UV-Vis spectroscopische karakterisering van nanomaterialen in waterige media
25 oktober 2021
Deze studie presenteert de benchmarkingresultaten voor een interlaboratoriumvergelijking (ILC) ontworpen om de standaard operationele procedure (SOP) te testen die is ontwikkeld voor goud (Au) colloïde dispersies gekenmerkt door ultraviolet-zichtbare spectroscopie (UV-Vis), onder zes partners van het H2020 ACEnano-project voor monstervoorbereiding, meting en analyse van de resultaten.
UV-Vis-spectrofotometrie is een gevestigde, eenvoudig te gebruiken en goedkope techniek voor het meten van de grootte, concentratie, aggregatietoestand en brekingsindex van nanomaterialen. UV-Vis biedt niet-invasieve en snelle, realtime screening en evaluatie van nanomateriaalkenmerken met behulp van eenvoudige absorptiemetingen. UV-Vis is uitzonderlijk eenvoudig.
De monsters vereisen weinig voorbereiding en de software heeft weinig variabelen en is gemakkelijk te gebruiken. Schakel de UV-Vis-spectrometer minstens 20 minuten in om de lamp te laten opwarmen. Laad de software en selecteer Het instrument aansluiten Selecteer de optie Spectrum Scan in het modusvenster waarin de bedrijfsmodi worden weergegeven.
Klik in de software op Instrument en ga naar Instellingen in de opdrachtbalk, selecteer Parameters voor Spectrumscan en pas vervolgens de instellingen voor meting aan. Ga naar het tabblad Instrument en selecteer ABS voor Gegevensmodus en Spleetbreedte van 1,5. Ga naar het tabblad Golflengtescan en stel een begingolflengte in van 680 nanometer, eindgolflengte van 380 nanometer en scansnelheid van 400 nanometer per minuut.
Na het instellen van de parameters vult u twee cuvetten met één milliliter ultrazuiver water en plaatst u ze in de referentie- en monstercelhouder om het lichtpad te bedekken. Sluit het klepje van het instrument en ga verder met blanco kalibratie door leeg te selecteren op de opdrachtbalk en selecteer vervolgens OK. Neem een substeekproef van 500 microliter van elk goudnanodeeltjemonster en bereid een verdunning voor met 500 microliter ultrapuur water. Breng de verdunningen in cuvetten van één milliliter met een eindconcentratie van 25 microgram per milliliter.
Voer een lege kalibratie uit. Vervang na de blanco kalibratie een van de blanco cuvetten in de monstercelhouder door een gouden nanodeeltjesmonster, waarbij de referentiecuvette onaangeroerd blijft. Selecteer Start meten op de opdrachtbalk om de scan uit te voeren.
Voer drie spectrumscans uit voor elk verdund goud nanodeeltjesmonster en onbekend monster. Extraheer de onbewerkte experimentele gegevens voor elke meting in een bestand dat compatibel is met spreadsheets. Selecteer Eigenschap op de scan, ga op de opdrachtbalk naar het tabblad Afdrukken/exporteren, klik op Gegevens, Spectrum en parameters en druk op OK. Klik op Opslaan op de opdrachtbalk en sla de gegevens op als een xls-bestand.
Noteer de maximale absorptiegolflengte en lambda voor elk van de metingen en noteer ze in de meegeleverde sjabloon. Plot een kalibratiecurve met het gemiddelde van de maximale lambda tegen nanodeeltjesgrootte door gegevens te selecteren, grafiek in te voegen, spreidingsdiagram, trendlijn en polynomiale curve toe te voegen. Als u de polynomiale vergelijking voor de kalibratiecurve wilt opnemen, selecteert u Trendlijnopties en Vergelijking weergeven in grafiek op de opdrachtbalk.
Bereken ten slotte de grootte van het onbekende gouden nanodeeltjesmonster door de polynomiale vergelijking van de kalibratiecurve te isoleren om te passen bij de gemiddelde waarde voor de onbekende maximale lambda met behulp van een afleiding van de kwadratische formule. Onder de zes laboratoria vertoonde de maximale golflengte een nauwe herhaalbaarheid, terwijl de maximale absorptieresultaten een meer verspreid bereik van gegevenswaarden vertoonden voor verschillende gouden nanodeeltjesgroottes. De bereiken en algemene middelen voor elke grootte van elk gouden nanodeeltje worden hier weergegeven.
