Methodenartikel

Nanodeeltjes tracking analyse van gouden nanodeeltjes in waterige media door middel van een interlaboratorium vergelijking

DOI:

10.3791/61741

⸱

20 oktober 2020

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1School of Geography, Earth and Environmental Sciences, University of Birmingham, 2Malvern Panalytical, 3Department of Materials, University of Oxford, 4Wageningen Food Safety Research, 5UK Centre for Ecology & Hydrology, 6Institute for Next Generation Material Design, Hanyang University, 7Department of Chemistry, College of Natural Sciences, Hanyang University, 8UK Centre for Ecology & Hydrology

In dit artikel

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Het hier beschreven protocol heeft tot doel de hydrodynamische diameter van bolvormige nanodeeltjes, meer bepaald gouden nanodeeltjes, in waterige media te meten door middel van Nanoparticle Tracking Analysis (NTA). Dit laatste omvat het volgen van de beweging van deeltjes als gevolg van Browniaanse beweging en het implementeren van de Stokes-Einstein-vergelijking om de hydrodynamische diameter te verkrijgen.

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Op het gebied van nanotechnologie speelt analytische karakterisering een essentiële rol bij het begrijpen van het gedrag en de toxiciteit van nanomaterialen (NMs). Karakterisering moet grondig zijn en de gekozen techniek moet goed geschikt zijn voor de te bepalen eigenschap, het te analyseren materiaal en het medium waarin het aanwezig is. Bovendien moeten de werking en methodologie van het instrument goed worden ontwikkeld en duidelijk worden begrepen door de gebruiker om fouten bij het verzamelen van gegevens te voorkomen. Eventuele verschillen in de toegepaste methode of procedure kunnen leiden tot verschillen en een slechte reproduceerbaarheid van verkregen gegevens. Dit artikel heeft tot doel de methode voor het meten van de hydrodynamische diameter van gouden nanodeeltjes te verduidelijken door middel van Nanoparticle Tracking Analysis (NTA). Deze studie werd uitgevoerd als een interlaboratoriumvergelijking (ILC) tussen zeven verschillende laboratoria om de prestaties en reproduceerbaarheid van de standaardbedrijfsprocedure te valideren. De resultaten van deze ILC-studie onthullen het belang en de voordelen van gedetailleerde standaard operationele procedures (SOP's), best practice updates, gebruikerskennis en meetautomatisering.

Inleiding

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Nanomaterialen (NMs) kunnen variëren in zowel fysische als chemische kenmerken die op hun beurt hun gedrag, stabiliteit en toxiciteit beïnvloeden1,2,3,4,5. Een van de grootste problemen bij het ontwikkelen van een grondig begrip van NM-eigenschappen, gevaren en gedrag, is het vermogen om reproduceerbare informatie over fysische en chemische nanomaterialenkenmerken te verkrijgen. Voorbeelden van dergelijke fysische eigenschappen zijn deeltjesgrootte en grootteverdeling6,7,8. Dit zijn belangrijke parameters, omdat ze een belangrijk aspect vormen van de definitie van de Term "nano"9door de Europese Commissie (EG).

Het bereiken van nauwkeurige deeltjesgroottemetingen is ook van cruciaal belang voor veel verschillende industriële en onderzoekstoepassingen en -processen , naast het begrijpen van het lot en de toxiciteitseffecten van NMs6,10. Het is belangrijk om gevestigde methoden te hebben die in staat zijn om nauwkeurig, betrouwbaar en reproduceerbaar de grootte van NMs te meten. Bovendien moet gerapporteerde informatie een diepgaand inzicht verschaffen in de gebruikte techniek, bijvoorbeeld het type grootteparameter (bv. werkelijke grootte of hydrodynamische grootte) en de toestand van het monster, bijvoorbeeld het specifieke medium waarin de NM aanwezig is, en of de methode betrouwbaar in verschillende media moet presteren. Om de grootte te meten, kunnen een aantal technieken worden gebruikt, waaronder elektronenmicroscopie (EM), dynamische lichtverstrooiing (DLS), inductief gekoppelde plasmamassaspectrometrie (spICP-MS), differentiële centrifugaalsedimentatie (DCS), scanning probe microscopie (SPM), kleinehoek röntgenverstrooiing (SAXS) en nanodeeltjesvolganalyse (NTA).

