Name: Dyspersja nanomateriałów w środowisku wodnym: w kierunku optymalizacji protokołu (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-12-25T13:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 35 s
Description: Poznaj optymalizację dyspersji nanomateriałów w środowisku wodnym przy użyciu sonikacji i charakteryzacji w czasie rzeczywistym. Protokół poprawia stabilność i jednorodność nanocząstek cynku dla badań nanotoksykologicznych.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Badania prowadzące do tych wyników otrzymały dofinansowanie z NE/J010783/1. Projekt NanoValid otrzymał dofinansowanie z Siódmego Programu Unii Europejskiej w zakresie badań, rozwoju technologicznego i demonstracji na podstawie umowy o dofinansowanie nr 263147.

<ol><li>Yin, L., Wang, Y., Pang, G., Koltypin, Y., Gedanken, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sonochemical+Synthesis+of+Cerium+Oxide+Nanoparticles-Effect+of+Additives+and+Quantum+Size+Effect%5BTitle%5D)+AND+%22J+Colloid+Interface+Sci%22%5BJournal%5D)">Sonochemical Synthesis of Cerium Oxide Nanoparticles-Effect of Additives and Quantum Size Effect.</a> J Colloid Interface Sci. 246 (1), 78-84 (2002).</li>
<li>Mandzy, N., Grulke, E., Druffel, T. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S003259100500389X">Breakage of TiO2 agglomerates in electrostatically stabilized aqueous dispersions.</a> Powder Technol. 160, (2005).</li>
<li>Nickel, C., et al. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/article/10.1007/s11051-014-2260-2">Dynamic light-scattering measurement comparability of nanomaterial suspensions.</a> J Nanopart Res. 16 (2), 12(2014).</li>
<li>Ray, T. R., Lettiere, B., de Rutte, J., Pennathur, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantitative+Characterization+of+the+Colloidal+Stability+of+Metallic+Nanoparticles+Using+UV-vis+Absorbance+Spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Quantitative Characterization of the Colloidal Stability of Metallic Nanoparticles Using UV-vis Absorbance Spectroscopy.</a> Langmuir. 31 (12), 3577-3586 (2015).</li>
<li>Jiang, J., Oberdöster, G., Biswas, P. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/article/10.1007/s11051-008-9446-4">Characterization of size, surface charge, and agglomeration state of nanoparticle dispersions for toxicological studies.</a> J Nanopart Res. 11, (2009).</li>
<li>Wu, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dispersion+Method+for+Safety+Research+on+Manufactured+Nanomaterials%5BTitle%5D)+AND+%22Industrial+Health%22%5BJournal%5D)">Dispersion Method for Safety Research on Manufactured Nanomaterials.</a> Industrial Health. 52 (1), 54-65 (2014).</li>
<li>Taurozzi, J. S., Hackley, V. A., Wiesner, M. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrasonic+dispersion+of+nanoparticles+for+environmental%2C+health+and+safety+assessment+-+issues+and+recommendations%5BTitle%5D)+AND+%22Nanotoxicology%22%5BJournal%5D)">Ultrasonic dispersion of nanoparticles for environmental, health and safety assessment - issues and recommendations.</a> Nanotoxicology. 5 (4), 711-729 (2011).</li>
<li>Sesis, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Influence+of+Acoustic+Cavitation+on+the+Controlled+Ultrasonic+Dispersion+of+Carbon+Nanotubes%5BTitle%5D)+AND+%22J+Phys+Chem+B%22%5BJournal%5D)">Influence of Acoustic Cavitation on the Controlled Ultrasonic Dispersion of Carbon Nanotubes.</a> J Phys Chem B. 117 (48), 15141-15150 (2013).</li>
<li>Farré, M., Gajda-Schrantz, K., Kantiani, L., Barceló, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ecotoxicity+and+analysis+of+nanomaterials+in+the+aquatic+environment%5BTitle%5D)+AND+%22Anal+Bioanal+Chem%22%5BJournal%5D)">Ecotoxicity and analysis of nanomaterials in the aquatic environment.</a> Anal Bioanal Chem. 393 (1), 81-95 (2009).</li>
<li>Mandzy, N., Grulke, E., Druffel, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Breakage+of+TiO2+agglomerates+in+electrostatically+stabilized+aqueous+dispersions%5BTitle%5D)+AND+%22Powder+Technol%22%5BJournal%5D)">Breakage of TiO2 agglomerates in electrostatically stabilized aqueous dispersions.</a> Powder Technol. 160 (2), 121-126 (2005).</li>
<li>Meißner, T., Oelschlägel, K., Potthoff, A. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/article/10.1007/s11051-013-2228-7">Dispersion of nanomaterials used in toxicological studies: a comparison of sonication approaches demonstrated on TiO2 P25.</a> J Nanopart Res. 16 (2), 1-13 (2014).</li>
<li>Cronholm, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+sonication+and+serum+proteins+on+copper+release+from+copper+nanoparticles+and+the+toxicity+towards+lung+epithelial+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Nanotoxicology%22%5BJournal%5D)">Effect of sonication and serum proteins on copper release from copper nanoparticles and the toxicity towards lung epithelial cells.</a> Nanotoxicology. 5 (2), 269-281 (2011).</li>
<li>Murdock, R. C., Braydich-Stolle, L., Schrand, A. M., Schlager, J. J., Hussain, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterization+of+Nanomaterial+Dispersion+in+Solution+Prior+to+In+Vitro+Exposure+Using+Dynamic+Light+Scattering+Technique%5BTitle%5D)+AND+%22Toxicol+Sci%22%5BJournal%5D)">Characterization of Nanomaterial Dispersion in Solution Prior to In Vitro Exposure Using Dynamic Light Scattering Technique.</a> Toxicol Sci. 101 (2), 239-253 (2008).</li>
<li>Bihari, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optimized+dispersion+of+nanoparticles+for+biological+in+vitro+and+in+vivo+studies%5BTitle%5D)+AND+%22Particle+Fibre+Toxicol%22%5BJournal%5D)">Optimized dispersion of nanoparticles for biological in vitro and in vivo studies.</a> Particle Fibre Toxicol. 5 (1), 1-14 (2008).</li>
<li>Hartmann, N. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Techniques+and+Protocols+for+Dispersing+Nanoparticle+Powders+in+Aqueous+Media-Is+there+a+Rationale+for+Harmonization%3F%5BTitle%5D)+AND+%22J+Toxicol+Environ+Health%2C+B%22%5BJournal%5D)">Techniques and Protocols for Dispersing Nanoparticle Powders in Aqueous Media-Is there a Rationale for Harmonization?</a> J Toxicol Environ Health, B. 18 (6), 299-326 (2015).</li>
<li>Murdock, R. C., Braydich-Stolle, L., Schrand, A. M., Schlager, J. J., Hussain, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterization+of+nanomaterial+dispersion+in+solution+prior+to+in+vitro+exposure+using+dynamic+light+scattering+technique%5BTitle%5D)+AND+%22Toxicol+Sci%22%5BJournal%5D)">Characterization of nanomaterial dispersion in solution prior to in vitro exposure using dynamic light scattering technique.</a> Toxicol Sci. 101, (2008).</li>
<li>Hunter, R. J. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aHunter%2C+RJ+%22Zeta+Potential+in+Colloid+Science%3A+Principles+and+Applications%22">Zeta Potential in Colloid Science: Principles and Applications</a>. , Academic Press. (1981).</li>
<li>Lyklema, J. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aLyklema%2C+J+%22Fundamentals+of+Interface+and+Colloid+Science%22">Fundamentals of Interface and Colloid Science</a>. , (1991).</li>
<li>Sikora, A., et al. <a target="_blank" href="http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2015/ay/c5ay02014j">A systematic comparison of different techniques to determine the zeta potential of silica nanoparticles in biological medium.</a> Analytical Methods. 7 (23), 9835-9843 (2015).</li>
<li>Lamberty, A., et al. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/257629221_Interlaboratory_comparison_for_the_measurement_of_particle_size_and_zeta_potential_of_silica_nanoparticles_in_an_aqueous_suspension">Interlaboratory comparison for the measurement of particle size and zeta potential of silica nanoparticles in an aqueous suspension DISCUSSION.</a> J Nanopart Res. 13 (12), 7317-7329 (2011).</li>
