水溶液中におけるナノ材料の分散: プロトコルの最適化に向けて

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Summary

ここでは、プロトコルを提案段階的ナノ材料の分散水溶液中における最適な超音波処理条件、強度、安定性の向上とナノ粒子の均一性の期間を識別するためにリアルタイムのキャラクタリゼーションとサンプルの整合性に影響を与えずに分散。

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Kaur, I., Ellis, L. J., Romer, I., Tantra, R., Carriere, M., Allard, S., Mayne-L'Hermite, M., Minelli, C., Unger, W., Potthoff, A., Rades, S., Valsami-Jones, E. Dispersion of Nanomaterials in Aqueous Media: Towards Protocol Optimization. J. Vis. Exp. (130), e56074, doi:10.3791/56074 (2017).

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Abstract

超音波処理のプロセスは、重複凝結と水性ベースのメディアは、均一性と懸濁液の安定性を改善するために必要なナノ材料の分散のため使用されます。本研究では安定な分散を達成するために最適な超音波処理条件を識別するために体系的な段階的アプローチが行われます。このアプローチは採用されており (DI) の脱イオン水に分散したいくつかのナノ (酸化セリウム、酸化亜鉛、単層カーボンナノ チューブ) に合うように表示されます。ただし、ナノマテリアル型または分散媒体のいずれかに変更、する必要があります基本的なプロトコルの最適化型力と超音波発生装置超音波処理時間などさまざまな要因を調整すると温度上昇によって処理中に。アプローチは、分散プロセスの詳細に記録します。これ表面性状に影響を与える粒子表面への損傷などの望ましくない変化かもしれない超音波プロセス中にその他の上記の条件と同様、時間のポイントを識別するために必要です。私たちの目標は、最終的に作り出された分散の品質を制御することができます統一されたアプローチを提供することです。このようなガイドラインは、ナノサイエンス社会、特に乗り越えるの分野に分散品質の再現性を確保する上で役立ちます。

Introduction

超音波は、創造、成長を含む、高強度超音波1照射による液体の形成 (ホット スポットとも呼ばれる) の泡の崩壊、キャビテーションを生成するプロセスです。実験室の設定で超音波処理法は、超音波発生装置を使用して実行されます。すべて解除凝結粒子は、液体培地で個人 (またはプライマリ) の粒子として分散の一般的な機能を持つ別の sonicators があります。超音波処理を適用すると、潜在的に狭い粒径分布を達成するサンプルの均質性が向上します。分散プロセスで考慮すべき重要な側面は、最終的な分散の安定性です。ここで、懸濁液の安定性は粒子が解決しないまたはダウンの分散状態の測定はそれの間に撮影した 5 つの繰り返し測定間 10% 以上変化しない流体力学的直径の平均沈殿物として定義します。時間 (約 10 分)2,3。分散安定性を測定するいくつかの方法があります。これにより、粒子の電気泳動の移動性の測定によるゼータ電位 (ZP) の推定が含まれます。もう一つは4の UV スペクトル範囲のナノ粒子の吸収特性を測定します。

分散ステップは粒のサイズ、形状、集計/造粒、表面などのキーの物理化学的性質を決定する、乗り越えるにおいて分散質を制御する能力は非常に重要など順番にこれは、最終的にテスト メディアと粒子の相互作用と影響の in vitroin vivoの実験の結果ナノ材料の潜在的な危険を推定するために、充電します。

一般に超音波は探針型 (直通) または超音波浴を使用して、遂行またはバイアル ツイーター (超音波間接照射) を有する超音波プローブ。超音波処理のすべてのタイプの強度の範囲で利用できる出力電力設定、時々 特定のプロセスや要件、sonotrode の種類と適応し、液体の量を 250 mL に 2 に至るために適しています。プローブ超音波風呂超音波より高いローカライズされた震度5のためを実行する知られているが、風呂超音波処理の多くは最寄り上毒性テスト懸濁液の準備のためプローブ型可能性があるのためヒント、チタン プローブの浸食による汚染リスクは、長時間使用してプローブ浸漬深さ不一致後ヒントします。同様に、バイアル ツイーター装備超音波プローブは重金属汚染のリスクだけでなく、機器の操作への配慮のため直接プローブで有利であります。複数のバイアルは、同じ時と同じ強度の超音波処理します。これは時間の節約だけでなく、すべてのサンプルが均等に扱われるより信頼性の高いと同等のサンプルの間で結果になることを保証します。ナノ材料の安全性調査、汚染は常に回避します。しかし、プローブ超音波発生装置は、この要件に適合しないし、テストされていません。プローブ sonicators ヒント侵食によってサンプルの汚染などいくつかの避けられない副作用を引き起こすことが知られているし、同様、エネルギー出力分散条件の変化につながる、それゆえデータ再現性6,を損なうことを減らしました7,8します。 また、サンプル蒸発液体の損失につながる覆いを取られた容器で通常実行されると同様、ほこりの堆積。これらの意図しない変更を避けるためには、最近の研究は、懸濁液純度保証6と同様に、彼らの効果的なエネルギー供給に基づく代替の間接的な sonicators をお勧めします。

超音波処理の最適化されていない結果に有害な影響を持つことができます。潜在的に、それは、サイズ、サイズ分布、形態、および表面電荷2,9などのナノ材料のキーの物理的および化学的プロパティを変更できます。以前の文学は、超音波処理プロセスとナノ TiO25,1011、ZnO ナノ粒子6ナノ銅12など粒子パラメーターへの影響を制御するこのような欠点を報告しています。.さらに、過去の研究では、超音波処理プロセスだけでなく粒子特性を変える、また毒性テスト12,13の結果を支配するを示しています。

分散プロセスを制御するには、監視し、超音波発生装置の種類、計測器電力と期間、ボリュームなど分散の品質に影響することができますよう、どのようにさまざまな要因を理解することが重要です。したがって、超音波処理プロセスの異なる時点で分散粒子の物理化学的特徴を分析するための体系的な手順を持っている必要があります。このような考慮事項が考慮されて、いくつかの研究者によって、この領域での仕事は制限されています。ビハール語は様々 な分散安定剤14異なる超音波エネルギーを使用した異なるナノ分散系の分散安定性を検討しました。Hartmannnによる最近の検討は、ナノ分散品質などに影響を与えるさまざまな要因を理解する作業を行われている、超音波処理時間等、超音波発生装置の種類に使用される、まだないを強調表示明確かつ普遍的に受け入れられている超音波処理の手順は、現在、nanotoxicological テストおよび調査7,15をサポートしています。