NTA is een relatief nieuwe technologie die de afgelopen jaren vergevorderd is en waarvan is aangetoond dat het op betrouwbare wijze de hydrodynamische diameter van bolvormige NMs meet in complexe waterige media zoals die met milieurelevantie, bijvoorbeeld zoetwatersystemen. De hydrodynamische diameter is "de grootte van een hypothetische harde bol die zich op dezelfde wijze verspreidt als die van het te meten deeltje"11; in praktische termen en in waterige media beschrijft dit een diameter groter dan die van het deeltje zelf, die ook een laag moleculen (meestal water) omvat die aan het oppervlak van het deeltje wordt vastgehouden door zwakke elektrostatische krachten. De hydrodynamische diameter van een deeltje zal variëren in verschillende media en wordt kleiner naarmate de ionische sterkte van de media waarin het wordt gemeten hoger wordt.

Een bijkomend belangrijk kenmerk van de NTA-techniek is dat het de analist in staat stelt om getalgewogen maatmetingen te bereiken, die vereist zijn in de context van de EG-nanomaterialendefinitie. Hoge resolutie, deeltjes-voor-deeltjesanalyse maakt deze techniek minder gevoelig voor interferentie veroorzaakt door agglomeraten of grotere deeltjes wanneer aanwezig in een heterogeen testmonster met een hoge snelheid van deeltjesdoorvoer10,12.

De metingsprocedure bestaat uit het voorbereiden van een geschikte suspensie van het monster, waarvoor vaak monsterverdunning nodig is, gevolgd door video-opname van het Browniaanse bewegingsgedrag van de deeltjes en video-analyse. Vanuit de monsterkamer wordt een laserstraal doorgegeven en de ophangingsdeeltjes in het pad van de laserstraal verspreiden licht dat leidt tot hun visualisatie met behulp van een optische microscoop met een gemonteerde camera. De camera legt een videobestand vast van het verspreide laserlicht van de deeltjes die bewegen onder Browniaanse beweging. Veel deeltjes kunnen afzonderlijk worden gevolgd om hun diffusiecoëfficiënten te bepalen en hun hydrodynamische diameters kunnen worden berekend met behulp van de Stokes-Einstein-vergelijking: d = kT/3πηD waarbij d de hydrodynamische diameter is, k de Boltzmann-constante, T de temperatuur, η de viscositeit is en D de diffusiecoëfficiënt10. NTA kan ook worden gebruikt om het aggregatiegedrag te volgen van deeltjes die over het algemeen colloïdaal onstabiel zijn (de deeltjes moeten echter colloïdaal stabiel zijn tijdens de meettijdschaal)13,14. NTA is een absolute methode en er is geen systeemkalibratie vereist op het instrument dat bij dit werk wordt gebruikt. Als gebruikers de systeemprestaties willen controleren, kan dit eenvoudig worden gedaan door de grootte van standaardmaterialen zo vaak als gewenst te meten.

Het NTA-instrument is eenvoudig te bedienen met een snelle analysetijd (minder dan 10 minuten per monster). Voor metingen van hoge kwaliteit met een goede herhaalbaarheid en reproduceerbaarheid van gegevens moet rekening worden gehouden met een aantal factoren, zowel bij de monstervoorbereiding als bij de werking van het instrument. Als dergelijke factoren niet zorgvuldig worden overwogen, kunnen metingen van hetzelfde materiaal in verschillende laboratoria en exploitanten worden onderworpen aan onbekende of slecht gekwantificeerde onzekerheden. Tijdens NP-karakterisering garandeert het gebruik van in eigen beheer ontwikkelde SOPs niet altijd consistentie met andere laboratoria, zoals roebben et al. voor de DLS-techniek15laten zien.

Sterker nog, een vroege (eerste ronde) NTA ILC tussen verschillende laboratoria, gebruikers en instrumenten bracht inconsistente resultaten aan het licht. Een van de belangrijkste problemen was het gebruik van verschillende oudere oude instrumenten die geen regelmatige diensten of kalibratiecontroles hadden gehad, evenals verschillen in methodeinterpretatie. Uit een NTA ILC-studie van Hole et al. bleek dat met het ontbreken van gedeelde richtlijnen voor het gebruik van een systeem en het bereiden van monsters, variabiliteit tussen laboratoria groot kan zijn, zelfs voor relatief gemonodispergeerde monsters16. Dit samen met de resultaten van de eerste ronde van de ILC benadrukt de noodzaak van goed instrumentonderhoud, evenals methodetraining en goed ontwikkelde standaard operationele procedures (SOPs). Deze laatste fungeren als een krachtig instrument om naleving van goede praktijken te beschrijven en te documenteren. Indien goed gedetailleerd, kunnen standaard operationele procedures (SOP's) duidelijkheid, uitleg, begrip, standaardisatie en kwaliteitsborging bieden.

