op een stabiele dispersie uitgevoerd. Deze aanpak is aangenomen en aangetoond dat zij geschikt zijn voor verschillende nanomaterialen (cerium oxide, zinkoxide en koolstof nanotubes), gedispergeerd in gedeïoniseerd water (DI). Bij elke wijziging in het nanomateriaal type of verspreiden medium moet er echter worden optimalisatie van het basisprotocol door aanpassing van verschillende factoren zoals ultrasoonapparaat tijd, kracht en ultrasoonapparaat Typ evenals temperatuurstijging tijdens het proces. De aanpak van vastgelegd de dispersie-proces in detail. Dit is noodzakelijk om te identificeren van de tijdstippen, alsmede andere bovengenoemde voorwaarden tijdens het ultrasoonapparaat waarin kunnen er ongewenste wijzigingen, zoals schade aan het oppervlak van de particle dus beïnvloeden oppervlakte-eigenschappen. Ons doel is het bieden van een geharmoniseerde benadering die de kwaliteit van de definitieve, geproduceerde dispersie controleren kan. Een dergelijke richtsnoer is behulpzaam bij het waarborgen van dispersie kwaliteit herhaalbaarheid in de nanowetenschap Gemeenschap, met name op het gebied van Nanotoxicologie.

Inleiding

Ultrasoonapparaat is het proces van het genereren van cavitations, die impliceert de oprichting, groei, en ineenstorting van bubbels (vaak genoemd hotspots) gevormd in vloeistof als gevolg van de bestraling van hoge intensiteit ultrageluid¹. In de omgeving van een laboratorium, wordt de ultrasoonapparaat methode uitgevoerd met behulp van een ultrasoonapparaat. Er zijn verschillende sonicators, allemaal met de algemene functie van-specie deeltjes, die in een opgietvloeistof als individuele (of primaire) deeltjes verspreiden. Door het toepassen van ultrasoonapparaat, kan monster homogeniteit verbeteren, potentieel bereiken een veel smaller korrelgrootteverdeling. Een belangrijk aspect dat aandacht verdient in het proces van dispersie is stabiliteit van de definitieve dispersie. Hier, wordt de stabiliteit van de suspensie gedefinieerd als waar de deeltjes Neem geen genoegen of sediment af in hun verspreide staat en de gemiddelde hydrodynamische diameter metingen niet door meer dan 10% tussen de vijf herhaalde metingen tijdens die variëren tijd (ongeveer 10 min)^2,3. Er zijn verschillende manieren voor het meten van de stabiliteit van de dispersie. Dit omvat de schatting van zeta potentiële (ZP) door meten van elektroforetische mobiliteit van deeltjes. Een ander is voor het meten van de karakteristieke absorptie van nanodeeltjes in de UV spectraal bereik⁴.

Op het gebied van Nanotoxicologie is de mogelijkheid om controle over dispersie kwaliteit erg belangrijk, de dispersie stap zal belangrijke fysisch-chemische eigenschappen, zoals de vorm, grootte/korrelgrootteverdeling, aggregatie/agglomeratie, oppervlakte vast te stellen oplaadt, etc. deze in bocht uiteindelijk beïnvloedt de interactie van deeltjes met test media en de resultaten van verschillende in vitro en in vivo experimenten, om de mogelijke gevaren van nanomaterialen afleiden.

Ultrasoonapparaat wordt meestal uitgevoerd door hetzij met behulp van een sonde-type (direct) of een ultrasoonbad, of ultrasone sonde met een flacon tweeter (indirecte ultrasoonapparaat). Alle soorten ultrasoonapparaat beschikbaar in een waaier van intensiteit en macht uitvoerinstellingen, soms aangepast met een ander type van sonotrode voor specifieke processen of eisen, en geschikt zijn voor vloeibare volumes variërend van 2 tot 250 mL. Hoewel sonde met ultrasone trillingen is bekend om beter te presteren dan Bad ultrasoonapparaat vanwege gelokaliseerde topprestatie⁵, is Bad ultrasoonapparaat vaak voorkeur over sonde-type voor de voorbereiding van toxicologische test schorsingen vanwege de mogelijke risico op besmetting via de tip, erosie van titanium sonde tip na langdurig gebruik en sonde onderdompeling diepte verschillen. Een ultrasone sonde uitgerust met een flacon tweeter is ook gunstig over de directe sonde als gevolg van de risico's van bovengenoemde verontreiniging, alsmede de vriendelijkheid van de werking van de apparatuur. Verschillende flesjes zijn sonicated op hetzelfde moment en op dezelfde intensiteit. Dit bespaart niet alleen tijd maar zorgt ervoor dat alle monsters worden behandeld, waardoor de resultaten onder monsters meer betrouwbare en vergelijkbare. In het onderzoek van de veiligheid van nanomaterialen, wordt verontreiniging altijd voorkomen. Echter de sonde ultrasoonapparaat past deze eis niet en is niet getest. Sonde sonicators is bekend dat sommige onvermijdelijke bijwerkingen zoals monster verontreiniging als gevolg van erosie van de tip veroorzaken evenals verminderd energetisch rendement leiden tot wijzigingen van dispersie voorwaarden, vandaar afbreuk te doen aan gegevens reproduceerbaarheid^{6, 7 , 8}. Bovendien monsters worden meestal uitgevoerd in onbedekte containers leidt tot vloeibare verlies als gevolg van verdamping, alsook stof afzetting. Om te voorkomen dat deze onbedoelde veranderingen, adviseren recente studies alternatieve indirecte sonicators, op basis van hun efficiënte energie levering evenals zekerheid⁶van de zuiverheid van de schorsing.

Niet-geoptimaliseerde ultrasoonapparaat kan een nadelig effect op de resultaten hebben. Potentieel, kan het veranderen van de belangrijkste fysische en chemische eigenschappen van de nanomaterialen zoals grootte, grootteverdeling, morfologie en oppervlakte gratis^2,9. Bestaande literatuur heeft gemeld dergelijke tekortkomingen waarmee het ultrasoonapparaat proces en de impact op deeltje parameters zoals nano-TiO₂^5,10,11, nano-ZnO⁶en nano-koper¹² . Bovendien is afgelopen studies hebben aangetoond dat het ultrasoonapparaat-proces niet alleen deeltje kenmerken verandert, maar ook de resultaten van toxicologische proeven^{12,13 regelt}.

Als u wilt controle over het proces van dispersie, is het belangrijk om te controleren en te begrijpen hoe de verschillende factoren zoals ultrasoonapparaat type, instrument macht en duur, volumes, enz., kan invloed hebben op kwaliteit van de dispersie. Vandaar, is er een behoefte aan een systematische procedure voor het analyseren van de belangrijkste fysisch-chemische kenmerken van de deeltjes in de verstrooiing op verschillende tijdstippen van het ultrasoonapparaat proces. Hoewel dergelijke overwegingen rekening door een paar onderzoekers gehouden hebben, is werk op dit gebied beperkt. Bihari et al. , stabiliteit van de dispersie van verschillende nanomateriaal dispersies gemaakt met behulp van verschillende echografie energieën met verschillende dispersie stabilisatoren¹⁴hebben bestudeerd. Een recente studie door Hartmannn et al. benadrukt dat hoewel werk is gedaan om te begrijpen van de verschillende factoren die nanomateriaal dispersie kwaliteit bv, soort ultrasoonapparaat gebruikt, ultrasoonapparaat tijd, etc., er is nog geen duidelijk omschreven en algemeen aanvaarde ultrasoonapparaat procedure ondersteunt die momenteel nanotoxicological testen en onderzoeken^7,15.

