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Bioengineering

Fracionamento de fluxo de fluxo assimétrico para dimensionamento de nanopartículas de ouro em suspensão

Published: September 11, 2020 doi: 10.3791/61757

Summary

Este protocolo descreve o uso de Fracionamento de Fluxo de Fluxo Assimétrico, juntamente com a detecção UV-vis para a determinação do tamanho de uma amostra de nanopartículas de ouro desconhecida.

Abstract

O tamanho das partículas é, sem dúvida, o parâmetro físico-químico mais importante associado à noção de uma nanopartícula. O conhecimento preciso do tamanho e tamanho da distribuição das nanopartículas é de extrema importância para várias aplicações. A faixa de tamanho também é importante, pois define o componente mais "ativo" de uma dose de nanopartícula.

O Fracionamento de Fluxo de Fluxo Assimétrico (AF4) é uma técnica poderosa para dimensionamento de partículas em suspensão na faixa de tamanho de aproximadamente 1-1000 nm. Existem várias maneiras de obter informações de tamanho de um experimento AF4. Além de acoplar o AF4 on-line com detectores sensíveis ao tamanho com base nos princípios de Dispersão de Luz Multi-Ângulo ou Dispersão Dinâmica de Luz, há também a possibilidade de correlacionar o tamanho de uma amostra com seu tempo de retenção usando uma abordagem teórica bem estabelecida (teoria FFF) ou comparando-a com os tempos de retenção de padrões de tamanho de partículas bem definidos (calibração de tamanho externo).

Descrevemos aqui o desenvolvimento e validação interna de um procedimento operacional padrão (SOP) para dimensionamento de uma amostra de nanopartículas de ouro desconhecida pela AF4, juntamente com a detecção UV-vis usando calibração de tamanho externo com padrões de nanopartículas de ouro na faixa de tamanho de 20-100 nm. Este procedimento fornece uma descrição detalhada do fluxo de trabalho desenvolvido, incluindo preparação e qualificação de instrumentos AF4, desenvolvimento e fracionamento do método AF4 e fracionamento da amostra de nanopartículas de ouro desconhecida, bem como a correlação dos resultados obtidos com a calibração de tamanho externo estabelecida. O SOP descrito aqui foi eventualmente validado com sucesso no quadro de um estudo de comparação interlaboratorial destacando a excelente robustez e confiabilidade do AF4 para o dimensionamento de amostras de nanopartículas em suspensão.

Introduction

As nanopartículas de ouro (AuNP) na forma de ouro coloidal tinham sido parte da cultura humana muito antes de haver uma compreensão do que eram as nanopartículas e antes do termo nanopartícula ter encontrado seu caminho para o vocabulário científico contemporâneo. Sem conhecimento distinto de sua aparência nanoescala, a AuNP suspensa já havia sido usada para fins médicos e outros na China antiga, Arábia e Índia nos séculos V-VI a.C.1, e também os antigos romanos aproveitaram sua cor vermelha rubi para manchar famosamente sua cerâmica na exposição da Copa Lycurgus no Museu Britânico2. No mundo ocidental, ao longo dos séculos, da Idade Média à Era Moderna, o AuNP suspenso foi predominantemente usado como agentes de coloração para vidro e esmalte (Roxo de Cássio)3, bem como para tratar uma variedade de doenças (Ouro Potável), especialmente sífilis4.

No entanto, todos esses estudos tinham focado principalmente na aplicação da AuNP suspensa e cabeu a Michael Faraday em 1857 introduzir a primeira abordagem racional para investigar sua formação, sua natureza, bem como suas propriedades5. Embora Faraday já estivesse ciente de que esses AuNP devem ter dimensões muito minuciosas, não foi até o desenvolvimento de microscopia eletrônica quando informações explícitas sobre sua distribuição de tamanho estavam acessíveis6,7, eventualmente permitindo a correlação entre tamanho e outras propriedades AuNP.

Hoje em dia, graças à sua síntese bastante fácil e simples, propriedades ópticas notáveis (ressonância de plasmon superficial), boa estabilidade química e, portanto, menor toxicidade, bem como sua alta versatilidade em termos de tamanhos disponíveis e modificações de superfície, a AuNP encontrou aplicações generalizadas em campos como nanoeletrônica8, diagnóstico9,terapia oncológica10, ou entrega de medicamentos11. Obviamente, para essas aplicações, o conhecimento preciso do tamanho e da distribuição de tamanho do AuNP aplicado é um pré-requisito fundamental para garantir a eficácia ideal12 e há uma demanda substancial por ferramentas robustas e confiáveis para determinar este parâmetro físico-químico crucial. Hoje, há uma infinidade de técnicas analíticas capazes de dimensionar AuNP em suspensão, incluindo, por exemplo, Espectroscopia de massa de plasma UV-vis (UV-vis)13, Dispersão dinâmica de luz (DLS)14 ou Espectrometria de Massa de Plasma Indutivamente Acoplada (spICP-MS)15 com Fracionamento de Fluxo de Campo (FFF) sendo um jogador-chave neste campo16,17,18,19,20.

Primeira conceitualizada em 1966 por J. Calvin Giddings21, FFF compreende uma família de técnicas de fracionamento baseadas em eluição, onde a separação ocorre dentro de um canal fino, semelhante a uma fita, sem uma fase estacionária22,23. Em FFF, a separação é induzida pela interação de uma amostra com um campo de força externa que age perpendicularmente à direção de um fluxo de canal laminar, no qual a amostra é transportada rio abaixo geralmente para respectivos detectores in-line. Entre essas técnicas relacionadas fff, O Fracionamento de Fluxo de Fluxo Assimétrico (AF4), onde um segundo fluxo (fluxo cruzado) atua como campo de força, tornou-se o subtipo24mais utilizado . No AF4, a parte inferior do canal (parede de acumulação) é equipada com uma membrana de ultrafiltração semipermeável que é capaz de reter a amostra, permitindo simultaneamente que o fluxo cruzado passe pela membrana e deixe o canal através de uma saída extra. Por isso, o fluxo cruzado pode empurrar a amostra para a parede de acumulação, contrariando assim seu fluxo induzido por difusão (movimento browniano). Em um equilíbrio resultante de fluxos induzidos por campo e difusão; Constituintes de amostra menores que apresentam maiores coeficientes de difusão se alinham mais perto do centro do canal, enquanto constituintes de amostra maior que exibem coeficientes de difusão mais baixos se localizam mais perto da parede de acumulação. Devido ao perfil de fluxo parabólico dentro do canal, os componentes amostrais menores são, portanto, transportados na laminae mais rápida do fluxo do canal e elute antes de constituintes maiores da amostra. Usando o parâmetro de retenção de FFF e as equações do coeficiente de difusão de Stokes-Einstein, o tempo de eluição e, respectivamente, o volume de eluição, de uma amostra em AF4 podem então ser traduzidos diretamente para o seu tamanho hidrodinâmico22. Aqui, o comportamento de elução descrito refere-se ao modo de elução normal e geralmente é válido para AF4 dentro de uma faixa de tamanho de partícula entre aproximadamente 1-500 nm (às vezes até 2000 nm, dependendo das propriedades de partículas e parâmetros de fracionamento), enquanto a eluição esterica-hipercamada geralmente ocorre acima deste limite de tamanho25.