De aanbeveling voor het aannemen van een ILC-studie is daarom ideaal voor zowel het ontwikkelen als testen van protocollen16. De ILC-oefening heeft gehandeld om deze specifieke NTA SOP te valideren en heeft daarom vertrouwen en duidelijkheid in deze specifieke nanomateriaalrisicobeoordelingsmethode geïntroduceerd. Het ging om drie kogels. Ronde 1 analyseerde 60 nm gouden nanodeeltjes op de eigen instrumenten van elke deelnemer voor de training. Ronde 2 omvatte het analyseren van 100 nm latex met behulp van een nieuw instrument met gemeenschappelijke configuratie als een eenvoudige test om te bepalen of het instrument correct was ingesteld en de gebruikers een goede kennis hadden over het gebruik van het instrument. Ronde 3 omvatte de analyse van 60 nm gouden nanodeeltjes op het nieuwe instrument met gemeenschappelijke configuratie, na de training. Deelnemers aan de ILC kwamen uit zeven verschillende laboratoria, alle consortiumleden van het Horizon 2020 ACEnano-project17.

Het doel van dit artikel is om de methode en resultaten van een derde benchmarkingronde voor de NTA-technologie te bespreken, waarbij 60 nm gouden NPs opnieuw werden geanalyseerd door zeven partners na gedetailleerde training en SOP-ontwikkeling. Er zal ook worden vergeleken en verwezen naar de resultaten die in de eerste ronde van de ILC zijn verkregen. Alle analyses van ronde 3 van ILC werden uitgevoerd met hetzelfde instrument (zie Tabel met materialen)van identieke configuratie geleverd met een 405 nm laser en een hoge gevoeligheid sCMOS camera. Benchmarking beoordeelt de prestaties van de technologie op monsters en leidt dus tot de ontwikkeling van 'best practice'-protocollen. Dit artikel deelt en maakt dus ook de NTA-methode voor het instrument dat in deze ILC wordt gebruikt beschikbaar voor de wetenschappelijke gemeenschap, aangezien het is geharmoniseerd door de IOC's uit te voeren en te evalueren volgens internationale normen.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De hier beschreven methodologie werd gebruikt voor de derde ronde van de interlaboratoriumvergelijkingen.

1. Monstervoorbereiding

  1. Filter water door een spuitfilter van 0,02 μm. Waterfiltratie is nodig om eventuele verontreinigingsdeeltjes te verwijderen voordat u deze gebruikt voor monsterverdunning.
  2. Om een vers bereid monster te analyseren, verdun een monster van 60 nm goud colloïd dispersie volumetrisch met een factor 50 in gefilterd ultrapure water. De voorgestelde concentratie voor NTA-analyse is 1 x 107 – 1 x 109 deeltjes per ml.

2. Uitvoeren van de meting

  1. Het systeem inschakelen
    1. Sluit het NTA-instrument, de spuitpomp en de computer aan. Schakel de hardware en software in. De bijbehorende software (zie Tabel met materialen)zorgt ervoor dat alle hardwarecommunicatie wordt uitgevoerd en dat een live temperatuuruitlezing wordt weergegeven.
    2. Verwijder de lasermodule uit de NTA en droog met behulp van een weefsel en perslucht de glasoppervlakken en de interne kanalen, buizen en vloeistofpoorten van de laagvolumestroomcel (LVFC) volledig.
  2. Het aanzuigen van de buizen
    1. Spoel de inlaatvloeistofslang af met ultraprietwater om deeltjes te verwijderen en de kans op luchtbellen te verminderen die de metingen zouden verstoren. Voor het spoelen wordt het uiteinde van de inlaatslang in de instrumentenbehuizing in een afvalcontainer geplaatst.
    2. Steek een spuit van 1 ml (zonder naald) gefilterd water in de Luer-poort en duw ~ 900 μL vloeistof zo snel als de tegendruk toelaat door de inlaatslang. Laat de spuit met de resterende vloeistof zitten om te voorkomen dat u gaat piepen.
  3. De verbinding van de spuitpompbuis
    1. Monteer de LVFC op de lasermodule om de monsterkamer te maken zoals te zien is in figuur 1. Bevestig de uitlaatslang aan de rechter zijpoort van de LVFC.
      OPMERKING: De inlaat- en uitlaatslangen zijn verschillend in diameters, waarbij de inlaat kleiner is in diameter dan de uitlaat. Het verwisselen van de inlaat-uitlaat slangverbinding kan leiden tot overdruk van de stroomcel en lekken.
    2. Koppel de spuit los van de inlaatslang en ruil deze in voor een nieuwe spuit met 1 ml gefilterd water, zodat er vloeibaar contact is. Sluit de inlaatslang aan op de linkerpoort van de LVFC. Breng langzaam ~ 500 μL vloeistof in de monsterkamer. Zorg ervoor dat er tijdens het laden geen luchtbellen worden geïntroduceerd. De uiteindelijke slangconfiguratie is weergegeven in figuur 2.

