Charakterystyka spektroskopowa UV-VIS nanomateriałów w środowisku wodnym
25 października 2021
To badanie przedstawia wyniki benchmarkingu dla porównania międzylaboratoryjnego (ILC) mającego na celu przetestowanie standardowej procedury operacyjnej (SOP) opracowanej dla dyspersji koloidowych złota (Au) charakteryzujących się spektroskopią ultrafioletowo-widzialną (UV-Vis), wśród sześciu partnerów z projektu H2020 ACEnano do przygotowania, pomiaru i analizy próbek.
Spektrofotometria UV-VIS jest dobrze znaną, łatwą w użyciu i niedrogą techniką pomiaru wielkości, stężenia, stanu agregacji i indeksu refrakcji nanomateriałów. UV-Vis zapewnia nieinwazyjne i szybkie badania przesiewowe i ocenę właściwości nanomateriałów w czasie rzeczywistym przy użyciu prostych pomiarów absorpcji. Promieniowanie UV-VIS jest wyjątkowo proste.
Próbki wymagają niewielkiego przygotowania, a oprogramowanie ma niewiele zmiennych i jest łatwe w użyciu. Włącz spektrometr UV-Vis na co najmniej 20 minut, aby lampa mogła się nagrzać. Załaduj oprogramowanie i wybierz Podłącz instrument Wybierz opcję Skanowanie widma w oknie trybu, które wyświetla tryby pracy.
W oprogramowaniu kliknij Instrument i przejdź do Ustawienia na pasku poleceń, wybierz Parametry dla Spectrum Scan, a następnie dostosuj ustawienia pomiaru. Przejdź do zakładki Instrument i wybierz ABS dla trybu danych i szerokości szczeliny 1.5. Przejdź do zakładki Skanowanie długości fali i ustaw początkową długość fali na 680 nanometrów, końcową długość fali na 380 nanometrów i prędkość skanowania na 400 nanometrów na minutę.
Po ustawieniu parametrów napełnij dwie kuwety jednym mililitrem ultra czystej wody i umieść je w uchwycie celi referencyjnej i sample tak, aby pokryły ścieżkę światła. Zamknij pokrywę przyrządu i kontynuuj ślepą kalibrację, wybierając opcję puste na pasku poleceń, a następnie wybierz przycisk OK. Weź podpróbkę o pojemności 500 mikrolitrów z każdej próbki nanocząstek złota i przygotuj rozcieńczenie z 500 mikrolitrami ultraczystej wody. Roztwory należy umieścić w jednomililitrowych kuwetach o końcowym stężeniu 25 mikrogramów na mililitr.
Uruchom ślepą kalibrację. Po ślepej próbie wymień jedną z ślepych kuwet w uchwycie celi na próbkę z nanocząstkami złota, pozostawiając kuwetę referencyjną nietkniętą. Wybierz opcję Rozpocznij pomiar na pasku poleceń, aby uruchomić skanowanie.
Uruchom trzy skany widma dla każdej rozcieńczonej próbki nanocząstek złota i nieznanej próbki. Wyodrębnij nieprzetworzone dane eksperymentalne dla każdego pomiaru w pliku zgodnym z arkuszem kalkulacyjnym. Wybierz Właściwość na skanowaniu, na pasku poleceń przejdź do karty Drukuj/Eksportuj, kliknij Dane, Widmo i parametry, a następnie naciśnij OK. Kliknij Zapisz na pasku poleceń i zapisz dane jako plik xls.
Zanotuj maksymalną długość fali absorpcji i lambda dla każdego z odczytów i zapisz je w dostarczonym szablonie. Wykreśl krzywą kalibracyjną ze średnią maksymalnego lambda w stosunku do wielkości nanocząstek, wybierając dane, wstaw wykres, wykres punktowy, dodaj linię trendu i krzywą wielomianową. Aby dołączyć równanie wielomianowe dla krzywej kalibracji, wybierz Opcje linii trendu i Wyświetl równanie na wykresie z paska poleceń.
Na koniec oblicz wielkość nieznanej próbki nanocząstek złota, izolując równanie wielomianowe od krzywej kalibracyjnej, aby dopasować średnią wartość nieznanej maksymalnej lambdy przy użyciu wyprowadzenia wzoru kwadratowego. Spośród sześciu laboratoriów, maksymalna długość fali wykazała ścisłą powtarzalność, podczas gdy wyniki maksymalnej absorbancji wykazały bardziej rozproszony zakres wartości danych dla różnych rozmiarów nanocząstek złota. Zakresy i ogólne średnie dla każdej wielkości nanocząstek złota są pokazane tutaj.