Verschillende analytische karakterisering technieken worden gebruikt om te waken over de kwaliteit dispersie. Voorbeelden hiervan zijn het gebruik van: dynamische licht verstrooiing (DLS), Disc centrifugeren elektroforetische licht verstrooiing (ELS), UV-zichtbaar (UV-vis) spectroscopie en Transmissie Electronenmicroscopie (TEM), die grootte/korrelgrootteverdeling meten, Zeta potentieel, stabiliteit van dispersie en morfologie kenmerken, respectievelijk. DLS is vaak gebruikt om te bepalen van de hydrodynamische diameter (Z-gemiddelde) van de deeltjes en polydispersiteit index (PdI) van nanomateriaal dispersie. In het geval van multimodaal grootteverdeling door DLS, kan Z-gemiddelde verkregen niet eens met de intensiteit-gewogen grootte distributie-intensiteit. Het gemiddelde van de intensiteit-gewogen grootteverdeling kan als zodanig worden aangeboden. PdI weerspiegelt de broadness van de grootteverdeling met een schaal gaande van 0 - 1, waarbij 0 wordt een monodispersed monster en 1 wordt een polydisperse zeer monster¹⁶. Schijf centrifugeren is een scheiding techniek gebruikt om te bepalen van de korrelgrootteverdeling met centrifugaal sedimentatie in een vloeibaar medium. Het sediment deeltjes binnen een optisch duidelijk en roterende schijf en de hoeveelheid licht verstrooid door de deeltjes als ze aan de rand van de schijf wordt opgenomen en omgezet in korrelgrootteverdeling met behulp van de wet van Stokes. Om te lossen multimodale deeltje distributie, zijn technieken zoals schijf centrifuge meer geschikt is als ze een scheiding mechanisme element geïntegreerd binnen het instrument hebben. Zeta potentiële (ζ -potentiële) van deeltjes wordt gedefinieerd als de elektrische potentiaal op hun schuintrekken of vertraging vliegtuig, die een denkbeeldige grens binnen dubbele laag met de elektriciteit die scheidt de (bulk) vloeistof toont normaal viskeuze gedrag van de Achtersteven laag, een laag die overwegend is samengesteld uit teller ionen en beschouwd om te gaan met het deeltje. Het potentieel van de zeta is direct gerelateerd aan de oppervlakte lading van deeltjes en bijgevolg de Electrostatische interactie (d.w.z., afkeer/attractie) tussen de deeltjes. Deze parameter wordt daarom beschouwd als een primaire indicator van nanomateriaal dispersie stabiliteit. Door Conventie, zeta potentieel waarde onder -25 mV en boven 25 mV worden beschouwd als stabiel^17,18. De zeta potentiële¹⁹sterk van invloed op de concentratie en het type van ionen, alsmede de pH van de oplossing. ELS wordt gebruikt voor het meten van de elektroforetische mobiliteit van deeltjes in dispersie en deze mobiliteit wordt geconverteerd naar zeta potentiële via de Henry vergelijking en de Smoluchowski of Hückel modellen. UV-vis-spectroscopie is een techniek die bij de berekening van het licht dat is geabsorbeerd en verstrooid door een steekproef op een bepaalde golflengte. Het wordt vaak gebruikt om de stabiliteit van de dispersie volgen door het meten van de karakteristieke absorptie van nanomaterialen in de UV-regio. Ten slotte, TEM wordt vaak gebruikt om te visualiseren en analyseren van de grootte, de grootteverdeling, de agglomeratie, en de vorm van nanodeeltjes^5,14,15,20.

Presenteren we een vergelijkende studie van de zes verschillende nanomateriaal dispersies gemaakt met behulp van ultrasone bad en een ultrasone sonde uitgerust met een flacon tweeter. Het deeltje concentratie, temperatuur, ultrasoonapparaat type en instellingen die worden gebruikt in de studie worden gespecificeerd in het protocol, zodat de experimentele instellingen voor soortgelijke sondes en Ultrasoon Baden kunnen worden afgeleid. De volgende nanomaterialen worden gebruikt: zilver (Ag), cerium oxide (CeO₂) en zinkoxide (ZnO, NM110-hydrophylic en NM111-hydrofoob) koolstof gebaseerde nanomaterialen zoals koolstof nanobuisjes (A32 en A106, Zie Tabel van materialen).

Beoordeling van dispersie kwaliteit op verschillende tijdstippen langs het ultrasoonapparaat proces is gemaakt met behulp van verschillende karakterisering technieken, namelijk DLS voor grootte/korrelgrootteverdeling, Disc centrifugeren voor grootteverdeling, ELS voor potentiële, zeta UV-vis-spectroscopie voor stabiliteit en TEM voor particle shape en homogeniteit. Een aantal verschillende nanomaterialen variërend van metaaloxiden tot koolstof gebaseerde worden geëvalueerd. Ter vergelijking, wordt commerciële waterige suspensie van zilveren nanodeeltjes (Ag NPs) gestabiliseerd met citraat aftopping gebruikt in parallel, afleiden van de verwachte lange termijn stabiliteit van relevante verkrijgbare schorsing. Natuurlijk, dit Ag NPs model is niet rechtstreeks gerelateerd aan een van de dispersie procedures maar uitsluitend handelt om aan te geven van de noodzaak om opnieuw Bewerk ultrasone trillingen ten of opnieuw het stabiliseren van de schorsingen na enige tijd van opslag, zoals wijzigingen zoals opnieuw agglomeratie zijn gebonden aan het optreden tijdens opslag. De schorsing wordt bewaard in de koelkast voor twee maanden. Tijdens deze periode, wordt de spreiding gekenmerkt om te identificeren van potentiële agglomeratie van de deeltjes. Eerste resultaten tonen een unstable schorsing (zoals besproken in het gedeelte ' resultaten '). Deze spreiding wordt vervolgens verder onderworpen aan verschillende ultrasoonapparaat behandelingen, vergelijkbaar met de andere nanomaterialen gebruikt in de studie. Het doel van de studie is om te bevestigen dat wij-doen de opschorting door hetzelfde ultrasoonapparaat protocol samenballen kan. De Ag NPs model kan dus worden gekoppeld als de benchmark voor lange termijn studies opnieuw verspreiding van deeltjes in geoptimaliseerde vorm vertegenwoordigt.

De protocollen van de dispersie gepresenteerde aandeel gelijkenissen met die in eerdere literatuur gepubliceerd en bevat enkele van de enkele aanbevelingen die eerder door afgelopen werknemers^{7,21,22,23 ,24,25}. In dit onderzoek is een systematische en stapsgewijze aanpak gebruikt voor controle van dispersie kwaliteit in het gehele protocol dispersie. Deze aanpak verbindt zich ertoe de real-time karakterisering van de nanomateriaal dispersies, teneinde optimale experimentele dispersie voorwaarden (Figuur 1).

Figuur 1. Stroomdiagram beeltenis van de regeling en stapsgewijze volgorde van het protocol van de dispersie. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Protocol

Opmerking: Alle chemische stoffen worden gebruikt als ontvangen zonder verdere zuivering. Ultrazuiver water gedurende de studie met een soortelijke weerstand van 18 MΩ·cm gebruiken. Alle de bereid dispersies bevinden zich in het algemeen bij 5 ° C in het donker voor eventuele verdere karakterisering of toekomstige stabiliteit studies, maar dit kan variëren afhankelijk van de samenstelling van het materiaal en andere bijbehorende eigenschappen zoals ontbinding. Bijvoorbeeld, zijn Ag NPs over het algemeen stabiel voor enige tijd als opgeslagen tussen 2-5 ° C weg van zonlicht; echter dynamische veranderingen zijn verbindend om te gebeuren binnen de schorsingen en dispersies zal opnieuw doen samenballen toch is bekend dat sediment naar beneden met de tijd. Het analyseren van deze materialen met behulp van Distributielijsten, UV-vis, en TEM voor kwaliteit controle vóór biologische testen^4,5,13,14. Een concentratie van 0,02 mg/mL wordt gebruikt voor de onderstaande analyse. De concentratie van het monster is geschikt voor de analyse met behulp van Distributielijsten, UV-vis, schijf centrifuge, zeta-potentieel berekeningen en TEM analyse.

1. kalibratie van de geleverde stroom door Sonicators

Opmerking: De akoestische effectiefvermogen geleverd tot de sonicated schorsing is een belangrijke parameter om reproduceerbare dispersies. Dit is anders dan de elektrische invoer of uitvoergegevens vermogen van de generator die is aangegeven door de fabrikant, zoals dit de werkelijke is macht die is leverbaar tot de schorsing tijdens ultrasoonapparaat²⁶. Onder de vele methoden voor de berekening van de geleverde effectiefvermogen is de meest gebruikte methode calorimetrie²⁶. Dit staat bekend als een eenvoudige en efficiënte manier voor de rechtstreekse meting van effectiefvermogen geleverd aan een schorsing⁷. Bij deze methode wordt de temperatuurstijging in de vloeistof bij een bepaalde ultrasoonapparaat instellen na verloop van tijd wordt geregistreerd en het effectiefvermogen geleverd wordt berekend met behulp van de volgende vergelijking:

waar P is de geleverde akoestische vermogen (W), T is de temperatuur (K), t komt overeen met de tijd (s), C_P is de soortelijke warmte van de vloeistof (4.18 J/g· K voor water), en M = de massa van de vloeistof (g).