<li>Taurozzi, J. S., Hackley, V. A., Weisner, M. R. <a target="_blank" href="http://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/specialpublications/nist.sp.1200-1.pdf">NIST Special Publication. Vol. 1200-1</a>. , U.S. Department of Commerce/National Institute of Standards and Technology. Washington D.C. (2012).</li>
<li>Taurozzi, J. S., Hackley, V. A., Weisner, M. R. <a target="_blank" href="http://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/SpecialPublications/NIST.SP.1200-2.pdf">NIST Special Publication. Vol. 1200-2</a>. , U.S. Department of Commerce/National Institute of Standards and Technology. Washington D.C. (2012).</li>
<li>Taurozzi, J. S., Hackley, V. A., Weisner, M. R. <a target="_blank" href="http://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/SpecialPublications/NIST.SP.1200-3.pdf">NIST Special Publication. Vol. 1200-3</a>. , U.S. Department of Commerce/National Institute of Standards and Technology. Washington D.C. (2012).</li>
<li>Taurozzi, J. S., Hackley, V. A., Wiesner, M. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+standardised+approach+for+the+dispersion+of+titanium+dioxide+nanoparticles+in+biological+media%5BTitle%5D)+AND+%22Nanotoxicol%22%5BJournal%5D)">A standardised approach for the dispersion of titanium dioxide nanoparticles in biological media.</a> Nanotoxicol. 7 (4), 389-401 (2013).</li>
<li>NanoValid. www.nanovalid.eu. , Available from:
 <a target="_blank" href="http://www.nanovalid.eu">http://www.nanovalid.eu</a> (2017).</li>
<li>Yamaguchi, K. -i, Matsumoto, T., Kuwata, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Proper+calibration+of+ultrasonic+power+enabled+the+quantitative+analysis+of+the+ultrasonication-induced+amyloid+formation+process%5BTitle%5D)+AND+%22Protein+Sci%22%5BJournal%5D)">Proper calibration of ultrasonic power enabled the quantitative analysis of the ultrasonication-induced amyloid formation process.</a> Protein Sci. 21 (1), 38-49 (2012).</li>
<li>Maxit, B. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aMaxit%2C+B+%22Particle+size+measurements+of+dark+and+concentrated+dispersions+by+dynamic+light+scattering%22">Particle size measurements of dark and concentrated dispersions by dynamic light scattering</a>. , (2010).</li>
<li>Darlington, T. K., Neigh, A. M., Spencer, M. T., Guyen, O. T. N., Oldenburg, S. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanoparticle+characteristics+affecting+environmental+fate+and+transport+through+soil%5BTitle%5D)+AND+%22Environ+Toxicol+Chem%22%5BJournal%5D)">Nanoparticle characteristics affecting environmental fate and transport through soil.</a> Environ Toxicol Chem. 28 (6), 1191-1199 (2009).</li>
<li>Mejia, J., Lucas, S. <a target="_blank" href="http://www.rivm.nl/en/About_RIVM/International_Affairs/International_Projects/Completed/NANoREG/deliverables%3As_ezJOgJTEaL0lCqO1cAJQ/NANoREG_D2_08_SOP_03_For_particle_size_determination_of_a_given_MNM_by_the_CLS_technique.org">Protocol for the particle determination of a given MNM by the centrifuge liquid sedimentation (CLS) technique</a>. , (2015).</li>
<li>Jenway. <a target="_blank" href="http://www.jenway.com/adminimages/6305_manual(3).pdf">Model 6305 Spectrophotometer</a>. , (2014).</li>
<li>Michen, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Avoiding+drying-artifacts+in+transmission+electron+microscopy%3A+Characterizing+the+size+and+colloidal+state+of+nanoparticles%5BTitle%5D)+AND+%22Sci+Rep%22%5BJournal%5D)">Avoiding drying-artifacts in transmission electron microscopy: Characterizing the size and colloidal state of nanoparticles.</a> Sci Rep. 5, 9793(2015).</li>
<li>Contamine, R. F., Wilhelm, A. M., Berlan, J., Delmas, H. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/135041779400010P">Power measurement in sonochemistry.</a> Ultrason Sonochem. 2 (1), S43-S47 (1995).</li>
<li>Kimura, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1350417796000211">Standardization of ultrasonic power for sonochemical reaction.</a> Ultrason Sonochem. 3 (3), S157-S161 (1996).</li>
<li>Raso, J., Mañas, P., Pagán, R., Sala, F. J. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S135041779800042X">Influence of different factors on the output power transferred into medium by ultrasound.</a> Ultrason Sonochem. 5 (4), 157-162 (1999).</li>
<li>Matarredona, O., et al. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jp0365099">Dispersion of Single-Walled Carbon Nanotubes in Aqueous Solutions of the Anionic Surfactant NaDDBS.</a> J Phys Chem B. 107 (48), 13357-13367 (2003).</li>
<li>Jiang, L., Gao, L., Sun, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Production+of+aqueous+colloidal+dispersions+of+carbon+nanotubes%5BTitle%5D)+AND+%22J+Colloid+Interface+Sci%22%5BJournal%5D)">Production of aqueous colloidal dispersions of carbon nanotubes.</a> J Colloid Interface Sci. 260 (1), 89-94 (2003).</li>
<li>Jensen, K. A., Kembouche, Y., Christiansen, E., Jacobsen, N. R., Wallin, H., Guiot, C., Spalla, O., Witschger, O. <a target="_blank" href="https://www.anses.fr/en/system/files/nanogenotox_deliverable_5.pdf">The generic NANOGENOTOX dispersion protocol-Standard operation procedure (SOP)</a>. , 32 (2011).</li>
<li>Jacobsen, N. R., Pojano, G., Wallin, H., Jensen, K. A. Nanomaterial dispersion protocol for toxicological studies in ENPRA. Internal ENPRA Project Report. , National Research Centre for the Working Environment. Copenhagen, Denmark. (2010).</li>
<li>PROSPEcT. <a target="_blank" href="http://www.nanotechia.org/sites/default/files/files/PROSPECT_Dispersion_Protocol.pdf">Protocol for nanoparticle dispersion</a>. , (2010).</li>
<li>CPS Instruments, E. urope Introduction to Differential Sedimentation. , Netherlands. Available from:
 <a target="_blank" href="http://www.cpsinstruments.eu/pdf/Introduction%20Differential%20Sedimentation.pdf">http://www.cpsinstruments.eu/pdf/Introduction%20Differential%20Sedimentation.pdf</a> (2007).</li>
<li>Mavrocordatos, D., Pronk, W., Boller, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Analysis+of+environmental+particles+by+atomic+force+microscopy%2C+scanning+and+transmission+electron+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Water+Sci+Technol%22%5BJournal%5D)">Analysis of environmental particles by atomic force microscopy, scanning and transmission electron microscopy.</a> Water Sci Technol. 50 (12), 9-18 (2004).</li>
<li>Moon, Y. K., Lee, J., Lee, J. K., Kim, T. K., Kim, S. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Synthesis+of+Length-Controlled+Aerosol+Carbon+Nanotubes+and+Their+Dispersion+Stability+in+Aqueous+Solution%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Synthesis of Length-Controlled Aerosol Carbon Nanotubes and Their Dispersion Stability in Aqueous Solution.</a> Langmuir. 25 (3), 1739-1743 (2009).</li>
<li>Cheng, X., et al. <a target="_blank" href="https://www.hindawi.com/journals/jnm/2011/938491/">Characterization of Multiwalled Carbon Nanotubes Dispersing in Water and Association with Biological Effects.</a> J Nanomat. 2011, 12(2011).</li>
<li>Dassios, K. G., et al. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jpcc.5b01349">Optimization of Sonication Parameters for Homogeneous Surfactant-Assisted Dispersion of Multiwalled Carbon Nanotubes in Aqueous Solutions.</a> J Phys Chem C. 119 (13), 7506-7516 (2015).</li>
<li>Domingos, R. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterizing+Manufactured+Nanoparticles+in+the+Environment%3A+Multimethod+Determination+of+Particle+Sizes%5BTitle%5D)+AND+%22Environ+Sci+Technol%22%5BJournal%5D)">Characterizing Manufactured Nanoparticles in the Environment: Multimethod Determination of Particle Sizes.</a> Environ Sci Technol. 43 (19), 7277-7284 (2009).</li>
</ol>