Existem três maneiras comuns de obter informações de tamanho após a separação por FFF. Uma vez que o FFF é um instrumento modular, ele pode ser combinado a jusante com vários detectores, como detectores de dispersão de luz sensíveis ao tamanho com base no princípio da Dispersão de Luz Multi-Ângulo (MALS)26,27, Dispersão dinâmica de luz (DLS)28,29, ou até mesmo uma combinação de ambos para obter informações adicionais de forma30,31. No entanto, uma vez que o comportamento de retenção de uma amostra em um canal FFF é geralmente regido por forças físicas bem definidas, o tamanho também pode ser calculado usando uma abordagem matemática (teoria FFF), onde um simples detector de concentração (por exemplo, um detector UV-vis) é suficiente para indicar a presença de uma amostra de elutração32,33.

Como terceira opção, informamos aqui a aplicação de uma calibração de tamanho externo34,35 usando padrões AuNP bem definidos na faixa de tamanho de 20-100 nm para dimensionamento de uma amostra de nanopartículas de ouro desconhecida na suspensão usando AF4 juntamente com a detecção UV-vis. Esta simples configuração experimental foi escolhida de propósito para permitir que o maior número possível de laboratórios se juntasse a uma comparação interlaboratória internacional (ILC), que mais tarde foi realizada no quadro do projeto ACEnano da União Europeia 2020 com base no protocolo aqui apresentado.

Protocol

1. Configuração do sistema AF4

  1. Monte o cartucho AF4 e conecte todos os componentes de hardware do sistema AF4 e do detector UV-vis(Tabela de Materiais)seguindo as instruções dadas no manual do fabricante.
  2. Instale todos os pacotes de software necessários para controle, aquisição de dados, processamento e avaliação seguindo as instruções fornecidas no manual do fabricante.
  3. Certifique-se de que todas as conexões de sinal necessárias entre o sistema AF4 e o detector UV-vis foram estabelecidas.
  4. Certifique-se de que as conexões AF4-UV-vis estabelecidas são apertadas e sem vazamentos, lavando a configuração com água ultrauso (UPW) por 15 min (taxa de fluxo de ponta 1 mL∙min-1, taxa de fluxo de foco 1 mL∙min-1, e taxa de fluxo cruzado de 1,5 mL∙min-1). Para isso, abra o software de controle AF4 e insira as taxas de fluxo nos respectivos painéis no lado superior direito da página de pouso. Aperte os respectivos conectores (encaixes), se necessário, e repita o procedimento até que não haja vazamentos observáveis.
    NOTA: A pressão interna do sistema durante todas as medições deve ser monitorada e deve estar dentro de 4 a 12 barras. Caso a pressão seja maior ou menor, a tubulação de pressão traseira precisa ser ajustada. Além disso, a tendência de pressão do canal deve ser constante durante o tempo completo de medição.
    NOTA: Se um forno de canal estiver disponível, defina sua temperatura para 25 °C para garantir condições de medição comparáveis em todos os experimentos AF4.

2. Elaboração de soluções e suspensões para qualificação do sistema AF4-UV-vis e análise de amostras

  1. Solução de limpeza
    1. Adicione 8 g de hidróxido de sódio sólido (NaOH) e 2 g de sulfato de dodecim de sódio (SDS) a 1 L de UPW e mexa a solução até a dissolução total.
  2. Eluente
    1. Adicione 500 μL de mistura de surfactante filtrada a 2 L de UPW filtrada e desgaseada para obter o eluente (0,025% (v/v), pH em torno de 9,4).
      NOTA: Uma descrição detalhada dos compostos da mistura surfactante é dada na Tabela 1 (também Tabela de Materiais).
  3. Padrão de tamanho AuNP arbitrário para determinação de recuperação em massa
    1. Vórtice um padrão de tamanho AuNP arbitrário (50 mg∙L-1) por 2 min e diluí-lo 1:4 com UPW para obter uma concentração de massa final de 12,5 mg∙L-1. Vórtice por mais 2 minutos após a diluição para homogeneizar a suspensão obtida.
      ATENÇÃO: São necessárias medidas de precaução necessárias e equipamentos de proteção adequados ao trabalhar com produtos químicos, especialmente pelotas NaOH.
      NOTA: É geralmente recomendado desaparar e filtrar todas as soluções necessárias (exceto a solução de limpeza) usando um filtro de membrana de 0,1 μm (PVDF hidrofílico ou similar) para garantir baixos fundos de partículas durante os experimentos AF4-UV-vis. Isso pode ser estabelecido por uma unidade de filtragem de vácuo dedicada ou usando filtros de seringa.