1. Kalibratie van geleverde vermogen door ultrasone sonde uitgerust met een flacon tweeter
   Opmerking: De methode is aangepast van Taurozzi et al. ⁷ en de volgende stappen worden aanbevolen.
   1. Plaats een lege plastic flesje op de microbalans en tarra van het saldo.
   2. Vul de flacon met 1,5 mL DI water (soortelijke weerstand 18 MΩ·cm) en de massa van de vloeistof met behulp van het saldo opnemen.
   3. Plaats de ampul in één van de zes flacon gaatjes in het deel van de hoge intensiteit van de flacon tweeter en een temperatuurvoeler verbonden met een digitale temperatuurmeter met behulp van een klem onder te dompelen. Zorg ervoor dat de sonde niet de muren van de flacon raakt en ongeveer 2 cm onder het vloeistofoppervlak is.
   4. De instelling van de tweeter flacon vastgesteldop 24 kHz en 10 W (amplitude aanpassing op 50%) en werken in de continue mode.
      Opmerking: Andere aanpassingen van de amplitude hier getest zijn 70%, 90% en 100%.
   5. Opnemen van de stijging in temperatuur van het water voor de eerste 5 min met een tussenpoos van 30 s en ervoor te zorgen dat de flacon of het opzetten niet positie verschuiven.
   6. Maak een temperatuur versus tijdgrafiek in een spreadsheet-software en verkrijgen van de beste lineaire pasvorm voor de curve met behulp van regressie met kleinste kwadraten.
   7. Verkrijgen van de helling van de grafiek (dat is de stijging van de temperatuur na verloop van tijd) en bereken het vermogen geleverd met behulp van vergelijking 1. Herhaal het experiment drie keer en de gemiddelde waarde te verkrijgen.
   8. Herhaal de procedure vanaf stappen 1.1.1 - 1.1.4 voor 70%, 90% en 100% amplitude-instellingen. De waarde van de macht verkregen met behulp van deze procedure is gemeld tijdens dispersie procedure.
2. Kalibratie van de geleverde stroom door een ultrasoonbad
   1. Plaats een lege plastic flesje op de microbalans en tarra van het saldo.
   2. Vul de flacon met 1,5 mL DI water (soortelijke weerstand 18 MΩ·cm) en de massa van de vloeistof met behulp van het saldo opnemen.
   3. Plaats de ampul in het midden van het ultrasoonbad dat helft ondergedompeld in water en veilig met een klem. Dompel een temperatuurvoeler verbonden met een digitale temperatuurmeter met behulp van een klem. Zorg ervoor dat de sonde niet de muren van de flacon raakt en ongeveer 2 cm onder het vloeistofoppervlak is.
   4. Instellen van het ultrasoonbad bij 40 KHz en 80 W en werken in de continue mode.
   5. Opnemen van de stijging in temperatuur van het water voor de eerste 5 min met een tussenpoos van 30 s en ervoor te zorgen dat de flacon of het opzetten niet positie verschuiven.
   6. Eentemperatuur versus tijdgrafiek maken in excel en het verkrijgen van de beste lineaire pasvorm voor de curve met behulp van regressie met kleinste kwadraten.
   7. Verkrijgen van de helling van de grafiek in een spreadsheet-software (die is de stijging van de temperatuur na verloop van tijd) en bereken het vermogen geleverd met behulp van vergelijking 1. Herhaal het experiment drie keer en de gemiddelde waarde te verkrijgen. De waarde van de macht verkregen met behulp van deze procedure is gemeld tijdens de dispersie-procedure.

2. dispersie Procedure in waterig Medium met een ultrasone sonde is voorzien van een Vial-Tweeter

1. Weeg 2 mg van elk van de vereiste nanopowder met behulp van een schone spatel in drie schone glazen flesjes. Label hen als flesjes 1, 2 en 3.
2. Pipetteer uit 1 mL DI water en langs de muren van elke flacon toevoegen. Maak een dikke pasta met de hulp van een schoon dunne glazen staaf, voeg dan de rest van het water om een eindconcentratie van 0,2 mg/mL. In het geval van een hydrofobe steekproef, voeren de pre bedplassen met behulp van 1 mL 0,5% vol/vol ethanol en voeg DI water te halen van het vereiste eindconcentratie.
3. Zegel van elke flacon met zijn pet en schud goed in de horizontale cirkelbeweging te removeany nanopowder vasthouden aan de muren van de flacon.
4. Plaats de drie flesjes in de ultrasone sonde uitgerust met een flacon tweeter en toepassing van de eerste behandeling van het ultrasoonapparaat voor 2 min op 1.1 W in gepulseerde modus (1 s/1-s, welke s betekent 1 op en 1 s af). Dit geeft een stijging van de temperatuur van ongeveer 4 ° C in de verstrooiing.
5. Neem flacon 1 en Pipetteer een geschikte hoeveelheid monster uit de top van de flacon, Verdun het met DI water tot een concentratie van 0,02 mg/mL. Kenmerkend zijn de verdunde dispersie voor grootte, korrelgrootteverdeling, vorm, agglomeratie, en zeta potentieel met behulp van een scala aan gratis technieken zoals DLS, TEM, UV-vis, en ELS (besproken in sectie 4). Opnemen en nauwkeurig vastleggen van de metingen.
6. Wacht 10 minuten vanaf stap 2.4 toestaan koeling van het monster en voorkomen van een plotselinge temperatuurstijging in het systeem. Een tweede ultrasoonapparaat behandeling toepassen flesjes 2 en 3 voor 4 min op dezelfde instellingen van amplitude en gepulseerde modus. Flacon 2 nemen, herhaal stap 2.5 en documenteren van de lezingen na 6 min van ultrasoonapparaat.
7. Wacht 10 minuten, een derde ultrasoonapparaat behandeling toepassen flacon 3 voor een andere 4 min en vervolgens volgen trede 2.5. Opnemen en vastleggen van de metingen op 10 min van ultrasoonapparaat (besproken in sectie 4).
   Opmerking: Labjassen, handschoenen en bril moeten gedragen worden bij de behandeling van schorsingen van nanodeeltjes. Het ultrasoonapparaat moet worden geplaatst in akoestische behuizing tijdens langere experimenten, en hoge beschermingsfactor oorwarmers bij werken dichter naar de echografie-bron moeten worden gedragen.

3. dispersie Procedure in waterig Medium met behulp van een ultrasoon bad

1. Weeg 2 mg van elk van de vereiste nanopowder met behulp van een schone spatel in vier schone glazen flesjes en labelen hen als flesjes 4, 5, 6 en 7.
2. Pipetteer uit een paar druppels DI water langs de muren van elke flacon toevoegen en maak een dikke pasta met de hulp van schone dunne glazen staafje. Voeg vervolgens de rest van het water om een eindconcentratie van 0,2 mg/mL in elk flesje.
   Opmerking: In geval van een hydrofobe steekproef, de pre bedplassen is uitgevoerd met behulp van 1 mL 0,5% vol/vol ethanol en vervolgens DI water wordt toegevoegd aan de gewenste eindconcentratie make-up.
3. Zegel van elke flacon met zijn pet en schud goed in de horizontale cirkelbeweging te verwijderen elke nanopowder vasthouden aan de muren van de flacon.
4. Plaats van de vier flesjes in het midden van een ultrasoon bad met de flesjes die helft ondergedompeld in water en toepassing van de eerste behandeling van het ultrasoonapparaat bij 80 W gedurende 15 minuten bij kamertemperatuur. Dit zou een stijging van de temperatuur van 3 ° C in de verstrooiing.
5. Flacon 4 verwijderen uit het ultrasoonbad en Pipetteer een geschikte hoeveelheid aliquot vanaf de top van de flacon, Verdun het met DI water tot een concentratie van 0,02 mg/mL en karakteriseren van het monster voor grootte, korrelgrootteverdeling, vorm, agglomeratie, en zeta potentieel met behulp van een scala aan gratis technieken zoals DLS, TEM, UV-vis, en ELS (besproken in sectie 4). Opnemen en vastleggen van de metingen.
6. Het water in het ultrasoonbad veranderen en een tweede ultrasoonapparaat behandeling toepassen flesjes 5, 6 en 7 voor een ander 15 min op dezelfde instellingen (80 W). Flacon 5 verwijderen, voert u stap 3.5 voor karakterisering en documenteren van de lezingen op 30 min van ultrasoonapparaat.
7. Het water in het ultrasoonbad (om te voorkomen van een verdere stijging van de temperatuur) wijzigen en de toepassing van een derde ultrasoonapparaat behandeling van een andere 30 min op flesjes 6 en 7 bij dezelfde instellingen met een kleine pauze van verandering van water opnieuw op 15 min. verwijderen ampul 6 en volg stap 3.5. Opnemen en vastleggen van de metingen bij 1 h van ultrasoonapparaat.
8. Het water in het ultrasoonbad elke 15 min weer veranderen en een vierde ultrasoonapparaat behandeling toepassen in flacon 7 voor nog een uur houden de instellingen-constante. Flacon 7 nemen en volgen trede 3.5 voor volledige karakterisering en opnemen van de metingen bij 2 h van ultrasoonapparaat.