Autorzy nie mają konkurencyjnego interesu finansowego. IK i EVJ wspólnie opracowali badanie według projektu IK, przeprowadzili eksperymenty, przeanalizowali dane i przygotowali manuskrypt. LJE i IR przeprowadziły obrazowanie TEM. SA, MLM i MC dostarczyły CNT, a pozostali współautorzy dyskutowali i komentowali manuskrypt na wszystkich etapach, a RT przyczyniło się do edycji manuskryptu.

Ostatecznym celem badań jest opracowanie strategii, która pozwoliłaby na określenie optymalnych warunków sonikacji do wykonania dyspersji wybranej liczby nanomateriałów w wodzie. W tym miejscu podjęto próbę dokładnego udokumentowania kroków i parametrów protokołu podczas sonikacji, aby wypełnić luki zidentyfikowane wcześniej w przeglądach, a także postępować zgodnie z zaleceniami wydanymi w ciągu ostatnich15 lat. Optymalne warunki dyspersji określa się poprzez scharakteryzowanie dyspersji po każdym cyklu sonikacji oraz sprawdzenie stabilności i jednorodności próbki. Wpływ procedur sonikacji i stan stabilności ocenia się na podstawie charakterystycznych zmian w kluczowych właściwościach fizykochemicznych nanomateriałów, określonych za pomocą różnych technik analitycznych: DLS, ELS, UV-VIS i TEM. Obecny protokół jest dostosowaną metodologią dyspersji nanomateriałów z wcześniejszej literatury i innych projektów badawczych 21,22,37,38,39 z pewnymi modyfikacjami i udoskonaleniami odnoszącymi się do kluczowych luk, etapów i możliwości ich zastosowania do szerszych nanomateriałów o podobnym profilu powierzchniowym 7 . Konieczne są jednak staranne dostosowania w odniesieniu do czasu ich sonikacji, siły i rodzaju ich zastosowania do innych nanomateriałów. Konieczne są również dalsze prace w celu ustalenia korelacji między procedurą sonikacji a aktywnością biologiczną nanomateriałów. Sześć różnych rodzajów dyspersji nanomateriałów jest ocenianych i porównywanych, przede wszystkim pod kątem ich stabilności, przy użyciu kąpieli ultradźwiękowej i sondy ultradźwiękowej wyposażonej w głośnik wysokotonowy w fiolce w określonych punktach czasowych. Aby utrzymać czystość zawiesiny i wszelkie niezamierzone zmiany spowodowane zanieczyszczeniem, unika się tutaj sonikacji sondy. W głośniku wysokotonowym fiolki mogą pozostać zamknięte. Eliminuje to wszelkie zanieczyszczenie krzyżowe próbek.
Kalibracja sonikatorów jest kluczowym czynnikiem, ponieważ dostępnych jest szereg sonitorów o różnych częstotliwościach, amplitudzie i mocach. Aby określić efektywną energię akustyczną dostarczaną do zawiesiny, kalibrację sonikatorów przeprowadza się za pomocą kalorymetrii. Moc akustyczna dostarczana dla ustawienia amplitudy 70% dla głośnika wysokotonowego w fiolce, jak również dla ustawienia 100% kąpieli ultradźwiękowej, wynosi odpowiednio <1 W (odpowiednio 0,75 ± 0,04 W i 0,093 ± 0,04 W). Jednak moc wyjściowa wskazana przez producentów dla głośnika wysokotonowego w fiolce i sonografu kąpielowego wynosi odpowiednio 200 W i 80 W. Wskazuje to, że pomimo dużej mocy źródła, większość energii jest tracona podczas wytwarzania pęcherzyków kawitacyjnych, a tylko niewielka część jest faktycznie dostarczana do dyspersji podczas obróbki26. Ostatnie badania podkreśliły znaczenie kawitacyjnej kontroli pomiarowej w porównaniu z mocą wejściową sonikatora dla lepszej kontroli dyspersji podczas sonikacji8. Metodologia ta wydaje się obiecująca w zakresie kontrolowanej dyspersji bardzo delikatnych nanomateriałów, takich jak nanorurki węglowe, i jest zalecana do przyszłych badań.
Każda technika zastosowana w badaniu opiera się na innych zasadach, z ograniczeniami dla wszystkich. DLS nie jest idealną techniką dla zawiesin niesferycznych, jak również systemów o wysokiej polidyspersji. W takich warunkach DCS jest zalecany ze względu na wysoką rozdzielczość, dokładność i precyzję40. DCS może całkowicie oddzielić bardzo wąskie piki rozkładu rozmiarów, które różnią się zaledwie o 3%. TEM zapewnia bezpośrednie obrazy wizualne nanocząstek i jest doskonałym narzędziem do określania agregacji, dyspersji, rozmiaru i kształtu cząstek, ale technika ta wymaga suszenia próbki, co może prowadzić do artefaktów41. Można to wyeliminować, myjąc kratki ultraczystą wodą, jak omówiono w kroku 4.5.3.
Metodologia podkreśla między innymi kilka krytycznych etapów, takich jak rodzaj fiolek użytych w protokole, głębokość zanurzenia i położenie fiolek w kąpieli ultradźwiękowej, a także głośnika wysokotonowego fiolki. Ważnym parametrem jest kontrola temperatury układu podczas mieszania. Zaleca się częste wymiany wody w kąpieli ultradźwiękowej i tryb pulsacyjny w przypadku głośnika wysokotonowego w fiolce, aby uniknąć gromadzenia się ciepła podczas sonikacji, a tym samym uniknąć jakichkolwiek zmian próbki. Etap wstępnego zwilżania próbek hydrofobowych, takich jak tlenek, pomaga w dyspersji cząstek, ale może wywołać pewne niepożądane zmiany. Czas i energia sonikacji powinny być wystarczająco wysokie, aby zdeaglomerować cząstki, ale nie na tyle, aby spowodować ich rozbicie. Wyniki wskazują, że pękanie aglomeratu zależy od rodzaju cząstek.
Nasze odkrycia podkreślają znaczenie posiadania szczegółowego protokołu dyspersji, ponieważ wyniki pokazują, że kluczowe właściwości fizykochemiczne mogą potencjalnie ulec zmianie podczas procesu sonikacji, zgodnie z takimi czynnikami, jak typ sonikatora, czas trwania sonikacji i moc wyjściowa. Wyniki wykazały, że integralność próbki jest potencjalnie zagrożona przy mieszaniu o większej intensywności. Wyniki pokazują, że CNT są bardzo wrażliwe na mieszanie, więc istnieje duże prawdopodobieństwo, że pęknięcia wystąpią, gdy czas trwania i siła sonikacji zostaną zmienione. Bliskie optymalnym ustawieniom dyspersji CNT są 2 - 15 minut w kąpieli ultradźwiękowej i tylko 2 minuty przy użyciu sondy ultradźwiękowej. Jednak ultradźwięki nadal mogły spowodować pewne skrócenia nanorurek, których nie można tutaj dokładnie określić ilościowo. DLS może nie być idealną techniką do charakteryzowania CNT, ale nadal może zapewnić średnicę hydrodynamiczną dla nanorurek, a dane te mogą być pouczające o różnicach w rozkładach długości CNT wśród różnych próbek 16,42,43. Wcześniejsze badania pokazują, że protokół dyspersji CNT może być znacznie ulepszony przez dodanie środków powierzchniowo czynnych, ponieważ cząsteczki środka powierzchniowo czynnego są absorbowane na monowarstwie nanorurek, zapewniając w ten sposób barierę dla pękania w wyniku sonikacji 35,44. Nie można tego jednak bezpośrednio porównać z obecnym protokołem, ponieważ w tym przypadku nie występują żadne środki powierzchniowo czynne. Należy zauważyć, że zapewnienie rozkładu długości i wielkości w przypadku nanorurek węglowych jest bardzo ważne, ponieważ proporcje są często skorelowane z pewną reakcją toksykologiczną. W przeciwieństwie do tego, CeO2 dał inne wyniki w porównaniu z CNT, w których wydłużony czas sonikacji przy użyciu kąpieli ultradźwiękowej lub sondy prowadzi do powstawania cząstek pierwotnych. Różnica w wynikach między przypadkami CNT i CeO2 podkreśla znaczenie dostosowania protokołów dyspersji, np. optymalizacji czasu sonikacji i mocy wyjściowej, zgodnie z materiałem wyjściowym, tj. rodzajem proszków nanomateriałów. Każdy rodzaj próbki proszku nanomateriału jest inny, ponieważ w samym proszku będzie występował inny stopień aglomeracji. W niektórych przypadkach proces deaglomeracji z powodzeniem doprowadził do deaglomeracji aż do poziomu cząstek pierwotnych, co widać po pojawieniu się innych kształtów cząstek na obrazach TEM, które nie były widoczne przed etapem sonikacji. Długotrwała sonikacja powodowała ciągłe pękanie aglomeratów tlenku ceru pod różnymi kątami, prowadząc w ten sposób do powstania wieloaspektowych cząstek.
W przypadku zakupionej na rynku wodnej próbki dyspersji Ag NPs, nasze wyniki podkreślają również potrzebę długoterminowej oceny stabilności i jednorodności. Istnieje potrzeba zapewnienia, że dyspersje zostały wystarczająco scharakteryzowane przed użyciem, zwłaszcza w przypadku długotrwałego przechowywania. Nanomateriały mają jednak bardzo krótki okres trwałości. Starzeją się z czasem i mogą zachowywać się inaczej po długotrwałym przechowywaniu w porównaniu ze świeżo przygotowaną dyspersją.
Uzyskane wyniki wskazują na potrzebę opracowania zharmonizowanej strategii w celu zidentyfikowania zoptymalizowanego protokołu dla różnych nanomateriałów. Przedstawiona proponowana strategia polega na przeprowadzeniu różnych wariantów metody sonikacji i zapewnieniu, że dyspersje w różnych punktach czasowych są wystarczająco scharakteryzowane przy użyciu uzupełniających się metod analitycznych. Znaczenie stosowania podejścia wielometodowego do charakteryzowania i monitorowania jakości dyspersji w czasie i w różnych warunkach eksperymentalnych zostało podkreślone przez byłych pracowników45. Chociaż w badaniach przedstawiono różne metody sonikacji w celu zaspokojenia specyficznej dyspersji nanomateriałów, potencjalnie mogą one być wykorzystane jako podstawa do dyspersji innych nanomateriałów metali i tlenków metali (o podobnych właściwościach powierzchniowych) w wodzie. Jednak jakakolwiek zmiana zarówno w rodzaju nanomateriału, jak i w ciekłym medium wymaga optymalizacji podstawowego protokołu, co można osiągnąć poprzez staranne dostosowanie różnych czynników, np. czasu sonikacji, siły i typu sonikatora. Niezależnie od tego, jaki protokół zostanie wybrany i uznany za optymalny, zawsze istnieje potrzeba posiadania szczegółowego raportu na temat schematu i sekwencji etapowej procedury dyspersji sonikacji. Jest to ważne dla poprawy interpretowalności i porównywalności. Jednym z zastosowań tego protokołu jest ułatwienie porównywalności danych między innymi laboratoriami, co prowadzi do zharmonizowanego i ustandaryzowanego podejścia do przyszłych badań. Obecna metodologia i parametry kontrolne mogą być wykorzystane do innych mediów dyspergujących poza wodą, a porównania mogą być dokonywane indywidualnie dla każdego przypadku.