De maximale Z-scorewaarde voor lambda max werd gerapporteerd door laboratorium drie voor de nanodeeltjes van 5 nanometer en de hoogste z-score voor maximale absorptie werd gerapporteerd door laboratorium één voor nanodeeltjes van 40 nanometer. De meeste partners berekenden de grootte van het onbekende nanodeeltje op 76 tot 80 nanometer, waarbij laboratorium vijf een uitschieter van 109 nanometer meldde. De Z-scores voor onbekende maten werden berekend tussen min 0,25 en min 0,56 voor alle laboratoria, met de enige uitzondering gerapporteerd door laboratorium vijf, die de hoogste positieve Z-score van 2,03 vertoonden.
Controleer of de parameters en instellingen correct zijn aangepast. De verdunde monsters moeten vers worden bereid voordat ze met de UV-Vis worden gemeten. UV-Vis kan eenvoudig worden gecombineerd met andere tools, zoals TEM, DLS en AFM om een grote verscheidenheid aan attributen te meten als gebruikers hun monster uitgebreider willen karakteriseren.
Overzicht
Deze studie benchmarkt een interlaboratoriumvergelijking (ILC) om de standaardprocedure (SOP) voor goud (Au) colloïde dispersies met behulp van UV-Vis spectroscopie te evalueren. Zes partners van het H2020 ACEnano project namen deel aan de studie, waarbij de focus lag op monsterbereiding, meting en resultaatanalyse.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschappelijk gebied
- Nanomaterialen
- Analytische chemie
- Interlaboratoriumvergelijkingen
Achtergrond
- UV-Vis-spectrofotometrie is een veelgebruikte techniek voor het karakteriseren van nanomaterialen.
- De methode is non-invasief en maakt een real-time evaluatie van monstereigenschappen mogelijk.
- Eenvoudige absorptiemetingen bieden inzicht in de grootte, concentratie en aggregatietoestand.
- Standaardprocedures zijn essentieel voor consistente resultaten tussen verschillende laboratoria.
Doel van de studie
- Om de SOP voor goudcolloïdale dispersies tussen meerdere laboratoria te benchmarken.
- Om de herhaalbaarheid en betrouwbaarheid van UV-Vis metingen te beoordelen.
- Om de resultaten te analyseren en discrepanties in de metingen van de nanodeeltjesgrootte te identificeren.
Gebruikte methoden
- Bereiding van goudnanodeeltjesmonsters en verdunningen.
- Kalibratie van de UV-Vis-spectrometer en blanco-metingen.
- Uitvoeren van meerdere spectrumscans voor elk monster.
- Data-extractie en analyse om de grootte van de nanodeeltjes te bepalen.
Belangrijkste resultaten
- Hoge reproduceerbaarheid van de metingen van de maximale golflengte tussen de laboratoria.
- Variabiliteit in de resultaten van de maximale absorptie voor verschillende nanoparticle-groottes.
- De meeste laboratoria schatten de onbekende nanoparticle-groottes in tussen de 76 en 80 nanometers.
- Laboratorium vijf rapporteerde een uitschieter in grootte van 109 nanometers.
Conclusies
- De studie benadrukt het belang van gestandaardiseerde procedures voor UV-Vis-metingen.
- Discrepanties in de absorptiegegevens suggereren dat verder onderzoek noodzakelijk is.
- Samenwerking tussen laboratoria kan de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van metingen verbeteren.
Veelgestelde vragen
Industriële relevantie voor executives
UV-Vis spectroscopie maakt snelle, niet-invasieve screening van de grootte, concentratie en aggregatietoestand van nanomaterialen mogelijk, wat bijdraagt aan de vroegtijdige fysisch-chemische karakterisering bij de ontwikkeling van nanogeneesmiddelen. Gestandaardiseerde protocollen verbeteren de reproduceerbaarheid tussen laboratoria, waardoor de variabiliteit bij de preklinische beoordeling van nanomaterialen wordt verminderd. Dit verhoogt het voorspellende vertrouwen bij de selectie van lead-kandidaten en beperkt de risico's die gepaard gaan met inconsistent gedrag van nanomaterialen in biologische systemen.