4. karakterisering van de verspreide monsters op verschillende tijdstippen

1. Grootte karakterisering met behulp van Distributielijsten ²⁷
   1. De DLS-software niet openen. Een grootte meting bestand maken dat kan worden geïndividualiseerd voor een specifieke nanomateriaal (met inbegrip van een voor een standaard) met behulp van de waarde van de brekingsindex van de Malvern handleiding. Daarnaast input van andere gegevens zoals vereist door de software, zoals waarden van absorptie en viscositeit, en ook soort dispergeermiddel.
   2. Voer in de experiment-voorwaarden voor het monster, zoals 2 min equilibratietijd, temperatuur van 20 ° C, cuvette Typ als laag volume wegwerp cuvette en experimenteren in de automatische modus uitgevoerd. Druk op bestand | Opslaan (opslaan met de gewenste naam).
   3. Druk op "bestand | Open nieuwe meting"en voer een verificatietest DLS met behulp van standaard latex kralen met een nominale maat van 100 nm te kwalificeren instrument prestaties
      1. Gebruik een laag volume wegwerp cuvette. 1 mL van het monster met behulp van spuit of pipetten om eventuele luchtbellen te injecteren.
         Opmerking: Reinig de cuvettes met ethanol en DI-water vóór gebruik.
      2. Plaats de cuvette in de machine. Klik op de "start" knop in het deelvenster file meting. Merk op dat dit zal het monster gedurende 2 minuten equilibreer en metingen bij 20 ° C.
         Opmerking: Als monsters eerder in de koelkast opgeslagen hebben, hen in staat stellen tot kamertemperatuur vóór gebruik.
      3. Verzamelen van ten minste vijf metingen in automatische modus en neem het gemiddelde van de metingen aan het verslag van de grootte van alle metingen selecteren en te klikken op "gemiddelde" in het bovenste deelvenster. Exporteer de gegevens naar excel voor verdere analyse.
      4. Het verslag van de hydrodynamische diameter als de Z-gemiddelde, met de breedte van de PdI vertegenwoordigen de standaardafwijking van het Z-gemiddelde in geval van een monomodaal distributie²⁸. In geval van een significante discrepantie tussen het Z-gemiddelde en het gemiddelde van de intensiteit-gewogen grootteverdeling, oftewel indicatieve polydispersiteit of agglomeratie, wordt het gemiddelde van het resultaat van de distributie-intensiteit-gewogen grootte geciteerd met een commentaar op de status van de steekproef.
      5. Herhaal stap 4.1.3 voor nieuwe metingen.
         Opmerking: DLS is niet een geschikte techniek voor analyse van niet-ideale monsters. Door dit bedoelen we monsters die zijn niet-bolvormige deeltjes van hoge polydispersiteit uitgebreide agglomeratie, sedimentatie, etc. die de herhaalde metingen leiden onnauwkeurige lezingen als gevolg van sedimentatie/afwikkeling deeltjes tot kunnen. In dergelijke gevallen worden andere gratis technieken aanbevolen zoals centrifugeren van de schijf, die kan worden gebruikt voor het beoordelen van de dispersie op een kwalitatieve manier.
2. Grootteverdeling door Disc centrifugeren
   1. De CPS-software niet openen. Selecteer "proceduredefinitie" zetten in de steekproef SOP naam boven en vul de monster parameters zoals minimale en maximale diameter partikel dichtheid, brekingsindex, absorptie en niet-bolvorm factor²⁹.
      1. Voor bijvoorbeeld voor ZnO nanopartikels, Geef 0,1 micron en 1,0 micron op de tabbladen van de minimale en maximale diameter, respectievelijk, geef 5.61 g/mL in de dichtheid van de deeltjes, 2.1 in de sectie van de brekingsindex, 0,001 in de absorptie van het deeltje, en 1 in de niet-bolvorm sectie.
   2. Vul de kalibratie standaarddetails gebaseerd op de standaard PVC piek diameter 0.377 µm met een dichtheid van de deeltjes van 1.385 g/mL. Ook de vloeistof parameters (sacharose, dichtheid van de vloeistof van 1.04 g/mL en vloeistof brekingsindex voor 1.35) en naam invullen en opslaan van de procedure.
   3. Koos de geselecteerde procedure (SOP opgeslagen in stap 4.2.1) en het injecteren van het eerste niveau van de kleurovergang, 1.6 mL van sacharose (24%) in het gat door de schijf en druk op 'start'.
      Opmerking: De rol van sacharose hier is om een verloop van de dichtheid op de disc selecteren terwijl spinnen met een constante snelheid. Dit berekend automatisch met de snelheid van de schijf afhankelijk van het bereik van de grootte.
   4. Wacht totdat de software de automatisch berekende RPM (rotaties per minuut bereikt). De bezinking te stabiliseren door het injecteren van een gradiënt van sacharose (lage dichtheid van 8% en 24% hoge dichtheid, Zie tabel 1), 1.6 mL totale volume elke tijd begint met de hoogste dichtheid en eindigend met de laagste dichtheid oplossing.
      Opmerking: Hier hebben we markeren de 8% sacharoseoplossing zo laag en 24% sacharoseoplossing zo hoog. Ze zijn in volgende volumes (totale volume 1.6 mL telkens) gemengd en geïnjecteerd in de schijf één voor één tot een gradiënt ontstaat.
      1. Na dit, injecteren 1,0 mL dodecane GLB vloeistof die helpt het verloop binnen de schijf voor een minimum van 6 h. toestaan handhaven de schijf centrifuge naar equilibreer gedurende 1 h.
   5. Selecteer "Opereren analyzer" en de monster-ID invoeren en druk op start. Injecteer 0,2 mL van de standaard met een spuit van 1 mL in de schijf en druk op de spatiebalk op hetzelfde moment. Vervolgens injecteren van 0,2 mL van het monster en druk op de spatiebalk op hetzelfde moment. Wacht totdat de meting op Voltooien en klik vervolgens op volgende monster.
   6. Gebruik de software van de controle systeem voor de schijf-centrifuge te verwerven en verwerken van de gegevens. Hiervoor klikt u op "ophalen distributie" en klik op de naam van het monster; Hiermee opent u de grafiek grootte distributie voor het monster. De gegevens exporteren naar een werkblad-manager.
3. Dispersie stabiliteit studie met behulp van UV-vis-spectroscopie
   Opmerking: UV-vis-spectroscopie wordt vaak gebruikt om te begrijpen van de stabiliteit van de schorsing en de aggregatie door het zorgvuldig observeren van de wijzigingen in de piek intensiteit, spectrale scheefheid, spectrale vorm ook de verschuiving van de golflengte in het absorptiespectrum⁴. De gedetailleerde stappen zijn als volgt.
   1. Open de UV-vis spectrofotometer software en klik op "spectrum scan"³⁰.
   2. Gebruik een standaard kwarts cuvette (halve microrectangular quartz cel 100 mm, 190-2700 nm). 2-3 mL van het monster met behulp van een precisiepipet injecteren.
      1. Vóór gebruik, wassen van de cuvettes met salpeterzuur 50% gedurende 10 minuten en daarna wassen drie keer met gezuiverd water. Spoel na met aceton, overmaat te verwijderen, en droge lucht.
   3. Voorinstelling van het instrument instelling bereik tot 700 nm tot 200 nm golflengte van de golflengte tabblad door te klikken op "Instrument" aan de bovenkant van het paneel software en te klikken op 'set golflengte'.
   4. Klik op de "basislijn". Achtergrond aftrekken elke gebruik van een overeenkomstige 'blanco' spectrum d.w.z., een cuvet gevuld met alleen verspreiden van medium, dat in dit geval water is.
      Opmerking: In geval van hydrofobe monsters, een gelijkaardige verhouding van ethanol: water wordt gebruikt als het verspreiden medium.
   5. Verzamelen van ten minste drie afzonderlijke spectra op elk monster door te klikken op "Instrument | Eigendom", en '3' Geef het aantal spectra. Nemen de gemiddelde waarden voor analyse. Opslaan van de gegevens en de gegevens voor verdere analyse exporteren.
4. Zeta potentiële metingen met behulp van ELS
   1. De DLS-software niet openen. Maak een zeta potentiële meting bestand dat kan worden geïndividualiseerd voor een specifieke nanomateriaal met behulp van de waarde van de brekingsindex van de Malvern handleiding. Input van andere informatie die kan worden aangesloten op de software bijvoorbeeld, absorptie, viscositeit en soort dispergeermiddel als gevonden in de steekproef instelling tab. Klik op "bestand | Opslaan"en sla met de gewenste naam.
   2. Klik op "bestand | Open nieuwe meting"en controleren van de prestaties van het instrument door middel van een verwijzing standaard DTS 1235 (zeta potentiële standaard). Dit is een standaard in waterige buffer met een pH van 9 polystyreen latex en heeft een potentieel van zeta van-42 ± 4.2 mV.
   3. Voorbereiding van het monster in een spuit van ten minste 1 mL. Gebruik een wegwerp gevouwen capillaire cel is voorzien van een elektrode aan elke kant voor de potentiële metingen van zeta. Injecteren zorgvuldig het monster in het capillair cel via een van de poorten op de capillaire cel controleren dat er geen luchtbellen.
      1. Zodra het monster begint te blijken uit het andere uiteinde, de stoppers invoegen en verwijderen van iedere vloeistof die kan hebben gemorst op de elektroden. Reinig de cuvettes grondig met ethanol en DI-water.
   4. De gevouwen capillaire cel invoegen in de machine. Equilibreer gedurende 2 min en het verwerven van de metingen bij 200 ° C, tenzij aangegeven. Als dispersie monsters al eerder hebt opgeslagen in de koelkast, toestaan de dispersie monsters tot kamertemperatuur vóór gebruik.
   5. Verzamelen van ten minste vijf metingen in automatische modus en de potentiële waarde van de gemiddelde zeta verslag. De gegevens worden geëxporteerd, analyseren van de^17,18 (meestal zeta potentiële waarde lager is dan -25 mV en boven 25 mV is als stabiel beschouwd), en interpreteren van online of offline.
5. Morfologische karakterisering met behulp van TEM
   1. Rasters (300 mesh) gaten koolstof films gebruiken voor de bereiding van de monsters. Een daling van het monster van de dispersie (ongeveer 0,1 mL, 0,02 mg/mL) op een schone raster plaatsen
   2. Toestaan monster aan de lucht drogen in de omgevingsomstandigheden terwijl de rasters bedekt om te voorkomen dat besmetting van de lucht te houden.
   3. De rasters met ultra pure water te verwijderen van de eventuele drogen effecten, en onder voorbehoud van TEM imaging wassen.
      Opmerking: De toevoeging van de daling van de dispersie op de grid verhoogt de concentratie van deeltjes op het oppervlak van de raster waardoor aantrekkelijke Inter deeltje krachten. Ongelijkmatige drogen kan leiden tot artefacten. Een kleine spoeling met ultra pure water elimineert dit risico en is nuttig voor een uniforme droging van de rasters³¹.
   4. Verwerven van de beelden in een formaat dm3 en later onderzoeken hen off line met behulp van TEM software.
      Opmerking: Afbeeldingen kunnen worden gebruikt om aanvullende informatie rondom deeltjesgrootte, structuur en vorm te deduceren. Bestanden worden geconverteerd naar een TIFF-bestand, waarin kwantificering op eigenschappen zoals de vorm en grootte kan worden uitgevoerd.