3. Qualificação do sistema AF4-UV-vis

  1. Use as configurações de software descritas na etapa 1.4 para lavar o sistema com a solução de limpeza por 30 minutos (Taxa de fluxo de ponta 1 mL∙min-1, taxa de fluxo focus 1 mL∙min-1, e taxa de fluxo Cross 1,5 mL∙min-1).
  2. Altere a respectiva garrafa eluente e lave o sistema com UPW por 20 min (Taxa de fluxo de ponta 1 mL∙min-1, Taxa de fluxo Focus 1 mL∙min-1, e fluxo Cross 1,5 mL∙min-1).
  3. Substitua os respectivos filtros de bomba inline.
  4. Abra o cartucho AF4 e substitua a membrana AF4. Remonte o cartucho AF4 e reconecte-o com o sistema AF4-UV-vis.
  5. Lave o sistema AF4-UV-vis limpo com o eluente por pelo menos 30 minutos, a fim de equilibrar a membrana e estabilizar o sistema (Taxa de fluxo de ponta 1 mL∙min-1, taxa de fluxo focus 1 mL∙min-1, e fluxo cruzado de 1,5 mL∙min-1). Verifique se há possíveis vazamentos novamente (ver passo 1.4).
  6. Qualifique o sistema AF4-UV-vis determinando a recuperação em massa e a variação do tempo de retenção usando um padrão de tamanho AuNP arbitrário.
    1. Realize uma execução de injeção direta sem a aplicação de uma força de separação.
      1. Crie um novo arquivo de medição abrindo o Arquivo | Nova | Execute no software de controle AF4.
      2. Defina a descrição da amostra e da medição, bem como o volume de injeção e o nome da amostra na guia Executar. As condições de medição são exibidas na Tabela 2.
      3. Defina os parâmetros de medição no método FFF da segunda aba de acordo com a Tabela 2.
      4. Clique no botão Executar para iniciar a medição.
    2. Realize uma execução fracionada com a aplicação de uma força de separação (fluxo cruzado).
      1. Defina o método de fracionamento descrito na seção anterior utilizando as condições de fracionamento especificadas na Tabela 3.
      2. Clique no botão Executar para iniciar a medição.
      3. Realize a medição em quadruplicação.
        NOTA: A primeira execução visa condicionar o sistema (ou seja, a membrana AF4) e será excluída da avaliação final dos resultados de qualificação do sistema.
        NOTA: Recomenda-se salvar todos os arquivos gerados abrindo | de arquivos Salve no software de controle AF4.
      4. Considere o sistema AF4-UV-vis qualificado se uma recuperação em massa de >80% e uma variação do tempo de retenção <2% for obtida para o padrão de tamanho AuNP arbitrário.
      5. Ao usar um autosampler como sistema de injeção, encha o frasco do reservatório de lavagem de agulhas do autosampler com a mesma solução que é bombeada através do sistema AF4-UV-vis (por exemplo, solução de limpeza, UPW ou respectivo eluente) para garantir condições ideais de execução. Ao alterar o eluente, é geralmente recomendável seguir o reevolumento do sistema AF4 monitorando o sinal do detector UV-vis até que sua linha de base permaneça estável em um nível constante.

4. ANÁLISE AMOSTRA AF4-UV-vis

  1. Prepare todos os padrões de tamanho AuNP para calibração de tamanho externo, vórtice da respectiva suspensão AuNP (20 nm, 40 nm, 80 nm, 100 nm, cada 50 mgs. L-1) por 2 min e diluí-lo 1:4 com UPW para obter uma concentração de massa final de 12,5 mg∙L-1. Vórtice por mais 2 minutos após a diluição para homogeneizar as suspensões obtidas.
  2. Prepare a amostra AuNP desconhecida para análise aplicando o mesmo procedimento das normas de calibração descritas na etapa 4.1.
  3. Realize uma medição de injeção direta de todos os padrões de tamanho AuNP usando o método AF4 exibido na Tabela 2.
    1. Para isso, insira os respectivos valores resumidos na Tabela 2 no software do fabricante nas posições apropriadas para definir os parâmetros de separação e amostra e pressione o botão Executar para iniciar o experimento.
  4. Fracionar cada padrão de tamanho AuNP individualmente usando o método AF4 exibido na Tabela 3 para estabelecer a função de calibração de tamanho externo.
    1. Digite os respectivos valores resumidos na Tabela 3 no software do fabricante nas posições apropriadas. O método de fracionamento é definido por uma etapa de focalização, várias etapas de elução e uma etapa de lavagem. Depois de configurar o método, pressione o botão Executar para iniciar o experimento.
  5. Realize uma medição de injeção direta da amostra AuNP desconhecida usando o método AF4 exibido na Tabela 2.
  6. Realize o fracionamento da amostra AuNP desconhecida realizando o método AF4 listado na Tabela 3.
  7. Realizar todas as medições mencionadas nas Seções 3 e 4 em triplicado, a menos que seja declarado de outra forma para garantir resultados significativos e estatisticamente relevantes.
    1. Armazene 50 mg∙L-1 Suspensões de estoque AuNP a 4-8 °C antes de usar. As suspensões AuNP diluídas são preparadas idealmente dentro de 30 minutos antes da aplicação.
      NOTA: O vórtice é geralmente suficiente e não é necessária ultrassônica das suspensões.
    2. A fim de permitir uma correlação do tempo de retenção da amostra AuNP desconhecida com os tempos de retenção obtidos para os padrões de tamanho AuNP, meça todas as amostras usando o mesmo método AF4.
      NOTA: Para assegurar condições de separação constantes e válidas, inclua/repita a etapa de fracionamento descrita na seção de qualificação do sistema (ver etapa 3.6.2) após um número definido de medidas amostrais (por exemplo, 10 medidas). Além disso, registra a pressão do sistema e a estabilidade da linha de base do detector UV-vis. Eles devem permanecer estáveis e constantes ao longo de uma corrida COMPLETA AF4-UV-vis.
      NOTA: Normalmente, substitua a membrana de ultrafiltração quando o detector UV-vis (ou detector de dispersão de luz multi ângulo (MALS), se disponível) mostrar um nível de ruído aumentado ou os critérios de qualificação do sistema definidos, como recuperação, forma de pico da amostra ou capacidade de repetição, foram submetidos a um procedimento de limpeza completo). Nas condições aqui descritas, o sistema AF4-UV-vis qualificado é geralmente estável para pelo menos 50 medições usando a mesma membrana; no entanto, o número de possíveis medidas consecutivas atendendo aos critérios de qualidade definidos pode variar significativamente dependendo da amostra, matriz amostral e composição eluente.