Strategische Toepassingen in Biofarma R&D
Vroege ontdekking & targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt het mogelijk om de fysisch-chemische eigenschappen van nanomaterialen te onderzoeken die biologische interacties en doelbinding beïnvloeden.
- Operationele waarde: Biedt een snelle, goedkope eerste beoordeling om nanomateriaalkandidaten te prioriteren voor verdere evaluatie.
Screening & assayontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Genereert kwantitatieve absorptiegegevens die geschikt zijn voor het opstellen van kalibratiecurves en grootte-concentratierelaties.
- Operationele waarde: Ondersteunt de standaardisatie van assays door gedefinieerde golflengtebereiken, scansnelheden en spleetbreedten voor consistente metingen.
- Strategische waarde: Faciliteert de gereedheid voor high-throughput screening door real-time monitoring van aggregatie en stabiliteit mogelijk te maken.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Levert reproduceerbare metrieken voor grootte en aggregatie, die cruciaal zijn voor het correleren van nanomateriaal-eigenschappen met preklinische effectiviteit en toxiciteitsresultaten.
- Operationele waarde: Maakt gegevensvergelijking tussen laboratoria mogelijk wanneer SOP's worden gevolgd, wat multicentrische preklinische studies ondersteunt.
Integratie van Pipeline & Workflow
UV-Vis-karakterisering past binnen het ontdekkingscontinuüm van de initiële synthese van nanomaterialen tot de preklinische evaluatie, met name wanneer deze wordt geïntegreerd met orthogonale technieken zoals TEM of DLS voor een uitgebreide profilering.
- Ontdekkingsbiologie: Ondersteunt hypothesetoetsing met betrekking tot hoe grootte en aggregatie de cellulaire opname en doelbinding beïnvloeden.
- Screening: Maakt assay-gereedheid mogelijk door snelle, real-time feedback te geven over de stabiliteit van nanomaterialen tijdens de incubatie van verbindingen.
- Analytica: Levert lambda max- en absorbentiewaarden die via kalibratiecurves informatie verschaft voor groottebepaling en aggregatietoestand.
- Translationeel onderzoek: Zorgt voor preconisiche continuïteit door een gestandaardiseerde methode te bieden om nanomateriaaleigenschappen te volgen over verschillende formulering- en opslagcondities.
- Bedrijfsmatige herbruikbaarheid: Vertegenwoordigt een schaalbare, herbruikbare capaciteit voor kwaliteitscontrole van nanomaterialen gedurende de ontdekkings- en ontwikkelingsfasen.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellende vertrouwen in het gedrag van nanomaterialen door mechanische ambiguïteit uit slecht gekarakteriseerde monsters te verminderen.
- Operationele waarde: Bevordert standaardisatie, reproduceerbaarheid en schaalbaarheid over laboratoria en projecten heen.
- Strategische waarde: Verbetert go/no-go-beslissingen door vroeg in de ontwikkeling betrouwbare fysisch-chemische gegevens te verschaffen.
- Impact op portfolio: Maakt risico-gecorrigeerde prioritering mogelijk op basis van consistente grootte- en aggregatieprofielen.
Overwegingen voor implementatie
- Vereist expertise in spectrophotometrie en het hanteren van nanomaterialen om een correcte monstervoorbereiding en instrumentkalibratie te garanderen.
- Is afhankelijk van een stabiele lichtbron en golflengte-accuraatheid, wat regelmatige opwarming en onderhoud van het instrument noodzakelijk maakt.
- Vereist overeenstemming tussen teams over de SOP's voor verdunningsfactoren, cuvetselectie en data-exportformaten om vergelijkbaarheid te waarborgen.
- Moet rekening houden met beperkingen bij het detecteren van nanomaterialen kleiner dan 5 nm of in complexe biologische matrices zonder voorafgaande purificatie.
- Profiteert van integratie met complementaire technieken (bijv. TEM, DLS) voor een volledige fysisch-chemische karakterisering wanneer UV-Vis alleen onvoldoende is.