Resultaten

De colorimetrische gegevens waaruit de stijging van de temperatuur na verloop van tijd tijdens beide typen ultrasoonapparaat zijn afgebeeld in Figuur 2. De akoestische effectiefvermogen geleverd aan de spreiding in een ultrasone sonde uitgerust met een flacon tweeter (krachtbron 200 W) wordt berekend op 0.55 ± 0,05 W bij 50% amplitude, 0,75 ± 0.04 W bij 70% amplitude, 1,09 ± 0,05 W bij 90% amplitude en 1,15 ± 0,05 W op 50% amplit ude, overwegende dat voor het ultrasoonbad (krachtbron 80 W), wordt het berekend op 0.093 ± 0.04 W bij 100% instelling. De bevinding is vergelijkbaar met de eerder gepubliceerde werk, waaruit blijkt dat het vermogen wordt weergegeven door de sonicators veel minder dan die aan de schorsingen onder behandeling^32,33,34geleverd is.

Figuur 2. Colorimetrische gegevens waaruit de temperatuurverhoging van de na verloop van tijd tijdens ultrasoonapparaat met (A) een ultrasone sonde voorzien van een flacon tweeter en (B) een ultrasoonbad. De akoestische effectiefvermogen geleverd aan de spreiding in een ultrasone sonde uitgerust met een flacon tweeter (krachtbron 200 W) wordt berekend op 0.55 ± 0,05 W bij 50% amplitude, 0,75 ± 0.04 W bij 70% amplitude, 1,09 ± 0,05 W bij 90% amplitude en 1,15 ± 0,05 W op 50% amplit ude, overwegende dat voor het ultrasoonbad (krachtbron 80 W), wordt het berekend op 0.093 ± 0.04 W bij 100% instelling. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Bevindingen die zijn gekoppeld aan de verschillende nanomaterialen dispersies geproduceerd door verschillende protocollen worden samengevat in tabel 2. Resultaten blijkt de variabiliteit in de kwaliteit van de dispersie (zoals gemeten door DLS, ELS en TEM) verschillende nanomaterialen dispersies geproduceerd met behulp van verschillende ultrasoonapparaat voorwaarden is gekoppeld. Zoals verwacht, de variabiliteit van de gegevens wordt geregeld door verschillende factoren zoals soort nanomateriaal, ultrasoonapparaat bekijken over tijdsperioden, en een sonde of een ultrasoonbad is gebruikt in het protocol. Het spectrum van de UV-vis verkregen voor elke nanomateriaal wordt weergegeven in Figuur 3 en Figuur 4 en de DLS-resultaten worden weergegeven in Figuur 5 en Figuur 6.

Het doel van tabel 2 is niet alleen om te laten zien van de mate van variabiliteit van de gegevens, maar ook om identificatie van een geoptimaliseerde dispersie protocol voor een bepaalde nanomateriaal dispersie. Als dergelijke dispersies werd gebruikt als onderdeel van een testmethode voor nanotoxicological, dan het ideaal is om een stabiele dispersie (bij voorkeur een magnitude van op ten minste ± 30 mV), een kleine PdI die aangeeft smaller korrelgrootteverdeling (bij voorkeur met PdI van 0,2 of minder), en een kleine gemiddelde DLS deeltjesgrootte, om aan te geven van het uiteenvallen van grote agglomeraat. Hier, Z-gemiddelde wordt gedefinieerd als de intensiteit op basis van gemiddelde grootte van de nanodeeltjes en PdI een maat voor de breedte van de totale is grootte van de verdeling (zie hierboven in de Inleiding).

NM	Voorbeeldcode	Ultrasoonapparaat tijd	Grootte door DLS (nm)	Polydispersiteit Index (PdI)	Zeta potentiële (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
Zinkoxide (hydrofiel)	ZnO_NM110 poeder	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
Zinkoxide (hydrofoob)	ZnO_NM111_	0	758±86	0.823±0.006	-14.6±0.7
	poeder
	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
Zilver	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

Tabel 2. Samenvatting van de resultaten van NM dispersie in water. 'P' in de steekproef codes aangeven dispersie uitgevoerd met behulp van een ultrasone sonde uitgerust met een flacon tweeter en 'B' in de voorbeeldcode aangegeven dispersie uitgevoerd met behulp van een ultrasoonbad. Alle metingen werden genomen op 0,02 mg/mL. Ultrasoonapparaat op tijd 0 betekent een niet-sonicated schorsing d.w.z., stevige net schudden en mixen zonder enige andere hulp. CNTs die volledig onoplosbaar en niet verspreidende in DI water op fysieke schudden waren sonicated gedurende een initiële 2 min. in de bad ultrasoonapparaat en ook gemeld.