5. Avaliação de dados

  1. Realize o cálculo de recuperação em massa utilizando o software de avaliação de dados fornecido pelo fabricante do sistema AF4-UV-vis ou análise de planilha após a exportação de todos os dados brutos necessários (ou seja, área de pico UV-vis) do respectivo software de aquisição de dados seguindo as instruções dadas no manual do fabricante.
    1. Calcule a recuperação de massa AuNP comparando as áreas sob os respectivos picos UV-vis da medição de fracionamento (Afracionamento) e a medição de injeção direta (Umainjeção direta)usando a seguinte equação:
      Equation 2
      NOTA: Durante uma medição de injeção direta, nenhuma força de separação é aplicada e, portanto, interações potenciais de uma espécie analito com a parede de acumulação podem ser negligenciadas. A área sob um respectivo pico UV-vis pode ser diretamente correlacionada com a massa AuNP usando a lei Beer-Lambert assumindo que nenhuma outra espécie dentro da amostra absorve no respectivo comprimento de onda e/ou i) elutes em outro tempo de retenção sob condições de fracionamento ii) é removida através da membrana AF4.
    2. Importar os arquivos dat. obtidos tanto da injeção direta quanto do fracionamento executado.
    3. Selecione o traço do detector UV-vis na guia Visão geral.
    4. Defina uma Região de Interesse (ROI) e uma linha de base no sinal e na visão da linha de base para todas as medições.
    5. Insira uma calibração de injeção direta via Insert.
    6. Selecione todas as correções de injeção direta na exibição de configurações de calibração de injeção direta e digite um coeficiente de extinção UV.
      NOTA: É importante utilizar o mesmo coeficiente de extinção UV-vis tanto para a calibração quanto para a medição do fracionamento.
    7. Estabeleça a linha de calibração utilizando a área sob o traço de sinal UV-vis dentro do ROI e a quantidade injetada calculada a partir da concentração inserida e do volume de injeção. A calibração obtida será mostrada na janela separada da função de calibração da injeção direta.
    8. Atribua a função de calibração às respectivas medidas de fracionamento.
      NOTA: Para cada padrão de tamanho de calibração e a amostra AuNP desconhecida, uma função de calibração separada precisa ser estabelecida devido à absorção UV-vis dependente do tamanho do AuNP. Esta desvantagem do detector UV-vis pode ser contornada usando um detector sensível à massa, como um ICP-MS.
    9. Realize as análises inserindo um cálculo de Resultados Quantitativos e os resultados serão exibidos dentro de uma tabela à direita como valores de concentração e valores injetados.
  2. Calcule a variação do tempo de retenção utilizando o software de avaliação de dados fornecido pelo fabricante do sistema AF4 ou análise de planilha após a exportação de todos os dados brutos necessários (ou seja, tempos de retenção dos padrões de calibração AuNP no respectivo pico UV-vis maxima e respectivos tempos de vazio) a partir do respectivo software de aquisição de dados seguindo as instruções dadas no manual do fabricante.
    1. Abra a janela Visão Geral para exibir os respectivos traços UV para todas as medidas importadas.
    2. A detecção de pico será realizada automaticamente; ajustar os parâmetros de detecção de pico dentro da caixa de ferramentas de processamento de sinal para otimizar o desempenho. Extrair o respectivo pico máximo através de todos os arquivos de medição.
    3. Calcule o desvio padrão relativo para todas as medidas usando a seguinte equação:
      Equation 1
      O cálculo também pode ser realizado utilizando um respectivo software de planilha.
  3. Execute a determinação de tamanho utilizando o software de avaliação de dados fornecido pelo fabricante ou análise de planilha após a exportação de todos os dados brutos necessários (tempo de retenção no pico máximo de analito e respectivo tempo de vazio) do respectivo software de aquisição de dados seguindo as instruções dadas no manual do fabricante. Uma função de calibração de tamanho externo pode ser estabelecida plotando os tempos de retenção corrigidos pelo tempo de vazio (tempos de retenção líquida, ver Tabela 5) dos padrões de tamanho AuNP (20 nm, 40 nm, 80 nm, 100 nm) contra seus tamanhos hidrodinâmicos obtidos a partir de medições DLS previamente realizadas (ver Tabela 4).
    NOTA: As medidas de DLS devem ser realizadas idealmente no mesmo dia das respectivas medidas de fracionamento para garantir propriedades amostrais comparáveis.
    1. Depois de importar os arquivos .dat todas as medidas são exibidas na guia Visão geral. Selecione o sinal do detector UV-vis da lista de detectores, que é exibido abaixo da janela de sobreposição. Defina um ROI e uma linha de base para cada medição, que pode ser ajustado na exibição sinal e linha de base. Use a caixa de ferramentas de processamento de sinal à direita para suavizar sinais barulhentos. Use os Parâmetros de Processamento de Atribuição para outras funções de Execuções para permitir que os parâmetros sejam alocados em outras medições, respectivamente sinais.
    2. Selecione a calibração do tamanho da partícula na guia Inserir.
    3. Selecione todas as corridas de calibração clicando na respectiva medição na tabela Selecionar referências para calibração no lado superior direito. Todas as medidas selecionadas serão exibidas em uma tabela abaixo. Digite o raio hidrodinâmico para todas as medidas de calibração especificadas na Tabela 4. A função será exibida na calibração do tamanho das partículas – Janela de função e a equação também serão mostradas.
      NOTA: O coeficiente de correlação (R2) da função de calibração de tamanho estabelecida deve ser ≥0.990.
    4. Atribua a função de calibração às medidas da amostra AuNP desconhecida, selecionando os respectivos fracionamentos dentro da lista Select Runs for Assignment.
    5. Mostre os resultados abrindo um cálculo de distribuição de tamanho de partícula dentro da guia de inserção. A calibração do tamanho da partícula previamente criada será listada como calibração para as medições de amostra AuNP desconhecidas, que é exibida nas configuraçõesda janela direita . O tamanho calculado será mostrado na janela de distribuição de tamanho rotulada ao máximo de pico. Selecione a caixa de seleção de sinais médios para amostra para mediar todas as medidas de uma amostra e liste o resultado no rótulo máximo de pico.
    6. Além disso, plote a linha de calibração sobre o fractograma selecionando a caixa de seleção da curva de calibração Show. Uma distribuição de tamanho cumulativo está disponível selecionando a caixa de seleção de distribuição cumulativa Show.
      NOTA: Ao usar o software do fabricante para avaliação de dados, recomenda-se adicionar todos os resultados a um relatório, que pode ser gerado clicando em Relatório dentro da guia Inserir. O botão Relatório adiciona todos os resultados, tabelas e diagramas a um documento. Na guia Relatório, as configurações do relatório podem ser alteradas abrindo a configuração do relatório na seção Documento.