いくつかの分析解析技術を使用して分散質を監視します。使用が含まれます: 動的光散乱 (DL)、ディスク遠心分離、電気泳動光散乱 (ELS)、(紫外-可視) 紫外可視分光と透過電子顕微鏡 (TEM)、粒子サイズ/分布の測定、ゼータ電位、分散安定性および形態の特性、それぞれ。DLS は、粒子とナノ分散分散インデックス (PdI) の流体力学的直径 (Z 平均) を決定するためによく使用されます。DLS によるマルチ モーダル サイズ分布、場合、得られた Z 平均は強度加重サイズ分布強度と同意しないかもしれない。など、強度加重サイズ分布の平均を引用することができます。PdI が至るまでスケールとサイズ分布の広さを反映して 0 - 1 で、0 は単分散サンプル、1 高い多サンプル16。ディスク遠心分離は液体培地中で遠心沈降を使用して粒度分布を決定するために使用する分離技術です。光学的に透明と回転ディスクとディスクの端に達したときの粒子によって散乱光量内粒子堆積物は記録、ストークスの法則を使用して粒度分布に変換します。マルチ モーダル粒子分布を解決するには、ディスク遠心分離などの技術、彼らは楽器内に統合分離機構要素を持っているとより適しています。ゼータ電位 (ζ-潜在的な) 粒子のせん断から通常の粘性挙動を示す (一括) 液体を分離する電気二重層内の概念的な境界は、すべり面の電位をいいます、船尾レイヤー、レイヤーは主にカウンター イオンから成る、粒子の移動と考慮します。ゼータ電位は、粒子と粒子の間の (すなわち反発/魅力) 静電相互作用の表面電荷に直接関係します。このパラメーターには、ナノ分散安定性の主な指標が考え.慣例として、ゼータ電位値-25 以下 mV 25 以上 mV は安定した17,18と見なされます。濃度と液の pH と同様、イオンの種類強くゼータ電位19に影響を与えます。ELS は分散粒子の電気泳動移動度を測定するために使用、この移動はゼータ電位ヘンリー方程式と Smoluchowski またはヒュッケル モデルに変換されます。紫外可視分光法ですが吸収され、特定の波長で試料による散乱光を定量化するための技術です。それは紫外領域におけるナノ材料の吸収特性を測定することにより分散安定性を監視するよく使用されます。最後に、TEM はよく視覚化およびサイズ、サイズ分布、集積、ナノ粒子5,14,15,20の形状を分析する使用されます。

超音波風呂とバイアル ツイーター装備超音波プローブを使用した六つの異なるナノ分散液の比較研究を提案します。粒子濃度、温度、超音波発生装置の種類、および研究で使用される設定は、同様のプローブ、超音波風呂の実験設定を推論できるように、プロトコルで指定されます。次のナノ材料を使用: 単層カーボンナノ チューブ (A32 と A106、材料表を参照してください) などの炭素系ナノ材料、酸化亜鉛 (ZnO、NM110 hydrophylic と NM111-疎水性)、酸化セリウム (CeO2) 銀 (Ag)。

超音波プロセスに沿って異なる時点で分散性評価は様々 な技術、すなわち粒子サイズ/分布、サイズ分布のディスク遠心分離の DLS を使用して作られた, ゼータ電位の ELS粒子形状と同質性のための安定性、TEM 紫外可視分光。異なるナノ炭素系金属酸化物に至る数が評価されます。比較、並行して、クエン酸キャップで安定した銀ナノ粒子 (Ag NPs) の商業の水性懸を使用し、関連する市販の懸濁液の長期安定化を推測します。明らかに、この Ag NPs モデル分散手順のいずれかに直接関連しないが、再超音波または再集積などの変更中に発生するのにバインドされている、ストレージのいくつかの時間後再懸濁液を安定に必要性を示す行為のみストレージ。懸濁液は、2 ヶ月間冷蔵庫に保管です。この期間中、分散は粒子の潜在的な集積を識別するために特徴付けられます。最初の結果表示不安定な懸濁液 (結果のセクションで説明します)。その後、この分散は異なる超音波トリートメント、その他のナノ材料の研究で使用されるようにさらに服従します。研究の目的は、超音波処理と同じプロトコルを通じて懸濁液を凝集することができます解除我々 を確認することです。Ag NPs モデルは、このように最適化された形態に粒子の再分散を表す長期的研究のためのベンチマークとして関連付けることできます。

ここで紹介する分散プロトコル先行文献の発行するものに類似を共有して以前過去労働者7,21,22,23 によって作らいくつかの提言のいくつかが組み込まれています ,24,25。この研究では、体系的かつ段階的アプローチを使用して分散プロトコルを通して分散質を監視します。このアプローチは、最適な実験的分散状態 (図 1) を識別するためにナノ分散液のリアルタイム評価を行っています。

Figure 1
図 1。フローチャート方式と分散プロトコルの段階的シーケンスを描いたしますこの図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Protocol

メモ: すべての化学薬品を使用するは、さらに精製することがなく受信。18 MΩ·cm の抵抗の研究を通して純水を使用します。準備のすべての分散は一般的に、さらに特性や将来の安定性研究のため暗闇の中で 5 ° C で格納されますが、この材料の組成と溶解のような他の関連するプロパティによって異なります。たとえば、Ag NPs が日光; 2-5 ° C の間に格納されている場合、いくつかの時間のため一般的に安定しています。動的な変更は、懸濁液中で起こるにバインドされて分散液はそれにもかかわらず再凝集がし、時間を土砂に知られています。生物4,5,13,14をテストする前に品質確認のため DL、紫外-可視および TEM を使用してこれらの材料を分析します。0.02 mg/mL の濃度は、以下の分析に使用されます。サンプル濃度は、DLS を使用して解析に適した紫外可視、ディスク遠心分離機、ゼータ電位の計算、および TEM 分析。