Figuur 3. UV-vis spectra van (A) CeO₂, (B) ZnO NM110 en (C) ZnO NM111 dispersie in water. UV-vis-spectroscopie wordt gebruikt om te begrijpen dat de stabiliteit van de schorsing en de aggregatie door het zorgvuldig observeren van de wijzigingen in de piek intensiteit, spectrale scheefheid, spectrale vorm ook de verschuiving van de golflengte van de absorptiespectra. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figuur 4. UV-vis spectra van (A) CNTs A106, (B) CNTs A32 en (C) Ag_citrate dispersie in water. UV-vis-spectroscopie wordt gebruikt om te begrijpen dat de stabiliteit van de schorsing en de aggregatie door het zorgvuldig observeren van de wijzigingen in de piek intensiteit, spectrale scheefheid, spectrale vorm ook de verschuiving van de golflengte van de absorptiespectra. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figuur 5. Het formaat van distributie door intensiteit verkregen met Distributielijsten voor (A) CeO₂, (B) ZnO NM110 en (C) ZnO NM111 dispersie in water. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figuur 6. Het formaat van distributie door intensiteit verkregen met Distributielijsten voor (A) CNTs A106, (B) CNTs A32 en (C) Ag_citrate dispersie in water. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

In het geval van CeO₂ nanomateriaal schorsing resulteerde het gebruik van ultrasoonapparaat in een algemene afname van de deeltjesgrootte en PDI waarden. Resultaten tonen zonder enige ultrasoonapparaat, een verdeling van de multimodale intensiteit met een Z-gemiddelde (396 ± 130 nm) en een zeer hoge waarde van de PdI van 0.763 ± 0.100 (tabel 2). Bovendien toont de spreiding een potentiële waarde van zeta van 17,2 ± 0,4 mV. Opgemerkt moet worden dat er sprake is van een indicatie van een zeer polydisperse schorsing een PdI van ≥0.5. Daarom, het monster werd onderworpen aan schijf centrifugeren en de verkregen gegevens voor de distributie van grootte bevestigde ook een niet-uniforme en inhomogene monster (figuur 7a). Morfologie en grootte analyse van monster door TEM verder bevestigd dat de deeltjes in de verstrooiing inderdaad zeer polydisperse (Figuur 8 zijn). Bij het verspreiden van het poeder met behulp van een ultrasoon bad gedurende 15 minuten, resultaten toonden verbetering in de algehele kwaliteit van de dispersie. In het bijzonder had de algemene stabiliteit (zoals vermeld door de bijbehorende zeta potentiële waarde) en monodispersity verbeterd. Steeds meer ultrasoonapparaat tot en met 2 h resulteerde in sterk verbeterde stabiliteit en smaller korrelgrootteverdeling (tabel 2). Het is duidelijk dat er geleidelijke verbetering van de kwaliteit van de dispersie is als Bad ultrasoonapparaat langer wordt gebruikt, zoals gezien door de geleidelijke afname van de hydrodynamische diameter en PdI. Vergelijkbare resultaten werden verkregen als de dispersie-procedure waren uitgevoerd met een ultrasone sonde in plaats daarvan. Over het algemeen is een meer stabiele en homogene staat van agglomeratie geboekt met behulp van de sonde, zoals bevestigd door DLS en TEM gegevens. Interessant, kan ultrasoonbad bleek te zijn een betere optie dan het gebruik van een sonde, als een veel kleinere gemiddelde deeltjesgrootte en een veel hogere zeta potentiële waarde worden bereikt met behulp van een bad in plaats van een sonde. Het is waargenomen dat in beide ultrasoonapparaat procedures, de TEM microfoto bevestigde de aanwezigheid van verschillende primaire deeltjes op te nemen: bollen, kubussen en polyhedrons.

Figuur 7. Grootte distributie verkregen met Disc centrifugeren voor (A) CeO₂_powder en (B) ZnO NM110_powder dispersie in water bij 0 min. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figuur 8. TEM beelden van de CeO-₂ aan te tonen het effect van ultrasoonapparaat op het monster homogeniety en stabiliteit. De bar voor schaal is 100 nm voor elk monster. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

In het geval van ZnO, twee soorten ZnO worden gebruikt in de dispersies d.w.z., ZnO nanomaterialen tussen verschillende oppervlakte profielen, hydrofiele (NM110) en hydrofobe (NM111). Resultaten geven vergelijkbare resultaten tussen de twee soorten ZnO. Beide laten zien dat met geen ultrasoonapparaat, de dispersie-kwaliteit een grote gemiddelde deeltjesgrootte en hoge polydispersiteit aangegeven. NM110 heeft een Z-gemiddelde van 1,410 ± 120 nm en PdI van 0.786 ± 0.150 nm; NM111 heeft een Z-gemiddelde van 758 ± 86 nm en PdI van 0.823 ± 0.006. Distributie groottegegevens voor NM110 verkregen Disc centrifugeren ook bevestigen monster polydispersiteit en heterogeniteit (figuur 7b). De grootte en de polydispersiteit van de sonicated NM110 lijken te verminderen met 15 minuten in het ultrasoonbad behandeling en een vermindering van de optimale plateau op 30 min ultrasoonapparaat moment bereiken. Ultrasoonapparaat langer laat een algemene stijging in deeltjes groottegegevens, mogelijk als gevolg van de particle opnieuw specie na-in eerste instantie wordt geperst. Aan de andere kant, toont NM110 een homogene en stabiele dispersie na 2 min van ultrasone sonde behandeling. Langere cycli van 6 min en 10 min blijkt echter ook een toename in deeltjesgrootte en waarden van de PdI, die aangeven van opnieuw agglomeratie van de deeltjes. TEM (Figuur 9 en Figuur 10) en UV-vis (Figuur 3b-c) resultaten verder bevestigen de staat van een dergelijke kwaliteit dispersie. Interessant, worden zeer vergelijkbare resultaten waargenomen in het geval van NM111 wanneer behandeld met een ultrasone sonde. Nogmaals, de systematische aanpak geeft aan dat de beste spreiding werd bereikt op 2 min, als mogelijk opnieuw agglomeratie kan gepaard gaan met overeenkomstige 6 min en 10 min gevallen. Wanneer een ultrasoonbad in plaats daarvan gebruikt werd, bereikt de grootte van de deeltjes dispersie een plateau na 30 min van ultrasoonapparaat; na die niet verder vergroten of in grootte of polydispersiteit waarden verkleinen wordt waargenomen. Ook, TEM microfoto verkregen voor de hydrofobe NM111 wijzen op de aanwezigheid van verschillende artefacten en andere drogen effecten op het TEM-raster (Figuur 10). Hieruit blijkt dat pre bedplassen met ethanol of andere organische oplosmiddelen nuttig tot de voorbereiding van waterige dispersies kan zijn, maar er uitdagingen waren op immobilizing hydrofobe nanomateriaal monsters op de koolstof-rasters. Over het geheel genomen als een protocol van de optimale spreiding wordt aangeduid en als dit wordt beheerst door de kleinste overeenkomstige waarde van de PDI, vervolgens dit komt overeen met ZnO_NM110_B1 h en ZnO_Nm111_B30 min voor de hydrofiele NM110 en hydrofobe NM 111, respectievelijk.

Figuur 9. Beelden van de TEM van de ZnO NM110 aan te tonen het effect van ultrasoonapparaat op het monster homogeniety en stabiliteit. De bar van de schaal is 100 nm voor elk monster. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figuur 10. Beelden van de TEM van de ZnO NM111 aan te tonen het effect van ultrasoonapparaat op het monster homogeniety en stabiliteit. De bar van de schaal is 0.1 µm voor ZnO_NM111_B_15 min, ZnO_NM111_B_1 h, en ZnO_NM111_P_2 min en 0,2 µm voor de rest van de monsters. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

In het geval van de koolstof nanobuisjes (CNTs), resultaten Toon dat dergelijke nanomaterialen zijn niet gemakkelijk dispergeerbaar is in water, in het bijzonder dat het dispersie-protocol omvat het gebruik van physical roeren of krachtig schudden. Dit geldt voor beide Meerwandige koolstof nanobuisjes (MWCNTs) gebruikt in deze studie. TEM microfoto in het geval voor zowel de A106 en de A32 dispersies uitgevoerd op 2 min en 15 min van ultrasoonapparaat cyclus worden weergegeven in Figuur 11 en Figuur 12, respectievelijk. Resultaten wijzen op steeds meer ultrasoonapparaat, breuk van CNTs, vaak resulterend in lengte wijzigingen. Dergelijke wijzigingen lengte waren duidelijk in het geval van zowel de sonde en de ultrasone ultrasoonapparaat. Resultaten tonen aan dat de A106 en A32 CNTs kan worden onvoldoende verspreid na een 2 min behandeling als een ultrasone sonde wordt gebruikt. Hier betekent voldoende spreiding de kritische ultrasoonapparaat tijd drempel waar alle de koolstof nanobuis (CNT) bundels staan open en afzonderlijke buizen zijn gescheiden³⁵. Resultaten geven bij steeds meer ultrasoonapparaat op 6 min of 10 min, aan een wijziging van de verdeling van de lengte en veel hogere polydispersiteit. Tot slot, de intensiteit gedistribueerd groottegegevens uit Distributielijsten (Figuur 6a-b) en de absorptiespectra via UV-vis (figuur 4a-b) ook bevestigen dat CNT dispersies zeer gevoelig voor ultrasoonapparaat tijd zijn en of een sonde of een bad is gebruikt. Zowel de A106 en de A32 CNTs Toon een extinctie piek tussen 253 en 310 nm, die typisch is voor MWCNTs³⁶. Piek intensiteit is bekend dat het een goede indicator van maximale haalbare dispersie in een ultrasoonapparaat gestuurde dispersie van MWCNTs. Het UV-spectrum van zowel de A106 en de A32 geeft 2 min en 15 min van ultrasoonapparaat fiets naar het optimale voor de schorsing worden. Bij langdurige ultrasoonapparaat verbreedt de piek met mindere piek intensiteit, evenals monster vernietiging aangegeven door de verschuiving van de extinctie spectrum en spectrale scheefheid (vorming van piek schouders).