Sonikacja jest procesem generowania kawitacji, która polega na tworzeniu, wzroście i zapadaniu się pęcherzyków (często nazywanych „gorącymi punktami”) powstających w cieczy pod wpływem promieniowania ultradźwięków o wysokiej intensywności1. W warunkach laboratoryjnych metodę sonikacji przeprowadza się przy użyciu sonikatora. Istnieją różne rodzaje sonikatorów, z których wszystkie pełnią ogólną funkcję liofilizacji aglomeratów cząstek, co prowadzi do ich rozproszenia w medium ciekłym w postaci pojedynczych (lub pierwotnych) cząstek. Zastosowanie sonikacji pozwala poprawić homogeniczność próbki, co potencjalnie umożliwia uzyskanie znacznie węższego rozkładu wielkości cząstek. Ważnym aspektem do rozważenia w procesie dyspersji jest stabilność końcowej dyspersji. W tym przypadku stabilność zawiesiny definiuje się jako stan, w którym cząstki nie osadzają się ani nie sedymentują w swoim rozproszonym stanie, a pomiary średniego średnic hydrodynamicznych nie różnią się o więcej niż 10% pomiędzy pięcioma powtórzeniami pomiarów wykonanych w tym czasie (około 10 min)2,3. Istnieje kilka sposobów pomiaru stabilności dyspersji. Należą do nich szacowanie potencjału zeta (ZP) poprzez pomiar ruchliwości elektroforetycznej cząstek. Inną metodą jest pomiar charakterystycznego pochłaniania nanocząstek w zakresie widma UV4.
W dziedzinie nanotoksykologii możliwość kontrolowania jakości dyspersji jest bardzo istotna, ponieważ etap dyspersji determinuje kluczowe właściwości fizykochemiczne, takie jak wielkość i rozkład wielkości cząstek, kształt, agregację/aglomerację, ładunek powierzchniowy itp. To z kolei w ostateczności wpłynie na interakcję cząstek z mediami testowymi oraz na wyniki różnych eksperymentów in vitro i in vivo, co ma na celu wywnioskowanie potencjalnych zagrożeń wynikających z zastosowania nanomateriałów.
Sonikacja jest powszechnie przeprowadzana przy użyciu sonikatora z sondą (bezpośrednio), kąpieli ultradźwiękowej lub sonikatora z uchwytem do probówek (sonikacja pośrednia). Wszystkie rodzaje sonikacji są dostępne w różnych zakresach intensywności i mocy wyjściowej, niekiedy z zastosowaniem różnych typów sonotrod dla specyficznych procesów lub wymagań, i są odpowiednie dla objętości cieczy od 2 do 250 mL. Chociaż wiadomo, że sonikacja sondą jest bardziej efektywna niż sonikacja w kąpieli ze względu na wysoką intensywność miejscową5, w przypadku przygotowywania zawiesin do testów toksykologicznych często preferuje się kąpiel ultradźwiękową zamiast sonikatora z sondą ze względu na możliwe ryzyko zanieczyszczenia przez końcówkę, erozję tytanowej końcówki sondy po dłuższym użytkowaniu oraz rozbieżności w głębokości zanurzenia sondy. Podobnie, sonikator z uchwytem do probówek jest korzystniejszy od bezpośredniej sondy ze względu na wspomniane ryzyka zanieczyszczenia oraz łatwość obsługi urządzenia. Kilka probówek jest sonikowanych jednocześnie i z tą samą intensywnością. Pozwala to nie tylko zaoszczędzić czas, ale zapewnia równomierną obróbkę wszystkich próbek, co sprawia, że wyniki między próbkami są bardziej wiarygodne i porównywalne. W badaniach bezpieczeństwa nanomateriałów zawsze dąży się do uniknięcia zanieczyszczeń. Sonikator z sondą nie spełnia jednak tego wymogu i nie został pod tym względem przetestowany. Znane jest, że sonikatory z sondą mogą powodować nieuniknione skutki uboczne, takie jak zanieczyszczenie próbek wskutek erozji końcówki, a także zmniejszenie mocy wyjściowej prowadzące do zmian w warunkach dyspersji, co w konsekwencji obniża powtarzalność danych6,7,8. Ponadto próbki są zazwyczaj przetwarzane w otwartych pojemnikach, co prowadzi do ubytku cieczy wskutek odparowania oraz do osiadania kurzu. Aby uniknąć tych niezamierzonych zmian, w najnowszych badaniach zaleca się stosowanie alternatywnych sonikatorów pośrednich ze względu na ich efektywne dostarczanie energii oraz zapewnienie czystości zawiesiny6.
Nieoptymalna sonikacja może mieć niekorzystny wpływ na wyniki. Potencjalnie może ona zmienić kluczowe właściwości fizyczne i chemiczne nanomateriałów, takie jak rozmiar, rozkład wielkości, morfologia i ładunek powierzchniowy2,9. W literaturze opisywano przypadki błędów w kontroli procesu sonikacji oraz ich wpływ na parametry cząstek, takich jak nano-TiO25,10,1, nano-ZnO6 oraz nano-miedź12. Co więcej, wcześniejsze badania wykazały, że proces sonikacji nie tylko zmienia charakterystykę cząstek, ale także wpływa na wyniki testów toksykologicznych12,13.
Aby kontrolować proces dyspersji, ważne jest monitorowanie i zrozumienie, w jaki sposób różne czynniki, takie jak rodzaj sonikatora, moc i czas pracy urządzenia, objętości itp., mogą wpływać na jakość dyspersji. W związku z tym istnieje potrzeba opracowania systematycznej procedury analizy kluczowych charakterystyk fizykochemicznych cząstek w dyspersji w różnych punktach czasowych procesu sonikacji. Chociaż kilka osób prowadziło badania w tym zakresie, prace w tej dziedzinie są ograniczone. Bihari et al. badali stabilność różnych dyspersji nanomateriałów przygotowanych przy użyciu różnych energii ultradźwiękowych z zastosowaniem różnych stabilizatorów dyspersyjnych14. Niedawny przegląd opracowany przez Hartmannn et al. podkreślił, że mimo podjętych prób zrozumienia różnych czynników wpływających na jakość dyspersji nanomateriałów np. rodzaju używanego sonikatora, czasu sonikacji itp., wciąż nie istnieje dobrze określona i powszechnie akceptowana procedura sonikacji, która obecnie wspierałaby badania i testy nanotoksykologiczne7,15.
Do monitorowania jakości dyspersji stosuje się kilka analitycznych technik charakterystyki. Należą do nich: dynamiczne rozpraszanie światła (DLS), wirowanie tarczowe (Disc Centrifugation), elektroforetyczne rozpraszanie światła (ELS), spektroskopia ultrafioletowa i widzialna (UV-vis) oraz transmisyjna mikroskopia elektronowa (TEM), które służą odpowiednio do pomiaru wielkości/rozkładu wielkości cząstek, potencjału zeta, stabilności dyspersji oraz charakterystyki morfologicznej. DLS jest często wykorzystywane do wyznaczania średnicy hydrodynamicznej (Z-average) cząstek oraz indeksu polidyspersyjności (PdI) dyspersji nanomateriału. W przypadku multimodalnego rozkładu wielkości w DLS, uzyskana wartość Z-average może nie być zgodna z rozkładem wielkości ważonym intensywnością. W takim przypadku można podać średnią z rozkładu wielkości ważonego intensywnością. PdI odzwierciedla szerokość rozkładu wielkości w skali od 0 do 1, gdzie 0 oznacza próbkę monodyspersyjną, a 1 próbkę wysoce polidyspersyjną16. Wirowanie tarczowe to technika separacji stosowana do wyznaczania rozkładu wielkości cząstek z wykorzystaniem sedymentacji odśrodkowej w ośrodku ciekłym. Cząstki osadzają się w optycznie przezroczystym, obracającym się tarczu, a ilość światła rozproszonego przez cząstki w momencie dotarcia do krawędzi tarczy jest rejestrowana i przeliczana na rozkład wielkości cząstek zgodnie z prawem Stokesa. Do rozdzielania multimodalnych rozkładów cząstek bardziej odpowiednie są techniki takie jak wirowanie tarczowe, ponieważ posiadają one wbudowany w instrument element mechanizmu separacji. Potencjał zeta (potencjał ζ-) cząstek definiuje się jako potencjał elektryczny na ich płaszczyźnie ścinania lub poślizgu, która jest teoretyczną granicą wewnątrz podwójnej warstwy elektrycznej oddzielającą ciecz (bulk), wykazującą normalne zachowanie lepkie, od warstwy Sterna – warstwy składającej się głównie z przeciwionów i uznawanej za poruszającą się wraz z cząstką. Potencjał zeta jest bezpośrednio powiązany z ładunkiem powierzchniowym cząstek, a tym samym z oddziaływaniami elektrostatycznymi (np. odpychaniem/przyciąganiem) między cząstkami. Parametr ten jest zatem uznawany za główny wskaźnik stabilności dyspersji nanomateriału. Zgodnie z konwencją, wartości potencjału zeta poniżej -25 mV oraz powyżej 25 mV uznaje się za stabilne17,18. Na potencjał zeta silnie wpływa stężenie i rodzaj jonów, a także pH roztworu19. ELS służy do pomiaru ruchliwości elektroforetycznej cząstek w dyspersji, a ruchliwość tę przelicza się na potencjał zeta za pomocą równania Henry'ego oraz modeli Smoluchowskiego lub Hückela. Spektroskopia UV-vis to technika stosowana do ilościowego pomiaru światła absorbowanego i rozproszonego przez próbkę przy określonej długości fali. Często jest ona wykorzystywana do monitorowania stabilności dyspersji poprzez pomiar charakterystycznej absorpcji nanomateriałów w obszarze UV. Wreszcie, TEM jest często stosowane do wizualizacji i analizy wielkości, rozkładu wielkości, aglomeracji oraz kształtu nanocząstek5,14,15,20.
Przedstawiamy badanie porównawcze sześciu różnych dyspersji nanomateriałów przygotowanych przy użyciu kąpieli ultradźwiękowej oraz sondy ultradźwiękowej wyposażonej w uchwyt do probówek. Stężenie cząstek, temperatura, typ sonikatora oraz parametry zastosowane w badaniu zostały określone w protokole, aby umożliwić odtworzenie ustawień eksperymentalnych dla podobnych sond i kąpieli ultradźwiękowych. Wykorzystano następujące nanomateriały: srebro (Ag), tlenek ceru (CeO2), tlenek cynku (ZnO, NM10-hydrofilowy i NM11-hydrofobowy) oraz nanomateriały węglowe, takie jak nanorurki węglowe (A32 i A106, patrz Tabela materiałów).
Ocena jakości dyspersji w różnych punktach czasowych procesu sonikacji jest przeprowadzana przy użyciu różnych technik charakterystyki, mianowicie: DLS dla wielkości i rozkładu wielkości cząstek, wirowania dyskowego dla rozkładu wielkości, ELS dla potencjału zeta, spektroskopii UV-vis dla stabilności oraz TEM dla kształtu i homogeniczności cząstek. Oceniono szereg różnych nanomateriałów, od tlenków metali po materiały na bazie węgla. Dla porównania, równolegle zastosowano komercyjną zawiesinę wodną nanocząsteczek srebra (Ag NPs) stabilizowaną otoczką cytrynianową, aby wywnioskować oczekiwaną długoterminową stabilność odpowiedniej zawiesiny dostępnej w handlu. Oczywiście model Ag NPs nie jest bezpośrednio powiązany z żadną z procedur dyspersji, lecz służy jedynie do wskazania potrzeby ponownej sonikacji lub ponownej stabilizacji zawiesin po pewnym czasie przechowywania, ponieważ podczas magazynowania nieuchronnie dochodzi do zmian, takich jak reaglomeracja. Zawiesinę przechowywano w lodówce przez dwa miesiące. W tym okresie przeprowadzano charakterystykę dyspersji w celu zidentyfikowania potencjalnej aglomeracji cząstek. Wstępne wyniki wskazują na niestabilność zawiesiny (omówiono to w sekcji Wyniki). Następnie dyspersję tę poddano różnym zabiegom sonikacji, analogicznie do pozostałych nanomateriałów wykorzystanych w badaniu. Celem badania jest potwierdzenie, że możemy doprowadzić do disagregacji zawiesiny za pomocą tego samego protokołu sonikacji. Model Ag NPs może zatem służyć jako punkt odniesienia w badaniach długoterminowych, reprezentując redispersję cząstek w zoptymalizowanej formie.
Przedstawione tutaj protokoły dyspersji wykazują podobieństwa do tych opublikowanych w literaturze oraz uwzględniają niektóre z niewielu zaleceń sformułowanych przez poprzednich badaczy7,21,2,23,24,25. W niniejszej pracy zastosowano systematyczne i etapowe podejście w celu monitorowania jakości dyspersji w trakcie realizacji protokołu. Podejście to obejmuje charakterystykę dyspersji nanomateriałów w czasie rzeczywistym, aby zidentyfikować optymalne warunki eksperymentalne dyspersji (Rysunek 1).
<img alt="Schemat procesu sonikacji nanomateriałów z tlenków metali; układ ultradźwiękowy do analizy dyspersji cząstek." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56074/56074fig1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 1"> 
Rycina 1. Schemat blokowy przedstawiający plan i sekwencję kroków protokołu dyspersji. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56074/56074fig1large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>