Representative Results

Primeiro, os padrões de tamanho AuNP foram fracionados pelo AF4 e detectados por UV-vis medindo a absorção do AuNP em um comprimento de onda de 532 nm (ressonância de plasmon superficial de AuNP). Uma sobreposição dos fractogramas obtidos é apresentada na Figura 1. Os tempos de retenção de cada AuNP em seu respectivo pico UV-vis máximo obtido a partir de medições triplicadas estão listados na Tabela 5. O desvio padrão relativo de todos os tempos de retenção foi inferior a 1,1% com uma variação de medição decrescente com o aumento do tamanho. No geral, uma excelente repetibilidade foi alcançada. Foi aplicada uma força de separação constante, o que resultou em uma relação linear do tempo de elução e do tamanho hidrodinâmico. A linha de calibração de tamanho externo foi estabelecida plotando o raio hidrodinâmico especificado contra o tempo de eluição corrigido pelo tempo de vazio (tempo de retenção líquida). Uma análise de regressão linear resultou em uma função de calibração linear com uma interceptação a = -3,373 nm ± 1,716 nm e uma inclinação b = 1,209 nm∙min-1 ± 0,055 nm∙min-1. O comportamento linear da elução foi confirmado com coeficiente de correlação quadrado R2 de 0,9958. A respectiva função de calibração é exibida visualmente na Figura 2.

A segunda parte tratou da análise da amostra AuNP desconhecida. Três alíquotas da amostra foram preparadas de acordo com o procedimento descrito na seção de protocolo (seção 4.2). Cada uma das três alíquotas foi investigada em triplicado utilizando o mesmo método de fracionamento AF4 que também foi aplicado para as normas de tamanho AuNP. Todos os nove fractogramas AF4-UV-vis obtidos da amostra AuNP desconhecida são apresentados na Figura 3 e suas respectivas avaliações são resumidas na Tabela 6. O desvio padrão relativo dos respectivos tempos de retenção foi significativamente baixo e variou entre 0,1% e 0,5%. Utilizando-se a função de calibração do tamanho da partícula obtida a partir do fracionamento das normas de tamanho AuNP e correlacionando-a com os tempos de retenção obtidos da amostra AuNP desconhecida no máximo pico UV-vis, um raio hidrodinâmico médio global de 29,4 nm ± 0,2 nm poderia ser calculado. Além disso, obteve-se uma recuperação razoável de massa de 83,1% ± 1,2% indicando nenhuma aglomeração ou dissolução significativa da amostra de AuNP ou uma considerável adsorção de partículas na superfície da membrana. A Figura 4 exibe a distribuição do tamanho da partícula obtida com todos os nove traços de sinal UV-vis medianos, destacando a excelente robustez do método AF4 aplicado.

Figure 1
Figura 1: Fractogramas AF4-UV-vis obtidos a partir da análise triplicada dos quatro padrões individuais de calibração de tamanho AuNP com intensidades de sinal normalizadas e taxa de fluxo cruzado constante aplicada (linha preta). O pico vazio é destacado em cinza em torno de 5,9 min. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2: Obteve função de calibração de tamanho externo, incluindo barras de erro derivadas dos respectivos desvios padrão das medidas DLS(Tabela 4) e variâncias nos tempos de retenção AF4 obtidos(Tabela 5),após traçar o raio hidrodinâmico especificado contra o tempo de retenção de cada padrão de calibração de tamanho AuNP individual em seu respectivo máximo pico. Uma função de calibração linear com erros padrão na forma de y = a + bx com a = -3,373 nm ± 1,716 nm e b = 1,209 nm·min-1 ± 0,055 nm·min-1 foi calculado a partir de uma análise de regressão linear. Foi determinado um coeficiente de correlação ao quadrado com R2 = 0,9958, indicando uma relação linear. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3: AF4-UV-vis fractogramas de medidas triplicadas de três alíquotas exibindo o AuNP desconhecido. A taxa de fluxo cruzado constante aplicada ao longo do tempo de medição é ilustrada como uma linha preta. O pico vazio em torno de 5,9 min é destacado em cinza. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 4
Figura 4: Sobreposição da distribuição média de tamanho de partícula obtida (vermelho) da amostra AuNP desconhecida e da função de calibração linear aplicada (linha pontilhada). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Componente CAS-Não Peso (%)
Água 7732-18-5 88.8
9-Ácido octadecenômico (Z)-, composto com 2,2',2''-nitrilotris[etanol](1:1) 2717-15-9 3.8
Carbonato de sódio 497-19-8 2.7
Álcoois, C12-14-secundários, etoxilatados 84133-50-6 1.8
Tetrassódio EDTA 64-02-8 1.4
Polietileno glicol 25322-68-3 0.9
Oleato de sódio 143-19-1 0.5
Bicarbonato de sódio 144-55-8 0.1

Tabela 1: Lista dos componentes da mistura surfactante utilizada para preparar o eluente (ver também Tabela de Materiais).

Parâmetros AF4-UV-vis Unidade Valor
Espessura espaçada Μm 350
Taxa de fluxo do detector mL min-1 0.5
Taxa de fluxo cruzado mL min-1 0 (constante por 8 min)
Taxa de fluxo de foco mL min-1 0
Tempo de atraso / tempo de estabilização Min 0
Taxa de fluxo de injeção mL min-1 0.5
Tempo de transição Min 0
Tempo de injeção Min 0.1
Passo de elução Min 8
Tempo de passo de enxágüe Min 0.1
Taxa de fluxo de passo de enxágüe mL min-1 0.1
Volume de injeção Μl 10
Concentração amostral mg L-1 12.5
Tipo de membrana Celulose regenerada
Corte de peso molecular da membrana Kda 10
Eluente Mistura surfactante de 0,025% (v/v)
Comprimento de onda UV-vis Nm 532
Sensibilidade UV-vis - 0.001

Tabela 2: Resumo dos parâmetros do método de fracionamento AF4-UV-vis para realizar a execução da injeção direta sem a aplicação de uma força de separação.