1. Sonicators 供給電力の校正

注: 熱量の懸濁液に配信される効果的な音響パワーは再現性のある分散を得るために重要なパラメーターです。これは電気的入力や出力電力の発電機のメーカーが示すようにこれは、実際とは異なる超音波26中に成果物を懸濁液は電源。効果的な供給電力の計算のための多くの方法の中で最も一般的に使用されるメソッドは熱量計26です。これは懸濁液7効果的な電力の直接計測するためのシンプルで効率的な方法として知られています。このメソッドは、時間の経過とともに設定指定された超音波発生装置、液体の温度上昇が記録され効果的な電力は次の式を使用して計算されます。
Equation
P が配信された音響の電力 (W) は、T は温度 (K)、t は時間 (秒) に対応する、CPは (4.18 J/g· の液体の比熱水の K)、M は (g) の液体の固まり。

  1. バイアル ツイーターを装備供給電力超音波プローブの校正
    注: このメソッドは Taurozziから適応7次の手順をお勧めします。
    1. 天秤の空のプラスチック瓶を置き、バランスを風袋します。
    2. 1.5 ml の純水のバイアルを埋める (抵抗 18 MΩ·cm) し、バランスを用いた液体の質量を記録。
    3. バイアルのツイーターの高強度部品の 6 バイアル穴の 1 つのバイアルを置き、クランプを使用してデジタル温度メーターに接続された温度プローブを浸します。プローブがバイアルの壁に触れない、液体表面下約 2 cm であることを確認します。
    4. 24 kHz、10 W (50% で振幅調整) のバイアル ツイーターを設定し、連続モードで動作します。
      注: ここでテストその他の振幅調整が 70%、90%、100% です。
    5. 最初の 5 分間の水の温度の増加は 30 の間隔、録画 s し、バイアルまたはセットアップは位置をずれないことを確認します。
    6. 表計算ソフトで温度対時間のグラフを作成し、最小二乗回帰曲線の最高の線形フィットを取得します。
    7. (これは時間の経過とともに温度の上昇を) グラフの傾きを取得し、電力を計算式 1を使用して配信。3 回実験を繰り返し、平均値を取得します。
    8. 手順 1.1.1 - 100%、90%、70% の振幅設定のための 1.1.4 から手順を繰り返します。この手順を使用して得られる電力値は、分散処理中に報告されます。
  2. 超音波浴による供給電力の校正
    1. 天秤の空のプラスチック瓶を置き、バランスを風袋します。
    2. 1.5 ml の純水のバイアルを埋める (抵抗 18 MΩ·cm) し、バランスを用いた液体の質量を記録。
    3. 半分は水に浸漬超音波風呂の真ん中にバイアルを置き、クランプで固定します。デジタル温度計クランプを使用してに接続された温度プローブを浸します。プローブがバイアルの壁に触れない、液体表面下約 2 cm であることを確認します。
    4. 超音波のお風呂で 40 KHz と 80 W を設定し、連続モードで動作します。
    5. 最初の 5 分間の水の温度の増加は 30 の間隔、録画 s し、バイアルまたはセットアップは位置をずれないことを確認します。
    6. 温度対時間のグラフを作成する excel で最小二乗回帰曲線の最高の線形フィットを取得します。
    7. (これは時間の経過とともに温度の上昇を) 表計算ソフトのグラフの傾きを取得し、電力を計算式 1を使用して配信。3 回実験を繰り返し、平均値を取得します。この手順を使用して得られる電力値は、分散処理中に報告されます。

2. バイアル ツイーター装備超音波プローブを用いた水溶液中分散手順

  1. それぞれ 3 つのきれいなガラス瓶にきれいなヘラを使用して必要なナノの 2 mg の重量を量る。1、2、および 3 のバイアルとしてラベルを付けます。
  2. ピペット 1 mL ・ ディ ・水のうち、各バイアルの壁に沿って追加します。きれいな細いガラス棒の助けを借りて濃厚なペーストを作る水を最終濃度 0.2 mg/mL の残りの部分を追加します。疎水性のサンプルの場合実行前ぬれ 0.5% 巻/巻エタノール 1 mL を使用して、必要な最終濃度を補うため・ ディ ・水を加えます。
  3. 各バイアル、キャップ シール、オートマチックス ナノ バイアルの壁に付着する水平方向の円運動でよく振る。
  4. バイアル ツイーター装備超音波プローブの 3 つの容器を置き、パルス モードで 1.1 W で 2 分の最初の超音波治療を適用 (1 s/1 s、どの手段 1 s、1 s をオフ)。これは分散の約 4 ° C の温度上昇を与えます。
  5. 瓶の上部から 1 と因数の適切な量をピペットのバイアルを取り出す、0.02 mg/mL の濃度に水で希釈します。サイズ、粒度分布、形状、集積、DLS、TEM など無料の技術の範囲を使用してゼータ電位の希薄分散を特徴付ける紫外-可視と ELS (セクション 4 で説明します)。記録し、測定値を正確に文書化します。
  6. 2.4 サンプルの冷却を許可し、システム内の任意の急激な温度上昇を避けるための段階から 10 分間一時停止します。バイアル 2 と振幅、パルス モードの同じ設定で 4 分の 3 に 2 番目の超音波治療を適用されます。バイアル 2 を取り出し、手順 2.5、超音波処理の 6 分後の測定値を文書化します。
  7. 10 分間一時停止し、別の 4 分の 3 バイアルに 3 番目の超音波治療を適用ステップ 2.5。記録 (セクション 4 で説明) 超音波照射の 10 分で測定を文書化します。
    注: ナノ粒子の懸濁液を処理するとき、白衣、手袋、ゴーグルを着用しなければならない.超音波発生装置は、長い実験中に音響のエンクロージャに置かれなければならないし、超音波ソースに近い作業時高保護イヤーマフを着用する必要があります。