figure-protocol-1
Figuur 1: Low Volume Flow Cell montage gemonteerd op lasermodule. 

figure-protocol-2
Figuur 2: Configuratie van de low volume flow cell tubing. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

  1. Lasermodule laden en systeemcontrole
    1. Plaats de lasermodule met het met water gevulde LVFC in het instrument en vergrendel het op zijn plaats.
    2. Plaats de spuit in de houder van de spuitpomp en zet deze vast. Initialiseer de camera door op Camera starten in de software-interface te klikken. Klik op het tabblad Hardware van de interface op Scatter om de referentiepositie te verplaatsen.
    3. Stel het cameraniveau in op 16 en stel de scherpstelling handmatig in om het verdunningswater op deeltjes te controleren. Pas de positie van het gezichtsveld aan door met de linkermuisknop op het hoofdvenster te klikken en de muis te gebruiken om op en neer te slepen om te controleren op deeltjes. Als er meer dan drie deeltjes in het gezichtsveld zijn, impliceert dit een probleem met de waterzuiverheid of het reinigingsproces en daarom moet het reinigingsproces worden herhaald of moet het water worden vervangen of gefilterd.
    4. Verwijder de lasermodule van het instrument.
    5. Koppel de spuit los van de inlaatslang en vervang deze alleen door een spuit vol lucht. Breng de lucht langzaam in de monsterkamer om de vloeistof binnenin te verwijderen. Verwijder de LVFC van de lasermodule en koppel de slangen los. Reinig de glasoppervlakken van de LVFC en het optische glas van de lasermodule met water en droog met een tissue en perslucht. Droog de slang met perslucht. Monteer de LVFC opnieuw op de lasermodule en sluit de slang aan, klaar voor monsterlading.
      OPMERKING: Deze stap is niet altijd nodig, maar in dit geval is het toegevoegd als extra voorzorgsmaatregel om eventuele variatie verder te verminderen.
  2. Bemonsteringsmonster laden
    1. Herhaal stap 2.2.2. Sluit een spuit met 1 ml van de 60 nm gouden nanodeeltjesdispersie in stap 1.1 aan op de Luer-poort. Injecteer langzaam 750 μL van het monster in het LVFC via de inlaatslang met de lasermodule die buiten het instrument wordt bekeken om ervoor te zorgen dat er geen bellen worden geïntroduceerd.
    2. Laad de lasermodule terug naar het NTA-instrument en initialiseer de camera door op Camera starten in de software-interface te klikken. Klik op het tabblad Hardware van de interface op Spreiding om naar de referentiefocuspositie te gaan, controleer of deze correct is ingesteld om een duidelijk beeld van de deeltjes te geven.
    3. Controleer of het gezichtsveld centraal is ingesteld ten opzichte van de positie van de laserstraal. Pas dienovereenkomstig aan door met de linkermuisknop op het hoofdvenster van de software te klikken en de muis omhoog en omlaag te slepen.
    4. Voer de AutoSetup-functie uit om automatisch de scherpstelling en het cameraniveau te optimaliseren, zodat de optimale beeldkwaliteit wordt bereikt.
      OPMERKING: De automatische camera- en scherpstelparameters zorgen voor meer consistentie tussen de verschillende laboratoria, omdat dit gebruikersonafhankelijk is.
  3. Voorbeeldanalyse
    1. Maak een meetscript in standaardmeting, tabblad SOP, om 5 herhalingsvideo's van 60 s onder langzaam te verkrijgen (deeltjes moeten in ongeveer 10 s van de ene kant van het scherm naar de andere worden overgewaakt) en constante stroom(aanvullend bestand 1).
      OPMERKING: Stroom wordt aanbevolen om ervoor te zorgen dat een betere weergave van het totale monster wordt gepresenteerd voor meting. De nauwkeurigheid en herhaalbaarheid van concentratiemetingen worden aanzienlijk verbeterd wanneer een langzame stroom op het monster wordt uitgeoefend om ervoor te zorgen dat een groter aantal nieuwe deeltjes door de meetzone stroomt en tijdens een experiment wordt geanalyseerd. De videolengte is afhankelijk van de profielverdeling en hoe variabel deze is gedurende de analysetijd. 5 video's van 60 s worden beschouwd als een typische meetduur.
    2. Stel de naam en locatie van het experimentbestand in voor de gegevens en start de uitvoering. De analyse naar aanleiding van de geschetste procedure werd uitgevoerd door de zeven laboratoria van het Horizon 2020 ACEnano-project17.