<table><tbody><tr><td>Nanoproszek tlenku ceru</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>544841</td><td>< 25&nbsp; Wielkość cząstek nm (BET)</td></tr><tr><td>Tlenek</td><td>Wspólne Centrum Badawcze Komisji Europejskiej (JRC)</td><td>NM110</td><td>hydrofilowy</td></tr><tr><td>Tlenek</td><td>Wspólne Centrum Badawcze Komisji Europejskiej (JRC)</td><td>NM111</td><td>hydrofobowe</td></tr><tr><td>wielościenne nanorurki węglowe</td><td>Projekt NanoMile (Duży wspólny projekt w ramach 7. programu ramowego Komisji Europejskiej)</td><td>A32 (MWCNT1)</td><td>3.0&plusmn; 1,8 &mikro; m długości, stosunek O/C 4,5%</td></tr> <tr><td>Wielościenne nanorurki węglowe</td><td>Projekt NanoMile</td><td>A106 (MWCNT2)</td><td>3,3&plusmn; 2.4 &mikro; m długości, stosunek O/C 7%</td></tr><tr><td>Dyspersja srebra</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>730785</td><td>10&nbsp; Wielkość cząstek nm (TEM), 0,02&nbsp; mg/mL</td></tr><tr><td>Zetasizer nano</td><td>Malvern Instruments</td><td></td><td>Pomiary wielkości cząstek i potencjału zeta&nbsp;</td></tr><tr><td>Wirówka dyskowa</td><td>CPS instruments Inc.</td><td>Model DC 24000</td><td>Rozkład wielkości cząstek przez sedymentację odśrodkową</td></tr><tr><td>Transmisyjny mikroskop elektronowy</td><td>JEOL USA</td><td>Jeol 1200EX</td><td>TEM Obrazy jasnego pola, wielkość cząstek, kształt, aglomeracja</td></tr><tr><td>Sonda ultradźwiękowa wyposażona w fiolkę Głośnik wysokotonowy</td><td>Hielscher</td><td>UIS250V</td><td>Sonicator</td></tr><tr><td>Kąpiel ultradźwiękowa</td><td>Branson&nbsp;</td><td>Model 1510</td><td>Fiolki Sonicator</td></tr><tr><td>Eppendorf</td><td>Eppendorf</td><td>2236411-1</td><td></td></tr><tr><td>Spektrofotometr UV-vis</td> o pojemności 1,5 ml <td>Kabina lotnicza Jenson</td><td>Model 6800</td><td>Szczyty SPR, stabilność zawieszenia</td></tr><tr><td>Jednorazowa składana komórka kapilarna</td><td>Malvern Instruments</td><td>DTS 1070</td><td>do pomiaru wzorca potencjału elektrycznego</td></tr><tr><td>Zeta</td><td>Malvern Instruments</td><td>DTS 1235</td><td></td></tr><tr><td>Kuweta kwarcowa</td><td>Jasco</td><td>1103-0042</td><td>Prostokątna kuweta kwarcowa 10 x 100 Spectrosil Kwarc z pokrywką 190 -2700 nm</td></tr></tbody></table>