3. 分散水溶液の超音波浴を使用して手順

  1. 4 つのきれいなガラス瓶にきれいなヘラを使用して必要なナノのそれぞれの 2 mg の重さし、4、5、6、および 7 のバイアルとしてラベルを付けます。
  2. DI 水を数滴をピペットし各バイアルの壁に沿って追加し、きれいな細いガラス棒の助けを借りて濃厚なペーストを作る。その後、各バイアルに最終濃度 0.2 mg/mL に水の残りの部分を追加します。
    注: 疎水性サンプルの場合 0.5% 巻/巻エタノール 1 mL を使用して実施は前ぬれと純水が必要な最終濃度を作るに追加されます。
  3. 各バイアル、キャップ シールし、任意のナノ粉末のバイアルの壁に付着を削除する水平方向の円運動によく振ってください。
  4. 半分は水に浸したバイアルと超音波風呂の真ん中に 4 つのバイアルを置き、室温で 15 分間 80 W で最初の超音波治療を適用します。これは分散の約 3 ° C の温度上昇を与えるでしょう。
  5. 超音波風呂からバイアル 4 を削除し瓶の上部から因数の適切な量をピペット、0.02 mg/mL の濃度に水で希釈、サイズ、粒度分布、形状、集積、およびゼータのサンプルの特徴DLS、TEM など無料の技術の範囲を使用して潜在的な紫外-可視と ELS (セクション 4 で説明します)。記録し、測定値を文書化します。
  6. 超音波のお風呂で水を変更し、2 番目の超音波治療を同じ設定 (80 W) で 15 分間別のバイアル 5、6、および 7 に適用します。バイアル 5 を取り外して手順 3.5 特性評価のための超音波 30 分参考文書します。
  7. (さらに温度上昇を避けるため) に超音波風呂の水を変える 6 バイアルに別の 30 分の 3 番目の超音波治療を適用し、水の変化の小さい一時停止と同じ設定で 7 再度 15 分削除でバイアル 6 3.5 の手順に従ってください。記録し、超音波照射の 1 時間で測定を文書化します。
  8. 超音波浴 15 分毎に再び水を変更し、別の時間設定を変えずに 4 回の超音波治療をバイアル 7 に適用します。7 のバイアルを取るし、3.5 手順の完全な特性評価、超音波照射の 2 h で計測値を記録します。