3. Gegevensanalyse

OPMERKING: Alle gegevensanalyse is uitgevoerd binnen de v 3.4-software (zie Tabel met materialen),er worden geen extra handmatige conversies of berekeningen gebruikt. De gegevens over de grootte van deeltjes worden in ruwe vorm gepresenteerd als een histogramverdeling en worden berekend op basis van de gemeten verandering in positie van het deeltje met behulp van de Stokes-Einstein-vergelijking. De software bepaalt de gemiddelde afstand die door elk deeltje in de x- en y-vlakken wordt verplaatst. Met deze waarde kan de deeltjesdiffusiecoëfficiënt (D) worden bepaald waaruit, indien de monstertemperatuur T en de viscositeit van oplosmiddelen η bekend zijn, de equivalente bolvormige hydrodynamische straal, RH, van de deeltjes kan worden berekend. De temperatuur van het monster wordt automatisch geregistreerd door de NTA. De standaard monsterviscositeit die door de software wordt gebruikt, is voor water en is opgenomen in het bovenstaande meetscript, hoewel de viscositeit door de gebruiker kan worden gewijzigd wanneer verschillende monsterverdunningsmiddelen worden gebruikt, zowel voor als na de meting.

  1. Stel de detectiedrempel (DT) in door de schuifbalk te slepen of op de knoppen + en - in de software te klikken onder Detectiedrempel, de analyseparameter voor een optimale tracking van de gevisualiseerde deeltjes, tussen 2 en 20. Zorg ervoor dat de gekozen DT-waarde zoveel mogelijk zichtbare deeltjes identificeert en bijhoudt (automatisch gemarkeerd als rode kruisen op het softwarebeeldscherm).
    1. Als leidraad voor het instellen van de detectiedrempel moet het aantal geïdentificeerde deeltjes in een afbeelding zich binnen het bereik van ongeveer 30-80 bevinden, waarbij niet meer dan 10 rode kruisen overeenkomen met plaatsen die door de waarnemer niet als deeltjes worden beschouwd. Er mogen niet meer dan 5 blauwe kruisen (indicatief voor lawaai) worden waargenomen.

figure-protocol-3
Figuur 3: Waarnemingen bij het instellen van drempelwaarden. Een slechte (links) en goede (rechts) detectiedrempel instelling observatie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

  1. Verwerk automatisch de analysevideo's voor deeltjestracking door op de knop Proces in de software te drukken. Laat alle verwerkingsparameters ingesteld op automatisch en exporteer de gegevens als een .csv formaat resultatenbestand met de volledige deeltjesgrootteverdeling en aanvullende metagegevens die de meetinstellingen beschrijven. Als u de meetkwaliteit wilt controleren, kijkt u naar het tabblad Analyseren in de software of controleert u het uitvoerbestand .csv op waarschuwingen of waarschuwingen. Een voorbeeld van het PDF-resultatenrapport wordt weergegeven in aanvullend bestand 2.
  2. Lees de resultaten van de modusgrootte en de bijbehorende standaardafwijking van het PDF-rapport.
    OPMERKING: De resultaten van de modusgrootte werden gebruikt om de verkregen maten tussen de zeven laboratoria te vergelijken en worden weergegeven en besproken in sectie 5.

4. Reinigen en drogen

  1. Spoel het systeem na gebruik grondig door met schoon water om alle sporen van het monster uit de buizen en optische oppervlakken te verwijderen. De reinigingseffectiviteit kan worden gecontroleerd door de hoeveelheid deeltjes in het gezichtsveld te observeren.
  2. Verwijder de lasermodule van het NTA-instrument.
  3. Laad een spuit lucht door het systeem om de slang en de LVFC te legen.