Figuur 11. Beelden van de TEM van de A106 CNTs aan te tonen het effect van ultrasoonapparaat op het monster homogeniety en stabiliteit. De bar van de schaal is 200 nm voor elk monster. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figuur 12. Beelden van de TEM van de A32 CNTs aan te tonen het effect van ultrasoonapparaat op het monster homogeniety en stabiliteit. De bar van de schaal is 200 nm voor elk monster. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Tot slot, als u wilt dat een zekere mate van vergelijkingen, de gegevens worden vergeleken met een commercieel beschikbare opschorting van citraat gestabiliseerd Ag NPs (nominale diameter van 10 nm, 0,02 mg/mL). Karakterisering uit de gegevens blijkt dat de spreiding is zeer geperst en zeer polydisperse. DLS gegevens blijkt een multimodale distributie met een hydrodynamische diameter van 72 ± 50 nm en een hoge PdI van 0,46 ± 0,26 (Figuur 6 c). Morfologische analyse door TEM (Figuur 13) en breed oppervlak Plasmon resonantie (SPR) piek (absorptie op 418 nm in zichtbare gebied) bevestigen door UV-vis (Figuur 4 c) verder een zeer polydisperse monster. Interessant is dat de behandeling ultrasoonbad verbetert de stabiliteit van de dispersie en PdI, maar alleen als een voldoende lange ultrasoonapparaat periode wordt gebruikt; een tijd van 2 h ultrasoonapparaat is nodig om te resulteren in DLS deeltjesgrootte van 28 ± 5 nm en PdI 0.387 ± 0,015 (tabel 1). Echter als een ultrasone sonde wordt gebruikt in plaats daarvan, verbeteren de steekproef homogeniteit en stabiliteit opmerkelijk op slechts 2 min ultrasoonapparaat moment, aldus resulterend in DLS deeltjesgrootte van 29 ± 1 nm, PdI van 0.300 ± 0,025 en ZP-42 ± 3 mV. Deze verbetering in kwaliteit van de dispersie blijkt ook tot een 10 min ultrasoonapparaat tijdsinstelling, waarin een DLS deeltjesgrootte van 25 ± 2 nm, PdI 0.251 ± 0.011 en ZP-47.3 ± 1.4 mV wordt waargenomen. Hier, op 10 min van ultrasoonapparaat met behulp van flacon tweeter, de PdI verlaagt en het ZP verhoogt. De overeenkomstige TEM microfoto op die respectievelijke tijd punten bevestigen ook verbeterde monster homogeniteit nadat de juiste ultrasoonapparaat protocollen worden toegepast. Er is een snelle verbetering van de homogeniteit van de steekproef en de dispersiteit van deeltjes in TEM beelden. Het monster bij 2 min toont enkele agglomeratie in vergelijking met de afzonderlijke deeltjes sonicated gedurende 10 minuten met behulp van de flacon tweeter.

Figuur 13. TEM beelden van de commerciële Ag NPs aan te tonen het effect van ultrasoonapparaat op het monster homogeniety en stabiliteit. De bar van de schaal is 200 nm voor elk monster. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Hoge (mL)	Low (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

Tabel 1. Sacharose dichtheid kleurovergang voor totale 1.6 mL volume mengen. Hier hebben we markeren de 8% sacharoseoplossing als laag en 24% sacharoseoplossing zo hoog. Ze zijn in de volgende volumes (totale volume 1.6 mL telkens) gemengd en geïnjecteerd in de dis-kegel een voor een totdat een verloop wordt gevormd.

Discussie

Het uiteindelijke doel van de studie is het ontwikkelen van een strategie die het mogelijk de identificatie van de optimale ultrasoonapparaat voorwaarden maken om dispersies van een geselecteerd aantal nanomaterialen in water. Een poging gedaan hier zorgvuldig de stappen van het protocol en de parameters vastleggen tijdens ultrasoonapparaat om te voldoen aan de lacunes die eerder geïdentificeerd in beoordelingen zo goed om te volgen van de aanbevelingen in de afgelopen¹⁵. De optimale spreiding voorwaarden worden geïdentificeerd door het karakteriseren van de dispersies na elke cyclus ultrasoonapparaat en controleren van monster stabiliteit en uniformiteit. De impact van de ultrasoonapparaat procedures en stabiliteit status is beoordeeld op basis van de karakteristieke wijzigingen in de belangrijkste fysisch-chemische eigenschappen van nanomaterialen, zoals bepaald door de verschillende analytische technieken: DLS, ELS, UV-vis, en TEM. Het huidige protocol is een aangepaste methodologie voor de dispersie van nanomaterialen de afgelopen literatuur en andere onderzoek projecten^{21,22,37,38,39} met enkele aanpassingen en verfijningen aanpakken van de belangrijkste leemten, stappen en hun toepasselijkheid op bredere nanomaterialen van soortgelijk oppervlak profile⁷. Zorgvuldige aanpassingen zijn echter vereist met betrekking tot hun ultrasoonapparaat tijd, kracht en type voor de toepassing ervan op andere nanomaterialen. Ook, is verdere werkzaamheden vereist een verband tussen ultrasoonapparaat procedure en de biologische activiteit van nanomaterialen te leggen. Zes verschillende soorten nanomateriaal dispersies zijn geëvalueerd en vergeleken, voornamelijk voor hun stabiliteit, met behulp van een ultrasoon bad en een ultrasone sonde uitgerust met een flacon tweeter op ingestelde tijd punten. Als u wilt behouden de zuiverheid van de schorsing en de onbedoelde wijzigingen veroorzaakt als gevolg van verontreiniging, wordt de sonde ultrasoonapparaat hier vermeden. In de flacon tweeter, kunnen de flesjes gesloten blijven. Dit elimineert eventuele kruisbesmetting van de monsters.

Kalibrering van sonicators is een belangrijke factor, aangezien een aantal sonicators zijn beschikbaar met verschillende frequenties, amplitude en bevoegdheden. Om te bepalen van de effectieve akoestische energie geleverd aan de schorsing, wordt kalibratie van sonicators uitgevoerd met behulp van calorimetrie. De akoestische geleverd voor de instelling van de amplitude van de 70% voor de flacon tweeter alsmede die voor de 100% ultrasoonbad instelling wordt berekend als < 1 W (0,75 ± 0.04 W en 0.093 ± 0.04 W, respectievelijk). Echter, de vermogens aangegeven door de fabrikanten voor flacon tweeter en bad ultrasoonapparaat zijn 200 W en 80 W, respectievelijk. Dit geeft aan dat ondanks de krachtige bron, grootste deel van de energie verloren tijdens de generatie van cavitational bellen en slechts een kleine fractie eigenlijk aan de verstrooiing onder behandeling²⁶wordt geleverd. Recente studies hebben gewezen op het belang van cavitational meting besturingselement ten opzichte van het ingangsvermogen van de ultrasoonapparaat voor een betere controle van de dispersie tijdens ultrasoonapparaat⁸. De methode lijkt veelbelovend voor de gecontroleerde spreiding van zeer delicaat nanomaterialen zoals CNTs en wordt aanbevolen voor toekomstige studies.

Elke techniek die gebruikt wordt in de studie is gebaseerd op verschillende principes met beperkingen voor iedereen. DLS is niet een ideale techniek voor niet-bolvormige schorsingen evenals zeer polydisperse systemen. In dergelijke omstandigheden, wordt DCS aanbevolen vanwege de hoge resolutie, nauwkeurigheid en precisie⁴⁰. DCS kan zeer smalle grootte distributie bergtoppen die van elkaar zo weinig als 3 verschillen % volledig gescheiden. TEM biedt directe visuele beelden van de nanodeeltjes en is een geweldig hulpmiddel voor de bepaling van aggregatie, dispersie, de grootte en vorm van de deeltjes, maar de techniek vereist monster drogen die kan leiden tot artefacten⁴¹. Dit kan worden opgeheven door de rasters met ultrazuiver water wassen, zoals besproken in stap 4.5.3.