4. 異なる時点で分散した試料の特性評価

  1. DLS を使用してサイズの評価27
    1. DLS ソフトウェアを開きます。(標準の 1 つを含む) 特定のナノ材料の個性を与えられることができるサイズ測定ファイルを作成モールヴァン マニュアルから屈折値を使用します。また、吸収・粘度の値など、ソフトウェアに必要なその他のデータを入力し、また分散剤の入力します。
    2. 2 分平衡時間など、サンプルの実験条件に 20 の ° C の温度を入力、キュベット少量使い捨てのキュベットを入力し、自動モードで実行して実験します。ファイルを押す |保存 (名前を付けて)。
    3. プレス"ファイル |新しい測定を開き」、100 の公称サイズ標準のラテックス ビーズを用いた DL 検証テストを実行計測器の性能を修飾する nm
      1. 低ボリュームの使い捨てのキュベットを使用します。空気の泡を避けるためにスポイトやピペットを使用してサンプルの 1 mL を注入します。
        メモ: は、エタノールと純水使用前にキュベットを清掃します。
      2. キュベットをマシンに挿入します。ファイル計測パネルの「スタート」ボタンをクリックします。2 分間サンプルを平衡させ、20 ° C での測定を取ることに注意してください。
        メモ: サンプルは、以前冷蔵庫の中に格納されている場合、は、それらを使用する前に室温に到達します。
      3. 自動モードで少なくとも 5 つの測定値を収集し、すべての測定を選択し、上部のパネルから「平均」をクリックするとサイズを報告する測定値平均を取る。詳しく分析するために excel にデータをエクスポートします。
      4. Monomodal 分布28の場合 Z 平均の標準偏差を表す PdI 幅と Z 平均として流体の直径を報告します。Z 平均と分散または集積を示すものである強度加重サイズ分布の平均との間の重要な相違がある場合コメントで強度加重サイズ分布の結果の意味を引用でサンプルの状態です。
      5. 新しい測定手順 4.1.3 を繰り返します。
        注: DL は非理想的な試料の分析に適した手法ではありません。これでは、高分散、広範な集積、沈降、堆積・沈降粒子による不正確な測定値可能性があります繰り返し測定などの非球形粒子であるサンプルを意味します。このような場合は、他の無料の技術がディスク遠心分離は、定性的な方法で分散を評価するために使用することができますお勧めします。
  2. ディスク遠心分離による粒度分布
    1. CPS ソフトウェアを開きます。「プロシージャの定義」を選択上部で、サンプル SOP 名を入れて、最小と最大径、粒子密度、屈折率吸収、非球対称性因子29などサンプル パラメーターを記入。
      1. ZnO ナノ粒子、たとえば 0.1 ミクロンと 1.0 ミクロン最小と最大径のタブでそれぞれ入力、粒子密度、屈折率、粒子吸収の 0.001 と非球形で 1 で 2.1 に 5.61 g/mL を入力します。セクション。
    2. 校正 1.385 グラム/mL の粒子密度とピーク直径 0.377 μ m の塩化ビニル標準に基づいて標準的な詳細を入力します。また流体パラメーター (ショ糖, 1.04 グラム/mL の流体密度と屈折率流動 1.35) と名前を記入し、プロシージャを保存します。
    3. 選択した手順 (SOP 4.2.1 の手順で保存) を選択し、ディスクを押し '開始' 穴に最初のグラデーションのレベル、ショ糖 (24%) の 1.6 mL を注入します。
      注: ここでショ糖の役割は一定の速度で回転中のディスク内での密度勾配を確立します。これはサイズの範囲に応じてディスク速度を自動的に計算されます。
    4. ソフトウェアは自動的に計算される RPM (1 分あたり回転) に達するまで待機します。スクロース (低密度を 8% と 24% の高密度、表 1を参照) のグラデーションを注入することにより、沈降を安定させるため、1.6 mL 合計ボリューム各時間から始まる最高密度と低密度ソリューションで終わる。
      注: ここで我々 は低として 8% ショ糖溶液と高として 24% ショ糖液をマークします。次のボリューム (全容積 1.6 mL 各時間) で混合、グラデーションが形成されるまで、ディスクを一枚に注入します。
      1. 次に、ディスク遠心 1 h の平衡に役立ちます維持 6 h 許可の最小ディスク内勾配ドデカン キャップ液 1.0 mL を注入します。
    5. 「アナライザーを実行」を選択、サンプル ID を紹介し、スタートを押します。ディスクに 1 mL 注射器で標準の 0.2 mL を注入し、同時にスペース バーを押します。試料 0.2 mL を注入し、同時にスペース バーを押します。測定を終了し、次のサンプルのクリックを待ちます。
    6. ディスク遠心分離機制御システム ソフトウェアを使用して、取得およびデータを処理します。このため、「配布を取得」をクリックしますとサンプルの名前をクリックしてくださいこれは、サンプルのサイズ分布グラフを開きます。スプレッドシート マネージャーにデータをエクスポートします。
  3. 紫外可視分光法による分散安定性試験
    注: 紫外可視分光法はピーク強度、スペクトル歪み度、スペクトル形状にも波長が吸収スペクトル4でシフト変更を注意深く観察によって懸濁液の安定性と集計を理解するよく使用されます。詳細な手順は次のとおりです。
    1. 紫外可視分光光度計のソフトウェアを開き、「スペクトル スキャン」30をクリックします。
    2. 標準石英キュベット (半 microrectangular 石英セル 100 mm、190 2,700 nm) を使用します。2-3 mL のピペットを使用してサンプルを注入します。
      1. 使用前に 10 分間 50% 硝酸でキュヴェットを洗って精製水で 3 回を洗います。アセトンで洗い流し、超過分を削除し、空気が乾燥。
    3. 700 に器械の設定範囲をプリセット ソフトウェア パネルの上部に「楽器」「波長を設定' をクリックしてして波長タブから 200 nm の波長 nm。
    4. 「ベースライン」をクリックします。バック グラウンド減算対応する '空白' を使用して各スペクトルだけでこの場合水は、ゼオミックすなわちキュベットがいっぱい。
      注: 疎水性試料の場合は、エタノール: 水の相似比は分散媒体として使用されます。
    5. クリックして各サンプルに少なくとも 3 つの個々 のスペクトルを収集"楽器 |プロパティ"スペクトルの数に '3' を入力します。分析の平均値を取る。データを保存し、詳細な分析データをエクスポートします。
  4. ELS を使用してゼータ電位測定
    1. DLS ソフトウェアを開きます。ファイルを作成、ゼータ潜在的な測定個別設定できますモールヴァン マニュアルから屈折値を使用して特定のナノマテリアルの。ソフトウェアなど吸収、粘度、およびサンプルの設定タブをクリックで見られる分散剤の種類に接続することができますその他の情報を入力して「ファイル |「保存し任意の名前で保存します。
    2. クリックして"ファイル |新しい測定を開く"と参照を使用して計測器の性能を確認標準的な DTS 1235 (ゼータ電位標準)。これは 9 の pH で緩衝水溶液の標準ポリスチレン ラテックス、-42 ± 4.2 mv ゼータ電位です。
    3. 少なくとも 1 mL 容量のシリンジでサンプルを準備します。使用使い捨て折り長光はゼータ電位測定の各側面の電極に装備。慎重に泡がない毛細血管細胞チェックのポートのいずれかを介して長光にサンプルを挿入します。
      1. サンプルは、もう一方の端から出てくるし始めたら、ストッパーを挿入し、電極上にこぼしている可能性があります任意の液体を除去します。エタノールと純水で十分にキュベットをクリーンアップします。
    4. 折り畳まれた毛細血管細胞をマシンに挿入します。2 分の平衡し、指定しない限り、200 ° C で計測を集録します。分散サンプルは、以前冷蔵庫の中に格納されている場合、は、使用する前に室温に到達する分散サンプルを許可します。
    5. 自動モードで、少なくとも 5 つの測定値を収集および平均ゼータの潜在的な値を報告します。データをエクスポート、17,18を分析 (-25 以下通常、zeta の潜在的な価値 mV 25 以上 mV が安定するいると見なされます)、オンラインまたはオフラインを解釈し、。
  5. TEM を使用して形態的特性
    1. サンプル準備のためのグリッド (300 メッシュ) ホーリーファイバー炭素膜を使用します。きれいなグリッドに分散サンプル (約 0.1 mL、0.02 mg/mL) のドロップを置きます。
    2. 空気汚染を防ぐために覆われているグリッドを維持しながら、周囲条件で乾燥空気サンプルを許可します。
    3. TEM 画像あり超純粋な水と任意の乾燥の影響を削除するグリッドを洗います。
      注: グリッドの分散滴の添加魅力的な粒子間力につながるグリッド表面に粒子の濃度が増加します。不均一な乾燥は人工物をもたらすことができます。超純粋な水と小さなリンスはこのリスクを排除、グリッド31の均一な乾燥のために有用です。
    4. Dm3 形式の画像を取得し、後で調べること TEM ソフトウェアを使用してオフライン。
      注: 画像は、周囲の粒子サイズ、構造および形状相補的な情報を推定する使用できます。ファイルは、形状やサイズなどのプロパティを定量化できます実施される tiff に変換されます。

Representative Results

両方の超音波タイプの中に時間の経過とともに温度の上昇を示す熱量データは図 2のとおりです。超音波プローブ用バイアル ツイーター (電源 200 W) 装備で分散に効果的な音響電力計算、0.55 ± 0.05 50% 振幅 0.75 ± 0.04 70% 振幅、1.09 ± 0.05 90% 振幅で W と 1.15 ± 50 %amplit で 0.05 W で W で Wude、超音波のお風呂 (電源 80 W)、0.093 ± 0.04 W 100% 設定でする計算に対し。発見は、sonicators によって表示される出力が治療32,33,34下懸濁液に配信よりもはるかに少ないことを示して以前に公開された作品に似ています。

Figure 2
図 2。超音波浴バイアル ツイーターと (B) 装備 (A) 超音波プローブを用いた超音波処理中に時間の経過とともに温度上昇を示す熱量データ。超音波プローブ用バイアル ツイーター (電源 200 W) 装備で分散に効果的な音響電力計算、0.55 ± 0.05 50% 振幅 0.75 ± 0.04 70% 振幅、1.09 ± 0.05 90% 振幅で W と 1.15 ± 50 %amplit で 0.05 W で W で Wude、超音波のお風呂 (電源 80 W)、0.093 ± 0.04 W 100% 設定でする計算に対し。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

さまざまなプロトコルによって生成されるさまざまなナノ分散に関連付けられている結果は、表 2にまとめます。超音波処理の異なる条件を使用して生成された異なるナノ分散に関連付けられている (DL、ELS、TEM によって測定される)、分散質の変動を示した.データ変動が超音波処理期間、ナノ材料の種類などのいくつかの要因によって支配され、期待どおりに、プローブかどうかまたは超音波浴がプロトコルで使用されています。各ナノマテリアルの得られる紫外-可視スペクトルは図 3図 4に示すように、DL の結果を図 5図 6に示します。