Resultaten

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De resultaten van ronde 1 ILC met behulp van verschillende NTA-instrumentconfiguraties worden weergegeven in figuur 4. Met uitzondering van Lab 6 was de herhaalbaarheid tussen de 5 capture repeats goed, maar verschillende labs registreerden een modusgrootte die groter was dan verwacht. Lab 6-resultaten toonden een slechte herhaalbaarheid en een veel hogere gemeten modusgrootte. Na het onderzoek werd vastgesteld dat de systemen die de grootste groottevariaties rapporteerden, ofwel niet werden gehandhaafd zoals aanbevolen, ofwel werd de analyse beïnvloed door inconsistentie in de monstervoorbereiding waarbij de verdunningsstap variatie kan creëren die wordt veroorzaakt door verschillende pipettingapparatuur, gebruikerswerking en -techniek, en/of meetopstelling, inclusief het niet schoon maken van de stroomcel, het verkeerde cameraniveau dat wordt gebruikt, het beeld dat niet goed wordt scherpgesteld en het verkeerd instellen van de analysedetectiedrempel.

figure-results-1
Figuur 4: ILC Ronde 1 Modus grootte resultaten. De grootte van de modus is het resultaat van alle NTA-benchmarkpartners voor ronde 1 60 nm gouden nanodeeltjesdispersie uitgevoerd op verschillende NTA-instrumenten (afgekort in de x-as).

De nauwkeurigheid van het NTA-resultaat van ronde 3 werd verbeterd door alle laboratoria die dezelfde SOP- en instrumentinstellingen implementeert. De resultaten van de modusgrootte die voor deze ILC-ronde 3 zijn verkregen, zijn te zien in figuur 5. De gemiddelde modus in alle laboratoria was 62,02 ± 1,97 nm. Alle gemeten resultaten van ronde 3 waren consistenter dan de resultaten van de eerste fase, waarbij de resultaten ruim binnen 10% van de gemiddelde grootte van 60,5 nm voor de batch vielen, zoals aangegeven door de fabrikant. De variatiecoëfficiënt voor de door de fabrikant opgegeven goudmonsters was ≤8%.

figure-results-2
Figuur 5: ILC Round 3 Mode size resultaten. Modusgrootteresultaten van alle NTA-benchmarkpartners voor 60 nm gouden ILC Ronde 3 geanalyseerd op hetzelfde NTA-instrument. De gemiddelde modus in alle laboratoria was 62,02 ± 1,97 nm.

Om de deeltjesgrootte te verifiëren, zoals verstrekt door de fabrikant, werd een klein aantal (N = 82) deeltjes geanalyseerd door Transmission Electron Microscopy (TEM). Ongeveer 10 μl van de onverdunde dispersie werd druppel gegoten op een met koolstof bedekt Cu TEM-raster en gedroogd in lucht voordat het in beeld werd gebracht in een analytische TEM bij 200 kV. Beelden zoals aanvullende figuur 1 zijn genomen uit gebieden met minimale deeltjesoverlappen en geanalyseerd met behulp van een semi-automatisch beeldanalyseproces. Een automatische waterscheidingsmethode werd toegepast op afzonderlijke deeltjes en artefacten van dit proces werden uitgesloten, evenals op randdeeltjes18. De gemiddelde diameter werd berekend als gemiddelde van de hoofd- en kleine as (61 ± 7 nm) of als omrekening van het gemeten gebied (62 ± 6 nm) uitgaande van bolvormige deeltjes. Deeltjes lijken meestal bolvormig te zijn met een gemiddelde beeldverhouding van 1,1. De TEM-resultaten laten een iets hogere diameter zien dan de waarde van de fabrikant (60,5 nm), maar liggen binnen het tolerantieniveau. Bovendien is er een zeer goede overeenkomst met de NTA afgeleide waarde van hydrodynamische diameter.

Aanvullende figuur 1: TEM-afbeelding van 60 nm Gouden Nanodeeltjes. Klik hier om dit cijfer te downloaden.

Aanvullend bestand 1: Meetscript. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Aanvullend bestand 2: Voorbeeld van het PDF-resultatenrapport. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Discussie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De inconsistente resultaten van de ILC van ronde 1 wezen op de noodzaak van instrumentgezondheidscontroles voor oudere systemen, evenals de ontwikkeling van een meer gedetailleerde SOP, de noodzaak van praktische training en een beter begrip van meet- en analyse-instellingen om consistentere resultaten in de verschillende laboratoria te garanderen. Hole et al. stelden zelfs vast dat het ontbreken van gedeelde richtlijnen voor het gebruik van een NTA-systeem en het bereiden van monsters resulteerde in variabiliteit tussen laboratoria, zelfs voor relatief gemonodispergeerde monsters16. Daarom hebben alle ILC-deelnemers een trainingsworkshop gevolgd over de beste praktijken voor de werking en meetomstandigheden van het systeem, evenals reinigings- en onderhoudsrichtlijnen voor het specifieke NTA-instrument. Alle deelnemers voerden ook metingen uit op hetzelfde instrument in hun eigen laboratoria voor de daaropvolgende ILC-rondes. De procedure omvatte eerst een ronde die het systeem lokaal in elk laboratorium testte door een ILC uit te voeren op latex standaardmonsters (ILC Ronde 2), voordat het door de partners werd gebruikt om de goudmetingen te herhalen (ILC Ronde 3). Het doel van het meten van deze goudmonsters door middel van NTA was om vertrouwen en duidelijkheid te brengen in nanomateriaal risicobeoordelingsmethoden en -praktijken die nodig zijn om richtlijnen voor nanoveiligheid te beïnvloeden.