O.a. hoogtepunten de methodologie sommige kritische stappen zoals het type flesjes gebruikt in het protocol, onderdompeling diepte en positie van de flesjes in het ultrasoonbad evenals de flacon tweeter. Temperatuurregeling van het systeem tijdens agitatie is een belangrijke parameter. Frequent water veranderingen in het ultrasoonbad en gepulseerde modus uitvoeren in het geval van flacon tweeter worden aanbevolen om te voorkomen dat eventuele warmte opbouw tijdens ultrasoonapparaat, dus het vermijden van eventuele wijzigingen van het monster. De pre bevochtiging stap voor hydrofobe monsters zoals zinkoxide helpt bij de verspreiding van deeltjes maar dit sommige ongewenste veranderingen veroorzaken. De ultrasoonapparaat tijd en energie moet hoog genoeg om de doen samenballen de deeltjes maar niet te veel dat het breekt de deeltjes. De resultaten wijzen erop dat agglomeraat breuk afhankelijk van particle type is.

Onze bevindingen wijzen op het belang van het hebben van een gedetailleerde dispersie-protocol, zoals de resultaten laten zien dat de belangrijkste fysisch-chemische eigenschappen mogelijk gewijzigd kunnen worden tijdens het ultrasoonapparaat beheerst door factoren zoals ultrasoonapparaat type, ultrasoonapparaat duur tijd, en power output. Resultaten is gebleken dat monster integriteit potentieel op hogere intensiteit agitatie is aangetast. Resultaten tonen dat CNTs zeer gevoelig voor agitatie, zijn zodat breuken zeer waarschijnlijk zijn optreden wanneer ultrasoonapparaat duur- en kracht worden gewijzigd. In de buurt van optimale instellingen voor de dispersie van CNTs liggen tussen 2-15 minuten in het ultrasoonbad en slechts 2 minuten met behulp van de ultrasone sonde. Echter kan de met ultrasone trillingen nog veroorzaakt hebben sommige nanobuis braadvetten, die niet hier nauwkeurig worden gekwantificeerd. DLS mag niet worden een ideale techniek voor de karakterisering van CNTs maar het nog steeds kan de diameter van de hydrodynamische voor nanotubes en deze gegevens zou kunnen van de verschillen in lengte distributies van CNTs onder diverse informatieve zijn monsters^{16, 42,43}. Afgelopen studies tonen aan dat het protocol van de dispersie van CNTs kan aanzienlijk worden uitgebreid door de toevoeging van oppervlakteactieve stoffen zoals de moleculen van de oppervlakteactieve stof worden geabsorbeerd op de nanobuis enkelgelaagde, waardoor een barrière voor breuk als gevolg van ultrasoonapparaat^{35, 44}. echter, dit kan niet worden vergeleken rechtstreeks bij dit protocol zoals geen oppervlakteactieve stoffen in dit geval gaat. Het is belangrijk op te merken dat het waarborgen van de grootteverdeling van de lengte in het geval van CNTs heel belangrijk, is zoals de hoogte-breedteverhouding is vaak gecorreleerd met bepaalde toxicologische reactie. In tegenstelling, CeO₂ gaf verschillende resultaten in vergelijking met de CNTs, in welke verlengde ultrasoonapparaat tijden met ultrasoonbad of sonde, leiden tot de vorming van primaire deeltjes. Het verschil in resultaten tussen CNT en CeO2 gevallen wijst op het belang om dispersie protocollen bijvoorbeeldop maat, optimaliseren van ultrasoonapparaat tijd en stroom uitgang, in overeenstemming met grondstof d.w.z., type van nanomateriaal poeders. Elk type van nanomateriaal poeder monster is anders, omdat er verschillende mate van agglomeratie binnen het poeder zelf zullen. In bepaalde gevallen wordt heeft het proces van de agglomeratie met succes geleid tot de ambtshalve agglomeratie tot primaire deeltjes niveau, als duidelijk door de opkomst van andere gevormde deeltjes in de TEM-beelden, hetgeen niet zichtbaar voordat de ultrasoonapparaat stap was. De langdurige ultrasoonapparaat resulteerde in het continu breken van cerium oxide agglomeraat onder verschillende hoeken waardoor veelzijdige deeltjes.

In het geval van commercieel gekochte waterige monster van Ag NPs dispersies benadrukken onze bevindingen ook de noodzaak van stabiliteit op lange termijn en uniformiteit beoordeling. Er is een noodzaak om ervoor te zorgen dat dispersies voldoende gekenmerkt voorafgaand aan het gebruiken, met name in gevallen van lange termijn opslag. Nanomaterialen hebben echter een zeer korte houdbaarheid. Ze de leeftijd met tijd en kunnen anders gaan werken na lange termijn opslag ten opzichte van een vers bereide dispersie.

De resultaten hier wijzen op de noodzaak van een geharmoniseerde strategie vast te stellen van een geoptimaliseerde protocol voor verschillende nanomaterialen. De gepresenteerde voorgestelde strategie is om uit te voeren van de verschillende variaties in de methode ultrasoonapparaat en om ervoor te zorgen dat er voldoende de dispersies op verschillende tijdstippen worden gekenmerkt met behulp van aanvullende analytische methoden. Het belang van het gebruik van een benadering van de multi methode te karakteriseren en te controleren van dispersie kwaliteit door tijd en verschillende experimentele omstandigheden heeft afgelopen werknemers⁴⁵gewezen. Hoewel diverse methoden voor het ultrasoonapparaat zijn ingediend om tegemoet te komen aan specifieke nanomateriaal dispersie in de studie, kunnen potentieel ze worden gebruikt als basis voor het verspreiden van andere metalen en metaal oxide nanomaterialen (van vergelijkbare oppervlakte-eigenschappen) in water. Na elke wijziging in beide nanomateriaal vereist type of vloeibaar medium echter de noodzaak voor het optimaliseren van het basisprotocol, die kan worden gedaan door zorgvuldige aanpassing van verschillende factoren bijvoorbeeldultrasoonapparaat, kracht en tijd ultrasoonapparaat type. Welk protocol is gekozen en geïdentificeerd als optimale, er is altijd een behoefte aan een gedetailleerd verslag over de regeling en de stapsgewijze volgorde van de ultrasoonapparaat dispersie procedure. Dit is belangrijk om interpretability en vergelijkbaarheid te verbeteren. Een van de toepassingen van dit protocol is het vergemakkelijken van de vergelijkbaarheid van de gegevens onder andere laboratoria die leidt tot een geharmoniseerde en gestandaardiseerde aanpak voor toekomstige studies. De huidige parameters op het gebied van methodologie en controle kunnen worden gebruikt voor andere verspreiden media afgezien van water en vergelijkingen op een geval per geval kunnen worden getrokken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Cerium oxide nanopowder	Sigma-Aldrich	544841	<25 nm deeltjesgrootte (BET)
Zinkoxide	Gezamenlijk Onderzoekscentrum van de Europese Commissie (JRC)	NM110	hydrofiel
Zinkoxide	Gezamenlijk Onderzoekscentrum van de Europese Commissie (JRC)	NM111	hydrofoob
Meerwandige koolstofnanobuisjes	NanoMile project (Groot Samenwerkingsproject in het kader van het 7e Kaderprogramma van de Europese Commissie)	A32 (MWCNT1)	3,0±1,8 µm lang, O/C-verhouding van 4,5%
Meerwandige koolstofnanobuisjes	NanoMile project	A106 (MWCNT2)	3,3±2,4 µm lang, O/C-verhouding van 7%
Zilverdispersie	Sigma-Aldrich	730785	10 nm deeltjesgrootte (TEM), 0,02 mg/mL
ZetaSizer nano	Malvern Instruments		Deeltjesgrootte en zeta-potentiaalmetingen
Schijfcentrifuge	CPS Instruments Inc.	Model DC 24000	Deeltjesgrootteverdeling door centrifugale sedimentatie
Transmissie-elektronenmicroscoop	JEOL USA	Jeol 1200EX TEM	Heldere veldbeelden, deeltjesgrootte, vorm, agglomeratie
Ultrasoon onderdeel uitgerust met een fles tweeter	Hielscher	UIS250V	Sonicator
Ultrasoon bad	Branson	Model 1510	Sonicator
Eppendorf-buisjes	Eppendorf	2236411-1	1,5 ml capaciteit
UV-vis spectrofotometer	Jenson flight deck	Model 6800	SPR-pieken, suspensiestabiliteit
Weggeef capillaire cel	Malvern Instruments	DTS 1070	voor de meting van elecr
Zeta-potentiaal standaard	Malvern Instruments	DTS 1235
Kwartskuvet	Jasco	1103-0042	Rechthoekige kwartscel 10 x 100 Spectrosil Quartz met deksel 190 -2700 nm