表 2の目的は、データの変動の程度を示すのみならず、与えられたナノ分散最適分散プロトコルを識別できるようにするためです。Nanotoxicological テスト メソッドの一部としてこのような分散液を使用されていた場合は理想的には安定した分散があること (できればのマグニチュードで少なくとも ± 30 mV)、(好ましくは、PdI の 0.2 以下)、狭い粒度分布を示す小さな PdI と小さな平均 DL 粒子サイズ、大きな塊の崩壊を示す。ナノ粒子の平均サイズと PdI は全体の幅の測定された強さに Z 平均を定義するここでは、サイズ分布 (上記で紹介)。

NM サンプル コード 超音波処理時間 DLS (nm) によりサイズ 分散インデックス (PdI) ゼータ電位 (mV)
酸化セリウム CeO2_powder 0 396±130 0.763±0.100 17.2±0.4
CeO2_B_15min 15 分 128±4 0.231±0.015 39.2±1.0
CeO2_B_30min 30 分 117±5 0.210±0.008 38.1±0.5
CeO2_B_1h 1 h 95±3 0.209±0.012 46.5±0.5
CeO2_B_2h 2 h 92±2 0.203±0.007 46.5±1.4
CeO2_P_2min 2 分 126±7 0.218±0.005 28.8±0.7
CeO2_P_6min 6 分 131±2 0.209±0.014 40.5±0.7
CeO2_P_10min 10 分 122±1 0.184±0.014 44.4±1.3
酸化亜鉛 (親水性) ZnO_NM110 パウダー 0 1410±120 0.786±0.150 17.1±0.5
ZnO_NM110_B 15 分 239±2 0.130±0.024 25.4±1.0
_15min
ZnO_NM110_B 30 分 251±2 0.166±0.020 21.6±0.3
_30min
ZnO_NM110_B 1 h 310±8 0.162±0.025 21.0±0.2
_1hr
ZnO_NM110_B 2 h 274±3 0.243±0.014 25.2±0.7
_2hr
ZnO_NM110_P 2 分 377±20 0.267±0.025 21.7±0.4
_2min
ZnO_NM110_P 6 分 885±70 0.276±0.023 8.6±0.6
_6min
ZnO_NM110_P 10 分 1074±88 0.673±0.058 11.2±1.4
_10min
酸化亜鉛 (疎水性) ZnO_NM111_ 0 758±86 0.823±0.006 -14.6±0.7
粉体
ZnO_NM111_ 15 分 384±95 0.399±0.074 -17.5±1.0
B_15min
ZnO_NM111_ 30 分 282±35 0.361±0.009 -22.4±0.5
B_30min
ZnO_NM111_ 1 h 296±18 0.379±0.031 -22.8±0.5
B_1hr
ZnO_NM111_ 2 h 280±54 0.366±0.031 -23.7±1.0
B_2hr
ZnO_NM111_ 2 分 227±9 0.402±0.032 19.8±0.8
P_2min
ZnO_NM111_ 6 分 340±58 0.477±0.026 -21.1±0.2
P_6min
ZnO_NM111_ 10 分 370±72 0.626±0.065 -21.8±0.8
P_10min
CNT A32_powder 2 分 306±5 0.279±0.029 -23.7±0.5
A32_B_15min 15 分 250±3 0.200±0.007 -18.0±0.4
A32_B_30min 30 分 255±2 0.282±0.036 -20.2±1.1
A32_B_1hr 1 h 230±3 0.226±0.021 -21.7±0.5
A32_B_2hr 2 h 267±3 0.337±0.019 -20.6±0.6
A32_P_2min 2 分 255±4 0.217±0.011 -22.5±0.4
A32_P_6min 6 分 245±9 0.328±0.029 -23.6±0.8
A32_P_10min 10 分 254±4 0.313±0.029 -23.6±0.5
CNT A106_powder 2 分 580±18 0.305±0.070 -35.9±1.0
A106_B_15min 15 分 573±18 0.404±0.016 -29.5±1.0
A106_B_30min 30 分 479±11 0.363±0.013 -28.8±1.4
A106_B_1hr 1 h 566±22 0.461±0.054 -25.0±0.7
A106_B_2hr 2 h 477±10 0.311±0.027 -26.8±0.5
A106_P_2min 2 分 300±58 0.473±0.053 -29.8±1.0
A106_P_6min 6 分 390±10 0.359±0.022 -40.7±0.5
A106_P_10min 10 分 300±85 0.511±0.134 -24.5±0.7
シルバー Ag_cit 0 72±50 0.462±0.258 -38.7±1.3
Ag_B_15min 15 分 25±1 0.489±0.008 -39.8±2.2
Ag_B_30min 30 分 25±1 0.532±0.036 -30.7±2.8
Ag_B_1hr 1 h 25±1 0.542±0.028 -39.2±1.7
Ag_B_2hr 2 h 28±5 0.387±0.015 -35.8±1.8
Ag_P_2min 2 分 29±1 0.300±0.025 -42.0±2.9
Ag_P_6min 6 分 26±2 0.263±0.017 -40.4±1.5
Ag_P_10min 10 分 6552 0.251±0.011 -47.3±1.4

表 2。NM 水分散体の結果の概要です。サンプル コードで ' P' を示すバイアル ツイーター装備超音波プローブを用いた分散が実施し、'B' のサンプル コードで示された分散は、超音波浴を使用して実施します。すべての測定値は 0.02 mg/mL で撮影されました。超音波処理時間 0 非超音波処理手段懸濁液すなわちでちょうど会社の揺れと他の援助なしの混合します。完全に不溶解性、物理的な振動に純水での分散性 Cnt 風呂超音波発生装置で最初 2 分間超音波処理し、も報告します。