NTA is een techniek die de hydrodynamische sferische equivalente diameter van deeltjes kan meten en kan worden gebruikt voor deeltjes per deeltje, real-time visuele analyse van polydispergeerde systemen variërend van 10 nm – 50 nm, tot ongeveer 1000 nm groot (afhankelijk van de monstereigenschappen en instrumentconfiguratie). Minimale monstervoorbereiding is vereist. Ondanks de minimale monstervoorbereiding is deze stap van cruciaal belang voor het protocol en moet er veel voorzichtigheid worden betracht bij het verdunnen van een monster en het kiezen van een verdunningskracht. Vorm kan een beperkende factor zijn ten opzichte van NTA, omdat sferische equivalente groottemetingen worden verkregen en niet-bolvormige deeltjes een minder nauwkeurige groottewaarde hebben.

Voor NTA-technologie is altijd enige resultaatvariatie te verwachten, aangezien alleen een representatief monster uit het hele monster wordt waargenomen. Hoe dan ook, alle resultaten voldoen aan de ISO 19430-norm voor deeltjesmaat. De optimale concentratie is meestal ongeveer 108 deeltjes/ml binnen een analysetijd van 30-60 seconden. Voor monsters met lagere deeltjesconcentraties zijn langere analysetijden nodig om reproduceerbare resultaten te garanderen. Voor monsters met een concentratie van deeltjes groter dan 109 deeltjes/ml is de kans groter dat problemen worden gevolgd en moeten monsters worden verdund tot een geschikt bereik voor NTA-meting.

Over het algemeen tonen de resultaten van de3e ronde ILC een goede reproduceerbaarheid van gouden nanodeeltjesmetingen met NTA met verhoogde nauwkeurigheid en herhaalbaarheid. Alle NTA-metingen werden uitgevoerd met behulp van het automatische cameraniveau en de scherpstelinstellingen om het beeld aan te passen, zoals geselecteerd door de functie Automatisch instellen in de software. Het cameraniveau dat door de software werd ingesteld, was zeer consistent, waarbij in alle gevallen een cameraniveau van 10 of 11 werd ingesteld waaruit bleek dat hoe meer automatisering een proces omvat, hoe meer consistentie wordt bereikt. De dimensioneringsresultaten waren vergelijkbaar met die van de fabrikant door middel van TEM waaruit bleek dat de resultaten reproduceerbaar waren, maar er zijn minimale verschillen te verwachten van verschillende technieken, aangezien TEM de hydrodynamische diameter niet bepaalt. De aanzienlijke verbetering van de consistentie van de resultaten toont het belang en de voordelen aan van het onderhoud van instrumenten, gedetailleerde SOP's, updates van beste praktijken, gebruikerskennis en toegepaste meetautomatisering voor NTA. Tot slot valideerde de ILC deze specifieke NTA SOP en introduceerde daarom vertrouwen en duidelijkheid in deze specifieke nanomateriaalrisicobeoordelingsmethode.

Openbaarmakingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De auteur Jo Sullivan, Agnieszka Siupa, Pauline Carnell-Morris en Michele Carboni zijn werknemers bij Malvern Panalytical Ltd. dat instrumenten produceert die in dit artikel worden gebruikt.

Dankbetuigingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De auteurs erkennen financiële steun van het door H2020 gefinancierde project: ACEnano (Grant Agreement no 720952). Dit werk werd ook gedeeltelijk ondersteund door het International Cooperative R&D Program gefinancierd door het Ministerie van Handel, Industrie en Energie van Korea (subsidienummer N053100009, "Horizon2020 Kor-EU collaborative R&BD on ACEnano Toolbox") dat deelname van de Koreaanse partners aan het consortium van Horizon 2020 ACEnano Project mogelijk maakte.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
60 nm gold colloïd dispersieBBI Solutions OEM Ltd.Product EM. GC60, Batch nummer 024650
0,02 µm spuitfilter - Whatman Anotop 25 Steriele SpuitfiltersSigma AldrichWHA68092102
NanoSightMalvern Panalytical Ltd.NS300
NanoSight NTA Software v3.4Malvern Panalytical Ltd.v3.4
Spuit PP/PE zonder naald luer slip tip, gecentreerd, capaciteit 1 mL, gegradueerd, 0,01 mL, sterieelSigma AldrichZ230723

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Thwala, M., Musee, N., Sikhwivhilu, L., Wepener, V. The oxidative toxicity of Ag and ZnO nanoparticles towards the aquatic plant Spirodela punctuta and the role of testing media parameters. Environmental Science-Processes and Impacts. 15 (10), 1830-1843 (2013).
  2. Lowry, G. V., Gregory, K. B., Apte, S. C., Lead, J. R. Transformations of nanomaterials in the environment. Environmental Science & Technology. 46 (13), 6893-6899 (2012).
  3. Auffan, M., et al. Towards a definition of inorganic nanoparticles from an environmental, health and safety perspective. Nature Nanotechnology. 4 (10), 634-641 (2009).
  4. Valsami-Jones, E., Lynch, I. How safe are nanomaterials. Science. 350 (6259), 388-389 (2015).
  5. Briffa, S. M., Nasser, F., Valsami-Jones, E., Lynch, I. Uptake and impacts of polyvinylpyrrolidone (PVP) capped metal oxide nanoparticles on Daphnia magna: role of core composition and acquired corona. Environmental Science: Nano. 5, 1745-1756 (2018).
  6. Hassellöv, M. aR. K. Analysis and Characterization of Manufactured Nanoparticles in Aquatic Environments. Environmental and Human Health Impacts of Nanotechnology. , John Wiley & Sons, Ltd. 211-266 (2009).
  7. Hoet, P., Brüske-hohlfeld, I., Salata, O. Nanoparticles and known and unknown health risks. Journal of Nanobiotechnology. 2 (1), 12(2004).
  8. Briffa, S. M., et al. Thermal transformations of manufactured nanomaterials as a proposed proxy for ageing. Environmental Science: Nano. 5, 1618-1627 (2018).
  9. European Commission. Nanotechnology. European Commission. , Available from: http://ec.europa.eu/nanotechnology/policies_en.html (2011).
  10. Kestens, V., Bozatzidis, V., De Temmerman, P. J., Ramaye, Y., Roebben, G. Validation of a particle tracking analysis method for the size determination of nano- and microparticles. Journal of Nanoparticle Research. 19 (8), 271(2017).
  11. Dynamic Light Scattering - common terms defined. Malvern. , Available from: http://www.malvern.com/en/support/resource-center/Whitepapers/WP111214DLSTermsDefined.aspx (2015).
  12. Walker, J. G. Improved nano-particle tracking analysis. Measurement Science and Technology. 23 (6), 065605(2012).
  13. Using NTA to Study Aggregation Behavior of Liposome-Protein Complexes. Malvern Panalytical. , Available from: https://www.news-medical.net/whitepaper/20161125/Using-NTA-to-Study-Aggregation-Behavior-of-Liposome-Protein-Complexes.aspx (2019).
  14. Filipe, V., Hawe, A., Jiskoot, W. Critical evaluation of nanoparticle tracking analysis (NTA) by NanoSight for the measurement of nanoparticles and protein aggregates. Pharmaceutical Research. 27 (5), 796-810 (2010).
  15. Roebben, G., et al. Interlaboratory comparison of size and surface charge measurements on nanoparticles prior to biological impact assessment. Journal of Nanoparticle Research. 13 (7), 2675(2011).
  16. Hole, P., et al. Interlaboratory comparison of size measurements on nanoparticles using nanoparticle tracking analysis (NTA). Journal of Nanoparticle Research: An Interdisciplinary Forum for Nanoscale Science and Technology. 15 (12), 2101(2013).
  17. Analytical and Characterisation Excellence in nanomaterial risk assessment: A tiered approach. ACEnano. , Available from: https://cordis.europa.ue/project/id/720952 (2019).
  18. Soille, P., Vincent, L. Determining watersheds in digital pictures via flooding simulations. 1360, VC, SPIE (1990).

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Hydrodynamische diameterstandaardproceduremeting van de partikelgroottevoorbereiding van de flowcelmonsterverdunningdetectiedrempelgegevensverwerking

Gerelateerde artikelen