Maksymalna wartość Z-score dla lambda max została zgłoszona przez laboratorium trzecie dla nanocząstek o wielkości 5 nanometrów, a najwyższa wartość Z-score dla maksymalnej absorbancji została zgłoszona przez laboratorium pierwsze dla nanocząstek o wielkości 40 nanometrów. Większość partnerów obliczyła, że rozmiar nieznanej nanocząstki wynosi od 76 do 80 nanometrów, przy czym laboratorium piąte podało rozmiar odstający większy niż 109 nanometrów. Obliczono, że wskaźniki Z dla nieznanych rozmiarów wynoszą od minus 0,25 do minus 0,56 dla wszystkich laboratoriów, z jedynym wyjątkiem zgłoszonym przez laboratorium piąte, które wykazało najwyższy dodatni wynik Z wynoszący 2,03.
Upewnij się, że parametry i ustawienia zostały prawidłowo dostosowane. Rozcieńczone próbki muszą być przygotowane świeże przed pomiarem za pomocą UV-Vis. UV-Vis można łatwo połączyć z innymi narzędziami, takimi jak TEM, DLS i AFM, w celu pomiaru szerokiej gamy atrybutów, jeśli użytkownicy chcą bardziej kompleksowo scharakteryzować swoją próbkę.
Przegląd
Niniejsze badanie stanowi punkt odniesienia dla porównania międzylaboratoryjnego (ILC) w celu oceny standardowej procedury operacyjnej (SOP) dla dyspersji koloidalnych złota (Au) z wykorzystaniem spektroskopii UV-Vis. W badaniu wzięło udział sześciu partnerów z projektu H2020 ACEnano, koncentrując się na przygotowaniu próbek, pomiarach oraz analizie wyników.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Nanomateriały
- Chemia analityczna
- Porównania międzylaboratoryjne
Wstęp
- Spektrofotometria UV-Vis jest powszechnie stosowaną techniką charakteryzacji nanomateriałów.
- Metoda ta jest nieinwazyjna i umożliwia ocenę charakterystyki próbek w czasie rzeczywistym.
- Proste pomiary absorbancji dostarczają informacji o rozmiarze, stężeniu i stanie agregacji.
- Standardowe procedury operacyjne są niezbędne do uzyskania spójnych wyników w różnych laboratoriach.
Cel badania
- W celu przeprowadzenia benchmarkingu SOP dla dyspersji koloidów złota pomiędzy wieloma laboratoriami.
- W celu oceny powtarzalności i wiarygodności pomiarów UV-Vis.
- W celu analizy wyników i zidentyfikowania rozbieżności w pomiarach wielkości nanocząstek.
Zastosowane metody
- Przygotowanie próbek i rozcieńczeń nanocząsteczek złota.
- Kalibracja spektrometru UV-Vis i pomiary tła.
- Wykonanie wielokrotnych skanów widma dla każdej próbki.
- Ekstrakcja i analiza danych w celu określenia rozmiarów nanocząsteczek.
Główne wyniki
- Wysoka powtarzalność pomiarów maksymalnej długości fali pomiędzy laboratoriami.
- Zmienność wyników maksymalnej absorbancji dla różnych rozmiarów nanocząstek.
- Większość laboratoriów oszacowała nieznane rozmiary nanocząstek w przedziale od 76 do 80 nanometrów.
- Laboratorium piąte zgłosiło wartość odstającą w postaci rozmiaru 109 nanometrów.
Wnioski
- Badanie podkreśla znaczenie ustandaryzowanych procedur pomiarów UV-Vis.
- Rozbieżności w danych absorbancji wskazują na konieczność przeprowadzenia dalszych badań.
- Współpraca między laboratoriami może zwiększyć dokładność i wiarygodność pomiarów.
Często zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Spektroskopia UV-Vis umożliwia szybki, nieinwazyjny screening wielkości, stężenia i stanu agregacji nanomateriałów, wspierając wczesną charakterystykę fizykochemiczną w rozwoju nanomedycyny. Zstandaryzowane protokoły poprawiają powtarzalność badań między laboratoriami, zmniejszając zmienność w przedklinicznej ocenie nanomateriałów. Zwiększa to pewność predykcyjną podczas wyboru wiodących kandydatów i ogranicza ryzyko związane z niespójnym zachowaniem nanomateriałów w systemach biologicznych.