Figure 3
図 3。(A) の CeO2(B) 酸化亜鉛 NM110 水 NM111 (C) 酸化亜鉛分散体の紫外-可視スペクトル.懸濁液の安定性とスペクトル歪み度、スペクトル ピーク強度の変化を注意深く観察による凝集形同様の吸収スペクトルの波長シフトを理解する紫外可視分光法を使用します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 4
図 4。(C) Ag_citrate、(B) Cnt A32 (A) Cnt A106 水分散体の紫外-可視スペクトル。紫外可視分光法を使用して、懸濁液の安定性とスペクトル歪み度、スペクトル ピーク強度の変化を注意深く観察による凝集形同様の吸収スペクトルの波長シフトを理解します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 5
図 5。イ CeO2、(B) 酸化亜鉛 NM110 水 NM111 (C) 酸化亜鉛分散体に DLS で得られる輝度によるサイズ分布この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 6
図 6。(C) Ag_citrate、(B) Cnt A32 (A) Cnt A106 水分散体の DL で得られた強度によってサイズ分布この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

CeO2ナノ材料懸濁液、場合超音波の使用は粒子サイズと PDI 値の全体的な減少につながった。任意の超音波処理せず Z 平均 (396 ± 130 nm) と 0.763 ± 0.100 (表 2) の非常に高い PdI 値マルチ モーダルな震度分布を示した。さらに、分散は 17.2 ± 0.4 mv ゼータの潜在的な値を示しています。≥0.5 の PdI は非常に多のサスペンションを示すことに注意してください。したがって、サンプル ディスク遠心分離に供したし、得られたサイズ分布データも確認した不均一・不均一なサンプル (図 7 a)。TEM によるサンプル形態・ サイズ分析はさらに、分散粒子が多 (図 8) では確かに高度を確認しました。15 分間超音波浴を用いた粉体を分散させる、時に結果は分散の全体的な品質の改善を示した。特に、全体的な安定性 (前述の対応するゼータ電位値) と状単分散を改善しました。2 h に超音波処理時間の増加は、多くの改善された安定性および狭い粒度分布 (表 2) で起因しました。明らかだ、ある分散質の緩やかな改善風呂超音波処理時間を使用する場合流体力学的直径と PdI の漸進的な減少が見られる。分散手順代わりに超音波プローブを使用して実行されていた場合、同様の結果が得られました。全体的にみて、DLS および TEM データによって確認されるように、プローブを用いた集積のより安定した、均一な状態を実現しています。興味深いことに、超音波風呂、プローブのはるかに小さい平均粒径とはるかに高いゼータ電位値としての使用するよりもより良いオプションがあることを証明は、プローブではなく、お風呂を使用して実現できます。それは両方の超音波処理の手順で TEM 顕微鏡写真確認を含める別の一次粒子の存在が観察される: 球、キューブ、および多面体。

Figure 7
図 7。(A) の CeO2_powder と 0 分で水に (B) 酸化亜鉛 NM110_powder 分散ディスク遠心分離で得られた分布のサイズこの図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 8
図 8。サンプルの均一性と安定性に対する超音波照射の影響を示す CeO2の TEM 画像。スケール バーは 100 nm の各サンプルのため。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

分散で使用される酸化亜鉛の 2 つのタイプ、ZnO の場合すなわち、別のサーフェス縦断、親水性 (NM110) と疎水性 (NM111) の ZnO ナノ。結果は、酸化亜鉛の 2 つの型の間に同様の所見を示しています。両方はない超音波処理と分散質が大粒子の平均径と高分散を示すことを示します。NM110 は 1,410 ± 120 nm の Z 平均と PdI 0.786 0.150 ± nm;NM111 では、758 ± 86 nm の Z 平均 0.823 ± 0.006 の PdI をご利用あり。NM110 のディスク遠心分離から得られたサイズ分布データもサンプル多分散性と不均一性 (図 7 b) を確認します。超音波風呂で 15 分治療で減少し、30 分超音波処理時に最適な削減の高原に到達するサイズや熱量の NM110 の分散が表示されます。超音波処理時間が長くは、粒子が最初に凝集されて解除後再凝結による潜在的粒子サイズのデータの一般的な増加を示しています。その一方で、NM110 は、超音波治療の 2 分後に均質で安定した分散を示しています。しかし、6 分、10 分の長いサイクルはまた粒子径と粒子の再凝集を示す PdI 値の増加を示す.(図 9図 10) TEM および紫外-可視 (図 3 b-c) 結果さらにそのような分散質の状態を確認します。興味深いことに、NM111 超音波プローブで処理する場合、非常に同様の結果が観察されます。再び、体系的なアプローチは可能な再凝集が対応する 6 分、10 分の場合と関連付けられるかもしれない、2 分で最高の分散が達成されたことを示します。分散粒子径超音波; の 30 分後に高原に達して超音波バスが代わりに使用されたとき後さらに増加またはサイズまたは分散値の減少は観察されます。また、疎水性 NM111 の得られた TEM 顕微鏡写真は、様々 な工芸品や TEM グリッド (図 10) に他の乾燥効果の存在を示します。前ぬれ性をエタノールやその他の有機溶剤が水性分散液の準備に向けて役に立つかもしれませんが、カーボン グリッド上の疎水性ナノ材料サンプルを固定化に課題があったが表示されます。全体的にみて、最適分散プロトコルを識別し、これは PDI 最小値によって支配される場合は、このそれぞれに対応 ZnO_NM110_B1 h、ZnO_Nm111_B30 分 NM110 親水性と疎水性 NM 111 ケースのため。

Figure 9
図 9。サンプルの均一性と安定性に対する超音波照射の影響を示す酸化亜鉛 NM110 の TEM 画像。スケール バーは、100 nm の各サンプルのため。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 10
図 10。サンプルの均一性と安定性に対する超音波照射の影響を示す酸化亜鉛 NM111 の TEM 画像。スケール バーは、ZnO_NM111_B_15 分、ZnO_NM111_B_1 h、ZnO_NM111_P_2 分、0.1 μ m とサンプル.の残りの 0.2 μ mこの図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