Parâmetros AF4-UV-vis Unidade Valor
Espessura espaçada Μm 350
Taxa de fluxo do detector mL min-1 0.5
Taxa de fluxo cruzado mL min-1 1 (60 min constante, 10 min linear)
Taxa de fluxo de foco mL min-1 1.3
Tempo de atraso / tempo de estabilização Min 2
Taxa de fluxo de injeção mL min-1 0.2
Tempo de transição Min 0.2
Tempo de injeção Min 5
Passo de elução Min 70 (60 min constante, 10 min linear)
Passo de enxágüe Min 9
Taxa de fluxo de passo de enxágüe mL min-1 0.5
Volume de injeção Μl 50
Concentração amostral mg L-1 12.5
Tipo de membrana Celulose regenerada
Corte de peso molecular da membrana Kda 10
Eluente Mistura surfactante de 0,025% (v/v)
Comprimento de onda UV-vis Nm 532
Sensibilidade UV-vis - 0.001

Tabela 3: Resumo dos parâmetros do método de fracionamento AF4-UV-vis para realizar a execução do fracionamento com a aplicação de um fluxo cruzado como força de separação.

Padrão de calibração Agente capping Tamanho Médio (TEM) (nm) CV (tamanho médio TEM) (%) Potencial zeta (mV) SD (potencial zeta) (mV) Raio hidrodinâmico (DLS) (nm) SD (raio hidrodinâmico) (nm) Pdi SD (PDI)
AuNP 20 nm Citrato 20.1 ≤ 8 -48.9 1.5 10.95 0.12 0.082 0.009
AuNP 40 nm Citrato 40.8 ≤ 8 -30.4 1.0 20.30 0.13 0.127 0.006
AuNP 80 nm Citrato 79.2 ≤ 8 -51.5 1.3 38.85 0.23 0.138 0.013
AuNP 100 nm Citrato 102.2 ≤ 8 -50.9 0.9 52.30 0.37 0.078 0.009

Tabela 4: Resumo dos parâmetros físico-químicos dos padrões de calibração AuNP aplicados, incluindo agente de capping, tamanho médio TEM, potencial zeta determinado na suspensão nativa, bem como raio hidrodinâmico DLS, e índice de polidispersidade (PDI) determinado no eluente.

Padrão de calibração Executar Tempo de retenção no máximo (min) Tempo de retenção líquida no máximo de pico (min) Tempo médio de retenção líquida (min) SD (%) (tempo de retenção líquida) SD (min) (tempo de retenção líquida)
AuNP 20 nm 1 17.368 11.468 11.56 1.02 0.12
2 17.409 11.509
3 17.589 11.689
AuNP 40 nm 1 25.316 19.416 19.49 0.68 0.13
2 25.32 19.42
3 25.548 19.648
AuNP 80 nm 1 42.095 36.195 36.29 0.23 0.08
2 42.219 36.319
3 42.257 36.357
AuNP 100 nm 1 50.975 45.075 45.06 0.07 0.03
2 50.924 45.024
3 50.986 45.086

Tabela 5: Tempos de retenção das normas de calibração AuNP no respectivo pico UV-Vis máximo derivado dos respectivos fractogramas AF4-UV-vis utilizando o método descrito na Tabela 3.

Aliquote Executar Máximo de tempo de retenção (min) Tempo médio de retenção no máximo (min) Tempo de retenção líquida no máximo de pico (min) SD (%) tempo de retenção Raio hidrodinâmico (nm) Recuperação (%)
1 1 32.689 32.70 26.789 0.07 29.03 85.34
2 32.687 26.787
3 32.719 26.819
2 1 32.989 33.08 27.089 0.37 29.49 81.73
2 33.073 27.173
3 33.187 27.287
3 1 33.053 33.14 27.153 0.49 29.56 82.14
2 33.071 27.171
3 33.291 27.391

Tabela 6: Resumo dos tempos de retenção no máximo máximo de pico UV-Vis, o raio hidrodinâmico calculado a partir da calibração de tamanho externo(Figura 2) e a taxa de recuperação da amostra AuNP desconhecida obtida a partir da análise AF4-UV-vis.

Discussion

O tamanho hidrodinâmico de um AuNP desconhecido foi avaliado com precisão pelo AF4 juntamente com um detector UV-vis usando padrões de tamanho AuNP bem definidos que variam de 20 nm a 100 nm. O método AF4 desenvolvido foi otimizado utilizando um perfil de fluxo cruzado constante para estabelecer uma relação linear entre o tempo de retenção medido e o tamanho do AuNP, permitindo assim uma determinação de tamanho simples a partir da análise de regressão linear. O foco particular também foi alcançar taxas de recuperação suficientemente altas indicando nenhuma perda amostral significativa durante o fracionamento, e que o método AF4 desenvolvido, incluindo o eluente aplicado e a membrana, combinavam bem com todas as amostras de AuNP fracionadas.