dyspersja nanomateriałów w środowisku wodnym: w kierunku optymalizacji protokołu

Dispersion of Nanomaterials in Aqueous Media: Towards Protocol Optimization

Proces sonikacji jest powszechnie stosowany do deaglomeracji i dyspersji nanomateriałów w pożywkach wodnych, niezbędnych do poprawy jednorodności i stabilności zawiesiny. W tym badaniu przeprowadzane jest systematyczne podejście krokowe w celu zidentyfikowania optymalnych warunków sonikacji w celu uzyskania stabilnej dyspersji. Podejście to zostało przyjęte i okazało się odpowiednie dla kilku nanomateriałów (tlenek ceru, tlenek i nanorurki węglowe) zdyspergowanych w wodzie dejonizowanej (DI). Jednak przy każdej zmianie rodzaju nanomateriału lub ośrodka dyspergującego konieczna jest optymalizacja podstawowego protokołu poprzez dostosowanie różnych czynników, takich jak czas sonikacji, moc i typ sonikatora, a także wzrost temperatury podczas procesu. Podejście to szczegółowo rejestruje proces dyspersji. Jest to konieczne do zidentyfikowania punktów czasowych, a także innych wyżej wymienionych warunków podczas procesu sonikacji, w których mogą wystąpić niepożądane zmiany, takie jak uszkodzenie powierzchni cząstek, wpływając tym samym na właściwości powierzchni. Naszym celem jest zaoferowanie zharmonizowanego podejścia, które może kontrolować jakość końcowej, wyprodukowanej dyspersji. Taka wytyczna ma zasadnicze znaczenie dla zapewnienia powtarzalności jakości dyspersji w społeczności nanonaukowej, szczególnie w dziedzinie nanotoksykologii.