Zastosowania strategiczne w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia badanie fizykochemicznych właściwości nanomateriałów, które wpływają na oddziaływania biologiczne i wiązanie z celem.
- Wartość operacyjna: Zapewnia szybką i niskokosztową wstępną ocenę w celu wyłonienia priorytetowych kandydatów wśród nanomateriałów do dalszej ewaluacji.
Przesiewanie i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Generuje ilościowe dane absorpcyjne odpowiednie do wyznaczania krzywych kalibracyjnych oraz zależności między rozmiarem a stężeniem.
- Wartość operacyjna: Wspiera standaryzację analizy poprzez zdefiniowane zakresy długości fali, prędkości skanowania i szerokości szczelin, co zapewnia spójność pomiarów.
- Wartość strategiczna: Ułatwia przygotowanie do wysokoprzepustowego przesiewu poprzez umożliwienie monitorowania agregacji i stabilności w czasie rzeczywistym.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Dostarcza powtarzalnych parametrów wielkości i agregacji, które są kluczowe dla korelacji właściwości nanomateriałów z wynikami skuteczności przedklinicznej i toksyczności.
- Wartość operacyjna: Umożliwia porównywanie danych między laboratoriami przy zachowaniu standardowych procedur operacyjnych (SOP), co wspiera wieloośrodkowe badania przedkliniczne.
Integracja potoku i przepływu pracy
Charakterystyka UV-Vis wpisuje się w kontinuum procesów odkrywczych – od początkowej syntezy nanomateriałów po ocenę przedkliniczną, szczególnie gdy jest zintegrowana z technikami ortogonalnymi, takimi jak TEM lub DLS, w celu kompleksowego profilowania.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez dotyczących tego, jak rozmiar i agregacja wpływają na wychwyt komórkowy oraz wiązanie z celem.
- Przesiewanie: Umożliwia przygotowanie testu poprzez zapewnienie szybkiej informacji zwrotnej w czasie rzeczywistym na temat stabilności nanomateriału podczas inkubacji związku.
- Analityka: Dostarcza wyniki lambda max i absorbancji, które pozwalają na oszacowanie rozmiaru i stanu agregacji za pomocą krzywych kalibracyjnych.
- Badania translacyjne: Zapewnia ciągłość przedkliniczną, oferując ustandaryzowaną metodę śledzenia właściwości nanomateriałów w różnych warunkach formulacji i przechowywania.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Stanowi skalowalną, wielokrotnego użytku funkcjonalność w zakresie kontroli jakości nanomateriałów na etapach odkrywania i rozwoju.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność przewidywań dotyczących zachowania nanomateriałów poprzez redukcję niejednoznaczności mechanistycznej wynikającej ze słabo scharakteryzowanych próbek.
- Wartość operacyjna: Sprzyja standaryzacji, odtwarzalności i skalowalności w różnych laboratoriach i projektach.
- Wartość strategiczna: Usprawnia podejmowanie decyzji o kontynuacji lub przerwaniu badań (go/no-go) dzięki dostarczeniu wiarygodnych danych fizykochemicznych na wczesnym etapie rozwoju.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację skorygowaną o ryzyko w oparciu o spójne profile wielkości i agregacji.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wymaga wiedzy specjalistycznej w zakresie spektrofotometrii oraz obchodzenia się z nanomateriałami w celu zapewnienia właściwego przygotowania próbek i kalibracji urządzenia.
- Zależy od stabilności źródła światła i dokładności długości fali, co wymaga regularnego rozgrzewania i konserwacji instrumentu.
- Wymaga uzgodnienia standardowych procedur operacyjnych (SOP) między zespołami w zakresie czynników rozcieńczania, doboru kuwet i formatów eksportu danych w celu zapewnienia porównywalności wyników.
- Należy uwzględnić ograniczenia w wykrywaniu nanomateriałów o rozmiarach poniżej 5 nm lub w złożonych matrycach biologicznych bez uprzedniego oczyszczania.
- W przypadku, gdy sama spektroskopia UV-Vis jest niewystarczająca, zaleca się integrację z technikami komplementarnymi (np. TEM, DLS) w celu pełnej charakterystyki fizykochemicznej.