O desenvolvimento do método é, sem dúvida, o passo mais crítico no AF4 e vários parâmetros, incluindo dimensões do canal, parâmetros de fluxo, bem como eluente, membrana, altura espaçadora e até propriedades amostrais devem ser levados em conta para melhorar o fracionamento dentro de uma determinada janela de tempo de eluição. O objetivo deste parágrafo é orientar o leitor através das etapas críticas que foram otimizadas para determinar com sucesso o tamanho da amostra AuNP desconhecida aqui discutida. Para uma descrição mais detalhada de como desenvolver geralmente um método AF4, o leitor é encaminhado para a seção AF4 de 'ISO/TS21362:2018 - Nanotecnologias - Análise de nanoí objetos usando fluxo assimétrico e fracionamento de fluxo de campo centrífuga'25. Tendo um olhar mais atento sobre as condições de fracionamento aplicadas dadas na Tabela 3,o primeiro passo crítico é a introdução e relaxamento da amostra AuNP no canal AF4. Esta etapa é regida pelo fluxo de injeção, fluxo de foco e fluxo cruzado, cuja interação força a amostra a localizar perto da superfície da membrana e co concentrar-a em uma faixa estreita perto da porta de injeção do canal AF4 basicamente definindo o ponto de partida do fracionamento. Um relaxamento suficiente da amostra é obrigatório, pois durante esta etapa, constituintes amostrais de diferentes tamanhos se localizam em diferentes alturas do canal AF4, fornecendo assim a base para um fracionamento de tamanho bem sucedido. O relaxamento incompleto da amostra é geralmente visível por uma área de pico de vazio aumentada resultante de constituintes de amostra não contidos (ou seja, não relaxados). Esse efeito pode ser mitigado aumentando o tempo de injeção e/ou a taxa de fluxo cruzado aplicada. No entanto, ambos os parâmetros precisam de uma otimização cuidadosa, especialmente para amostras que são propensas à aglomeração e adsorção na membrana AF4, e podem ser monitoradas pelas respectivas taxas de recuperação obtidas para diferentes configurações de parâmetros36,37. O tempo de injeção aplicado de 5 minutos juntamente com uma taxa de fluxo cruzado de 1,0 mL∙min-1 revelou taxas de recuperação >80% para todas as amostras de AuNP e uma área de pico de vazio insignificante indicando condições de relaxamento quase ótimas. Após relaxamento suficiente da amostra AuNP, o fluxo de foco foi interrompido e o transporte amostral ao longo do comprimento do canal AF4 para o respectivo detector UV-vis foi iniciado representando o segundo passo crítico. A fim de garantir um poder de fracionamento suficientemente alto em tempos de análise razoáveis, uma taxa de fluxo cruzado constante de 1,0 mL∙min-1 para 30-50 min (dependendo do respectivo padrão de tamanho AuNP fracionado) seguida de uma decadência de fluxo cruzado linear de 10 minutos a uma taxa de fluxo detector de 0,5 mL.min-1 foi aplicada. O uso de um perfil de fluxo cruzado constante através da separação de todos os padrões de tamanho AuNP revelou uma relação linear entre o tempo de retenção e o tamanho de AuNP após a teoria do FFF22,permitindo assim a determinação de tamanho da amostra AuNP desconhecida por simples análise de regressão linear. No entanto, perfis diferentes de um fluxo cruzado constante também foram explorados para o dimensionamento de nanopartículas, levando, em última análise, a uma relação não linear entre o tempo de retenção e o tamanho das partículas38,39. Além disso, a determinação de tamanho no AF4 utilizando padrões de tamanho bem definidos não se limita ao AuNP, mas também pode ser aplicada a nanopartículas com outros tamanhos e composição elementar (por exemplo, prata38,40 ou nanopartículas de sílica41,42). Além disso, ao trabalhar com amostras diluídas, o ICP-MS é um detector elementar altamente sensível, que pode ser acoplado ao AF4, aumentando a versatilidade desta abordagem analítica para dimensionamento de uma grande variedade de nanopartículas em suspensão.

Apesar de sua aplicação generalizada, a calibração de tamanho externo usando padrões de tamanho bem definidos no AF4 tem algumas peculiaridades que precisam ser consideradas ao usá-la para um dimensionamento preciso de amostras desconhecidas. Em primeiro lugar, depende fortemente da aplicação de condições comparáveis durante o fracionamento dos respectivos padrões de tamanho e da amostra real. No caso aqui apresentado, é, portanto, obrigatório que tanto as normas de tamanho AuNP quanto a amostra AuNP desconhecida sejam fracionadas usando o mesmo método AF4, bem como o mesmo eluente e a mesma membrana tornando esta abordagem bastante inflexível. Além disso, sem detectores sensíveis ao tamanho, por exemplo, dispersão de luz (MALS e DLS) em mãos, é difícil determinar se um método AF4 respectivo usando padrões de tamanho funciona suficientemente bem ou não. Isso vale especialmente para amostras desconhecidas que exibem distribuições de tamanho muito amplo, onde ainda não está claro se todos os constituintes da amostra seguem o padrão de elução normal: fracionamento de partículas menores para maiores, ou se constituintes de amostra maior já eluto no modo esterico-hipercamada, potencialmente co-eluindo com componentes amostrais menores43,44. Além disso, embora a teoria da FFF enfatize que o AF4 se separa apenas com base em diferenças no tamanho hidrodinâmico com partículas sendo consideradas massas de ponto sem qualquer interação com seu ambiente22, a realidade conta uma história diferente com partícula-partícula e partícula interações de membrana (como atração eletrostática/repulsão ou atração van-der-Waals) podem desempenhar um papel considerável e podem potencialmente introduzir um viés mensurável nas determinações de tamanho via calibração de tamanho externo45,46. Recomenda-se, portanto, usar padrões de tamanho que correspondam idealmente à composição e às propriedades superficiais (potencial Zeta) da partícula de interesse40,42 ou, se estes não estiverem disponíveis, pelo menos utilize padrões bem caracterizados de tamanho de partículas (por exemplo, partículas de látex de poliestireno) e avalie cuidadosamente sua comparabilidade com a partícula de interesse especialmente em termos de seu potencial zeta superficial no respectivo ambiente, no qual a análise deve ser realizada41,47.

A versatilidade do AF4 é muitas vezes considerada sua maior força, pois oferece uma gama de aplicações que vai além da maioria das outras técnicas de dimensionamento comum neste campo22,48,49. Ao mesmo tempo, devido à sua complexidade presumivelmente associada, também pode ser considerada como sua desvantagem mais significativa especialmente contra técnicas de dimensionamento rápidas e ostensivamente fáceis de usar, como DLS, Nanoparticle Tracking Analysis ou ICP-MS de partículas únicas. No entanto, ao colocar o AF4 em perspectiva com essas técnicas populares de dimensionamento, torna-se claro que todas as técnicas têm seus prós e contras, mas todas elas contribuem para uma compreensão mais abrangente da natureza físico-química das nanopartículas e, portanto, devem ser consideradas complementares e não competitivas.

O procedimento operacional padrão (SOP) apresentado aqui, destaca a excelente aplicabilidade do AF4-UV-vis com calibração de tamanho externo para dimensionamento de uma amostra AuNP desconhecida em suspensão e eventualmente foi aplicada como uma diretriz recomendada para a análise AF4 de uma amostra AuNP desconhecida dentro de uma comparação interlaboratória internacional (ILC) que foi conduzida no quadro do projeto Horizon 2020, ACEnano (o resultado deste ILC será o tema de uma futura publicação). Este protocolo, portanto, soma-se aos esforços internacionais encorajadores e contínuos para validar e padronizar as metodologias AF425,50,51,52 sublinhando o potencial promissor do AF4 no campo da caracterização das nanopartículas.