Tutaj prezentujemy krok po kroku protokół dyspersji nanomateriałów w środowisku wodnym z charakterystyką w czasie rzeczywistym w celu określenia optymalnych warunków sonikacji, intensywności i czasu trwania dla poprawy stabilności i jednorodności dyspersji nanocząstek bez wpływu na integralność próbki.

Dyspersja nanomateriałów w środowisku wodnym: w kierunku optymalizacji protokołu

The sonication process is commonly used for de-agglomerating and dispersing nanomaterials in aqueous based media, necessary to improve homogeneity and ...

Ogólnym celem niniejszej procedury jest wykorzystanie charakterystyki w czasie rzeczywistym do zidentyfikowania optymalnych warunków sonikacji, w tym natężenia i czasu trwania, w celu uzyskania stabilnych i jednorodnych dyspersji nanomateriałów w mediach wodnych. Metoda ta może pomóc w udzieleniu odpowiedzi na kluczowe pytania w nanonauce, szczególnie w dziedzinie nanotoksykologii, dotyczące optymalizacji dyspersji nanocząstek bez wpływu na integralność próbki. Główną zaletą tej strategii optymalizacji jest poprawa kontroli nad końcową jakością dyspersji, co ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia powtarzalności.Aby rozpocząć procedurę, skalibrować sonikator sondowy wyposażony w sonotrodę z blokiem do probówek. Następnie za pomocą czystej metalowej szpatułki odważyć dwa miligramy wybranego nanoproszku do każdej z trzech czystych szklanych fiolek o pojemności 10 lub 20 mililitrów, ponumerowanych od jeden do trzy. Za pomocą pipety nanieść jeden mililitr wody dejonizowanej wzdłuż wewnętrznych ścianek każdej fiolki.W przypadku próbek hydrofobowych należy zamiast tego użyć jednego mililitra 0,5% objętościowo etanolu w wodzie dejonizowanej. Każdą próbkę wymieszać do uzyskania gęstej pasty. Następnie do pasty dodać odpowiednią ilość wody dejonizowanej, aby uzyskać końcowe stężenie próbki wynoszące 0,2 mg/mL.Zamieszaj fiolki ruchem wirowym w płaszczyźnie poziomej, aby oderwać nanoproszek przylegający do ścian wewnętrznych. Przenieś 1,5 milliliters każdej dyspersji nanoproszku do czystych probówek do mikrocentryfugi z odpowiednim numerowaniem. Szczelnie zamknij probówki i zamieszaj nimi, aby oderwać nanoproszek od ścian wewnętrznych.Następnie umieść próbki w sonitrodzie. Poddaj próbki sonikacji przy mocy 1,1 W, stosując impulsy trwające jedną sekundę włączone i jedną sekundę wyłączone przez dwie minuty. Następnie wyjmij próbkę pierwszą z bloku.Przenieś jeden mililitr znad powierzchni zawiesiny do drugiej czystej probówki do mikrocentryfugi. Dodaj do probówki wodę dejonizowaną, aby uzyskać stężenie próbki 0,02 mg/mL. Bezzwłocznie rozpocznij charakteryzację próbki.10 minut po zakończeniu pierwszej obróbki sonikacyjnej, poddaj pozostałe próbki sonikacji przez cztery minuty, stosując te same ustawienia amplitudy i impulsu. Rozcieńcz próbkę drugą do stężenia 0,02 mg/mL wodą dejonizowaną i rozpocznij charakteryzację. 10 minut po zakończeniu drugiej obróbki sonikacyjnej, poddaj próbkę trzecią kolejnej czterominutowej sonikacji przy tych samych ustawieniach.Rozcieńczyć próbkę trzy do stężenia 0,02 mg/ml i rozpocząć charakterystykę. Najpierw skalibrować kąpiel ultradźwiękową względem czujnika kąpieli. Następnie, używając czystej szpatułki, odważyć dwa miligramy wybranego nanoproszku do każdej z czterech czystych fiolek szklanych, ponumerowanych od cztery do siedem.Pipetuj jeden mililitr wody dejonizowanej po ściankach każdej fiolki i wymieszaj proszki do uzyskania gęstych past. Dodaj wodę dejonizowaną, aby osiągnąć stężenie próbki 0,2 mg/ml w każdej fiolce. Zakręć fiolki i zakręć nimi, aby odczepić nanoproszek przylegający do wewnętrznych powierzchni.Umieść fiolki na środku skalibrowanej kąpieli ultradźwiękowej. Upewnij się, że poziom wody sięga do połowy wysokości fiolek. Sonicuj próbkę przy mocy 80 watów przez 15 minut w temperaturze pokojowej.Następnie przenieś alikwot próbki numer cztery do czystej fiolki. Rozcieńcz alikwot wodą dejonizowaną do stężenia 0,02 mg/ml i rozpocznij charakterystykę. Wymień wodę w kąpieli ultradźwiękowej na świeżą wodę o temperaturze pokojowej, aby uniknąć wzrostu temperatury, który mógłby wpłynąć na dyspersje.Aby rozpocząć ocenę wielkości cząstek metodą dynamicznego rozpraszania światła, otwórz oprogramowanie urządzenia i utwórz plik pomiaru wielkości. Wprowadź czas równoważenia, temperaturę, typ kuwety oraz tryb eksperymentu. Zapisz plik pomiaru wielkości.Następnie przeprowadź pomiar weryfikacyjny DLS na próbce standardowych kulek lateksowych o nominalnej wielkości 100 nanometrów. Potwierdź, że wydajność instrumentu spełnia odpowiednie standardy. W dalszej kolejności powoli pipetuj jeden mililitr rozcieńczonej dyspersji nanoproszku do czystej, jednorazowej kuwety o małej objętości, uważając, aby nie powstały pęcherzyki powietrza.Włóż kuwetę do urządzenia i rozpocznij zbieranie danych. Wykonaj co najmniej pięć pomiarów dla każdej próbki. Następnie zaznacz wszystkie pomiary i oblicz średnią dla każdej próbki.Wyeksportuj dane pomiarowe do programu arkusza kalkulacyjnego w celu przeprowadzenia dalszej analizy. Następnie, aby rozpocząć charakterystykę próbek za pomocą spektroskopii UV-vis, otwórz oprogramowanie urządzenia i utwórz nowy plik. Pipetuj od dwóch do trzech mililitrów rozcieńczonej dyspersji nanoproszku do czystej, standardowej kuwety kwarcowej.Następnie ustaw zakres długości fali instrumentu od 700 nm do 200 nm. Pozyskaj widmo tła dla rozpuszczalnika w celu odjęcia tła. Pozyskaj co najmniej trzy widma dla każdej próbki i wyeksportuj dane do dalszej analizy.Następnie, aby rozpocząć charakterystykę próbki za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej, nanieś kroplę rozcieńczonej dyspersji nanoproszku na czystą dziurkowaną folię węglową o gęstości 300 mesh. Pozostaw próbkę do wyschnięcia na powietrzu w warunkach otoczenia, chroniąc ją przed zanieczyszczeniami z powietrza. Następnie przemyj siatkę wodą ultra czystą, aby usunąć efekty nierównomiernego schnięcia.Należy pozyskać obrazy TEM i wyeksportować je do dalszej analizy. Przed dyspersją nanomateriały tlenku cynku o hydrofilowych lub hydrofobowych profilach powierzchniowych wykazywały duże średnie rozmiary cząstek i wysoką polidyspersyjność. Rozmiar cząstek i polidyspersyjność hydrofilowego tlenku cynku zmniejszyły się po 15 minutach sonikacji w kąpieli ultradźwiękowej, jednak wzrosły wraz z dalszym prowadzeniem sonikacji.Obrazy TEM potwierdziły, że cząstki ponownie zagregowały podczas dalszej sonikacji. Poddanie hydrofobowych cząsteczek tlenku cynku kąpieli ultradźwiękowej doprowadziło do zmniejszenia rozmiaru cząstek oraz polidyspersyjności, co ustabilizowało się po 30 minutach. W obrazach TEM hydrofobowych tlenków cynku zaobserwowano efekty wysychania, co wskazuje, że wcześniejsze zwilżenie etanolem utrudniło unieruchomienie proszku na siatce węglowej.Obróbka proszku hydrofilowego za pomocą sondy ultradźwiękowej doprowadziła do uzyskania homogennej, stabilnej dyspersji po dwóch minutach. Dalsza sonikacja spowodowała szybką reaglomerację. Podobne zachowanie zaobserwowano w przypadku proszku hydrofobowego.Na podstawie wartości polidyspersyjności ustalono, że optymalne warunki dyspersji dla hydrofilowych i hydrofobowych proszków tlenku cynku to odpowiednio 60 i 30 minut obróbki w kąpieli ultradźwiękowej. Sonikacja jest powszechnie stosowana do aglomeracji i dyspersji nanomateriałów w mediach wodnych. Jednak strategia optymalizacji musi zostać ponownie dostosowana przy każdej zmianie rodzaju nanomateriału lub medium dyspersyjnego.Podczas wykonywania tej procedury należy pamiętać o kalibracji sonikatorów w celu określenia efektywnej energii akustycznej dostarczonej do zawiesiny. Należy zapisać wszystkie parametry sonikacji oraz analizowane punkty czasowe. Po opanowaniu ta technika może być wykorzystana do dyspersji nanomateriałów w wodzie lub innych mediach poprzez indywidualne dostosowanie rodzaju sonikacji, czasu i mocy, przy jednoczesnym uwzględnieniu wzrostu temperatury podczas procesu.

dispersion-nanomaterials-aqueous-media-towards-protocol

Research

JoVE Journal

Environment

Środowisko

Organiczne cząsteczki barwnika i nanocząstki nanocząsteczkowe pokryte kwasem oleinowym nie są rozpuszczalne w wodzie. Protokół ten opisuje metodę "plug and play", która umożliwia przenoszenie cząsteczek barwnika organicznego i przekształcanie cząstek w górę z ich początkowego rozpuszczalnika hydrofobowego do wody.

Metoda "plug and play" do tworzenia dyspergowalnych w wodzie nanozespołów zawierających amfifilowy polimer, barwniki organiczne i nanocząstki przekształcające się w górę

Schematy syntezy w celu przygotowania wysoce stabilnych nanocząsteczek włochatych na bazie włókien drzewnych i funkcjonalnych biopolimerów na bazie celulozy zostały szczegółowo opisane.

Wysoce stabilne, funkcjonalne włochate nanocząstki i biopolimery z włókien drzewnych: w kierunku zrównoważonej nanotechnologii

Przedstawiono protokół płynnego złuszczania warstwowych materiałów do nanoarkuszy, ich wyboru rozmiaru i pomiaru rozmiaru za pomocą technik mikroskopowych i spektroskopowych.

Przygotowanie ciekłych złuszczonych nanoarkuszy dichalkogenku metalu przejściowego o kontrolowanym rozmiarze i grubości: najnowocześniejszy protokół

Tutaj opisana jest nowatorska metoda funkcjonalizacji i stabilnej dyspersji nanomateriałów węglowych w środowisku wodnym. Ozon jest wstrzykiwany bezpośrednio do wodnej dyspersji nanomateriału węglowego, który jest stale recyrkulowany przez ogniwo ultradźwiękowe o dużej mocy.

Funkcjonalizacja i dyspersja nanomateriałów węglowych z wykorzystaniem przyjaznego dla środowiska procesu ozonolizy ultradźwiękowej

Ten artykuł opisuje proces dostrajania rozmiaru i gęstości sieciowania kowalencyjnie usieciowanych nanocząstek z liniowych poliestrów zawierających funkcjonalność wisiorka. Dostosowując parametry syntezy (masa cząsteczkowa polimeru, włączenie funkcjonalności wisiorka i równoważniki środków sieciujących), można osiągnąć pożądany rozmiar nanocząstek i gęstość usieciowania do zastosowań związanych z dostarczaniem leków.

Przestrajalność nanogąbek pod względem wielkości i gęstości usieciowania

Flash NanoPrecipitation (FNP) to skalowalne podejście do produkcji polimerowych nanocząstek typu rdzeń-powłoka. Opisano preparaty na skalę laboratoryjną do kapsułkowania terapii hydrofobowych lub hydrofilowych.

Nanoprecypitacja błyskawiczna do enkapsulacji związków hydrofobowych i hydrofilowych w nanocząstkach polimerowych

Opisany tutaj protokół ma na celu zmierzenie hydrodynamicznej średnicy sferycznych nanocząstek, a dokładniej nanocząstek złota, w środowisku wodnym za pomocą analizy śledzenia nanocząstek (NTA). Ta ostatnia polega na śledzeniu ruchu cząstek spowodowanym ruchami Browna i implementacji równania Stokesa-Einsteina w celu uzyskania średnicy hydrodynamicznej.

Analiza nanocząstek nanocząstek złota w środowisku wodnym poprzez porównanie międzylaboratoryjne

Przedstawiono szereg różnych procedur przygotowania nanocząstek do analizy powierzchni (odlewanie kroplowe, powlekanie wirowe, osadzanie z proszków i kriofiksacja). Omawiamy wyzwania, możliwości i możliwe zastosowania każdej z metod, w szczególności w odniesieniu do zmian we właściwościach powierzchni spowodowanych różnymi metodami przygotowania.

Przygotowanie nanocząstek do analizy ToF-SIMS i XPS

Przedstawiono protokół syntezy nanocząstek złota o średnicy ~12 nm (nanocząstek Au) w rozpuszczalniku organicznym. Nanocząstki złota są pokryte ligandami oleiloaminy, aby zapobiec aglomeracji. Nanocząstki złota są rozpuszczalne w rozpuszczalnikach organicznych, takich jak toluen.

Synteza nanocząstek złota

Nanocząsteczki lipidowe są opracowywane przy użyciu mikroprzepływowej platformy mieszania do enkapsulacji mRNA i DNA.

Formułowanie i charakteryzowanie nanocząstek lipidowych do dostarczania genów przy użyciu platformy mieszania mikroprzepływowego

Ten protokół szczegółowo opisuje syntezę nanokapsułek do późniejszego wykorzystania w żywicach fotopolimeryzowalnych do wolumetrycznego druku 3D z ułatwioną fuzją trypletową.

Synteza nanokapsułek Triplet Fusion Upconversion

Poznaj optymalizację dyspersji nanomateriałów w środowisku wodnym przy użyciu sonikacji i charakteryzacji w czasie rzeczywistym. Protokół poprawia stabilność i jednorodność nanocząstek cynku dla badań nanotoksykologicznych.

Dyspersja nanomateriałów w środowisku wodnym: w kierunku optymalizacji protokołu

Przeglądaj więcej filmów