Disclosures

Todos os autores deste manuscrito são funcionários da Postnova Analytics GmbH, cujos produtos são utilizados neste protocolo.

Acknowledgments

Os autores gostariam de agradecer a todo o consórcio ACEnano por discussões frutíferas ao longo de todas as etapas da elaboração do protocolo aqui apresentado. Os autores também apreciam o financiamento do Programa Horizonte 2020 da União Europeia (H2020) sob o contrato de subvenção nº 720952 no âmbito do projeto ACEnano.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
0.1 µm Membrane Filters (hydrophilic PVDF) Postnova Analytics GmbH Z-FIL-TEF-002 Used for filtration of aqueous solutions
0.22 µm PVDF Syringe Filter (d = 33 mm) Merck Millipore Durapore Millex Used for filtration of NovaChem100
Adjustable Volume Pipettes (1000 µL) Eppendorf AG Research Plus Used to prepare diluted AuNP suspensions
AF4 cartridge Postnova Analytics GmbH AF2000 MF - AF4 Analytical Channel Component of the AF2000 MF - MultiFlow FFF setup, which is described as AF4-system in the manuscript
AF4 Membrane - Regenerated Cellulose (10 kDa MWCO) Postnova Analytics GmbH Z-AF4-MEM-612-10KD Component of the AF2000 MF - MultiFlow FFF setup, which is described as AF4-system in the manuscript
Analytical Balance (0.1 mg precision) Sartorius ENTRIS124I-1S Used to weigh SDS and NaOH pellets for preparation of cleaning solution
Autosampler Postnova Analytics GmbH PN5300 Component of the AF2000 MF - MultiFlow FFF setup, which is described as AF4-system in the manuscript
Channel Oven Postnova Analytics GmbH PN4020 Component of the AF2000 MF - MultiFlow FFF setup, which is described as AF4-system in the manuscript
Crossflow Module Postnova Analytics GmbH AF2000 MF Control Module Component of the AF2000 MF - MultiFlow FFF setup, which is described as AF4-system in the manuscript
Disposable Pipette Tips (1000 µL) Eppendorf AG ep T.I.P.S Used to prepare diluted AuNP suspensions
Flasks (e.g. 2 liter volume) neoLab 1-0199 Used for eluent storage
Focus Pump Postnova Analytics GmbH PN1131 Component of the AF2000 MF - MultiFlow FFF setup, which is described as AF4-system in the manuscript
Glass Vials (e.g. 1.5 mL volume) Postnova Analytics GmbH VIA-002 Used for sample storage
Gold Nanoparticle Size Standards (20 nm, 40 nm, 80 nm, 100 nm) Postnova Analytics GmbH NovaCal Gold 50 mg L-1 each, used to establish the size calibration function
Magnetic Stirrer IKA VIBRAX-VXR Used to accelerate dissolution of SDS and NaOH pellets in UPW
Personal Computer (PC) Dell Technologies / Unit to control AF4 runs, record and evaluate collected data, for necessary hardware and software requirements the reader is referred to the Postnova AF2000 manual
Personal protection gear (gloves, lab coat, glasses etc.) / / In accordance with respective laboratory’s safety rules for working with chemicals including engineered nanomaterials
Screw Top for Glass Vials (e.g. 1.5 mL volume) Postnova Analytics GmbH Z-VIA-09150868 Used for sample storage
Sodium Dodecyl Sulfate (SDS), ≥99 %, Blotting Grade Carl Roth GmbH & Co KG 2326.1 Used for the preparation of the cleaning solution
Sodium Hydroxide (NaOH) Pellets, ≥98 %, p.a Carl Roth GmbH & Co KG 6771.1 Used for the preparation of the cleaning solution
Software Package for Control and Data Acquisition Postnova Analytics GmbH NovaFFF AF2000 Software Software for performing Af4 runs and data aquisition, for necessary hardware and software requirements the reader is referred to the Postnova AF2000 manual
Software Package for Data Evaluation Postnova Analytics GmbH NovaAnalysis Software Software for AF4 data evaluation, for necessary hardware and software requirements the reader is referred to the Postnova NovaAnalysis manual
Software Package for final Data Processing OriginLab Corporation Origin 2019 Used for final data processing
Solvent Degasser Postnova Analytics GmbH PN7520 Component of the AF2000 MF - MultiFlow FFF setup, which is described as AF4-system in the manuscript
Solvent Selector Postnova Analytics GmbH PN7310 Component of the AF2000 MF - MultiFlow FFF setup, which is described as AF4-system in the manuscript
Solvent Organizer Postnova Analytics GmbH PN7140 Component of the AF2000 MF - MultiFlow FFF setup, which is described as AF4-system in the manuscript
Surfactant Mixture Postnova Analytics GmbH NovaChem100 Mixture of different surfactants and salts used for eluent preparation
Tip Pump Postnova Analytics GmbH PN1130 Component of the AF2000 MF - MultiFlow FFF setup, which is described as AF4-system in the manuscript
Unknown AuNP sample BBI Solutions EM.GC60 60 nm AuNP sample used for size determination via size calibration function
UV-vis Detector Postnova Analytics GmbH PN3211 UV-vis detector For downstream coupling with the AF4 system
Vacuum Filtration Unit Postnova Analytics GmbH Eluent Filtration System Used to ensure low particle backgrounds and removal of dissolved air in the used eluents to ensure optimum AF4 fractionation conditions
Vortex IKA Vortex Genie 2 Used for homogenization of diluted AuNP suspensions
Water Purification System Merck Millipore Milli-Q Integral 5 Used to generate ultrapure water (UPW, 18.2 MΩcm resistivity) for preparation of cleaning solution, eluents and dilution of AuNP suspensions

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Fracionamento de fluxo de fluxo assimétrico para dimensionamento de nanopartículas de ouro em suspensão
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Drexel, R., Sogne, V., Dinkel, M., Meier, F., Klein, T. Asymmetrical Flow Field-Flow Fractionation for Sizing of Gold Nanoparticles in Suspension. J. Vis. Exp. (163), e61757, doi:10.3791/61757 (2020).More

Drexel, R., Sogne, V., Dinkel, M., Meier, F., Klein, T. Asymmetrical Flow Field-Flow Fractionation for Sizing of Gold Nanoparticles in Suspension. J. Vis. Exp. (163), e61757, doi:10.3791/61757 (2020).

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