場合、単層カーボンナノ チューブ (Cnt)、このようなナノ材料ではないこと、水に容易に分散特に分散プロトコルは物理攪拌または積極的の使用を含む結果表示が揺れています。両方のマルチ カーボンナノ チューブ (Mwcnt) 本研究で使用されるためです。TEM 顕微鏡写真で 2 分・ 15 分間超音波処理サイクルの A106 と A32 の分散のためのケースではそれぞれ図 11図 12のとおりです。超音波処理時間を増加すると、結果は長さ変更の結果しばしばカーボンナノ チューブの破損を示します。プローブ、超音波超音波処理の場合明らかにそのような長さの変更されました。結果を表示、A106 と A32 Cnt 十分に分散できます 2 分治療後超音波探触子を使用する場合。ここで十分な分散は重要な超音波処理時間のしきい値炭素カーボンナノ チューブ (CNT) のすべてのバンドルはオープン、個々 のチューブが分離35を意味します。6 分または 10 分に超音波処理時間の増加、時に多くの高い分散および長分布の修正を示唆します。最後に、強度分散サイズ データ DL (図 6a-b) から、紫外-可視 (図 4 a-b) を通じて吸収スペクトルは CNT 分散液が超音波処理時間に非常に敏感であるとも確認し、かどうか、プローブやお風呂が使用されています。A106 と A32 Cnt 間 253 310 nm Mwcnt36の典型的な吸収ピークを示します。ピーク強度は、Mwcnt の超音波駆動分散最大達成可能な分散の良い指標である知られています。A106 の A32 紫外線スペクトルは、2 分と 15 分間超音波処理の懸濁液に最適なサイクルを示します。長期にわたる超音波処理時に吸光度スペクトル、スペクトル歪み (ピークの肩の形成) のシフトによって示されているサンプルの破壊と同様、あまりのピーク強度とピークを広げます。

Figure 11
図 11。サンプルの均一性と安定性に対する超音波照射の影響を示す Cnt A106 の TEM 画像。スケール バーは、200 nm の各サンプルのため。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 12
図 12。サンプルの均一性と安定性に対する超音波照射の影響を示す Cnt A32 の TEM 画像。スケール バーは、200 nm の各サンプルのため。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

最後に、比較のいくつかの学位を持っている、データが安定化クエン酸 Ag NPs の市販懸濁液に比較されます (呼び径 10 nm、0.02 mg/mL)。分散が非常に凝集した、特性データを高い多。DLS データは、72 ± 50 nm と 0.46 ± 0.26 (図 6 c) の高い PdI の流体力学的直径とマルチ モーダルな分布を示します。TEM (図 13) と広い表面プラズモン共鳴 (SPR) ピークによる形態素解析 (418 で吸収可視領域で nm) 紫外-可視 (図 4 c) さらに高い多のサンプルを確認します。興味深いことに、分散安定性と PdI、超音波浴治療が向上しますが、場合十分に長い超音波処理期間のみが使用されます。2 h 超音波処理時間は 28 ± 5 nm と PdI 0.387 ± 0.015 (表 1) の粒子サイズが DL に必要です。ただし、超音波プローブを代わりに使用する場合サンプルの均質性と安定性著しく向上 2 分間超音波処理時間だけで 29 ± DL 粒子サイズの結果 1 nm、0.300 ± 0.025、PdI ZP-42 ± 3 mV。分散質のこの改善は明らかで、10 分の超音波処理時間の設定までも 25 ± 2 nm、PdI 0.251 ± 0.011、ZP-47.3 DLS 粒子径 ± 1.4 mV が観察されます。ここでは、バイアルのツイーターを用いた超音波照射の 10 分は、PdI が減少し、ZP が増加します。適切な超音波処理プロトコルを適用した後、このようなそれぞれの時点で対応する TEM 顕微鏡写真はまた改善されたサンプルの均質性を確認します。サンプルの均質性と粒子の TEM 像のカオリンの急速な改善があります。2 分では、バイアルのツイーターを使用して 10 分間超音波処理個々 の粒子と比較していくつかの集積を示します。

Figure 13
図 13。サンプルの均一性と安定性に対する超音波照射の影響を示す商業 Ag NPs の TEM 画像。スケール バーは、200 nm の各サンプルのため。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

高 (mL) 低 (mL)
1.4 0.2
1.2 0.4
1 0.6
0.8 0.8
0.6 1
0.4 1.2
0.2 1.4
0 1.6

テーブル 1。ショ糖密度勾配 1.6 mL の合計ボリュームの混合します。ここで我々 は高、低と 24% のショ糖液として 8% ショ糖液をマークします。次のボリューム (全容積 1.6 mL 各時間) で混合、グラデーションが形成されるまで dis コーン 1 つずつ注入します。

Discussion

研究の究極の目標は、ナノ材料の選択した数の分散液は、水に最適な超音波処理条件が特定できる戦略を開発することです。レビューだけでなく過去の15の推奨事項に従うように前述のギャップを満たすために超音波処理中にプロトコルのステップおよびパラメーターを慎重に文書化するここで試みです。最適な分散状態は、超音波処理のサイクルごとにばらつきを特徴づけるとサンプルの安定性と均一性チェックによって識別されます。超音波処理の手順と安定状態の影響が様々 な解析技術によりナノ材料のキーの物理化学的性質に特徴的な変化に基づく評価: DL、ELS、紫外-可視および TEM。現在のプロトコルは過去の文献からその他研究プロジェクト21,22,37,38,39いくつかのナノ材料の分散のための適応方法変更および改良のキーのギャップ、手順、および同じような表面のより広いナノ材料への適用性に対処7をプロファイルします。ただし、慎重な調整が必要、超音波処理時間、強さ、そしてその他のナノ材料への応用の種類に関してです。また、超音波処理の手順とナノ材料の生物学的活性の間の相関関係を確立するさらなる作業が必要。ナノ分散液の 6 種類の評価、比較が、超音波風呂とセットの時点でバイアル ツィーターが装備超音波プローブを使用して、その安定性のために主に。懸濁液の純度と汚染による意図しない変更を維持するプローブ超音波処理がここでなくなります。バイアル ツイーターでバイアル閉じたままにすることができます。これは、サンプルの任意の交差汚染を排除します。

Sonicators の範囲は異なる周波数、振幅、力と利用できるので、sonicators の校正は重要な要因です。配信停止に効果的な音響エネルギーを調べるには、sonicators の校正は熱量測定を使用して実施します。音響パワー配信バイアル ツイーターの 70% 振幅設定だけでなく、100% 超音波浴設定のため、計算する < 1 W (0.75 ± 0.04 W と 0.093 ± 0.04 W、それぞれ)。しかし、バイアル ツイーターのメーカーによって示される電源出力、風呂超音波発生装置は、それぞれ 200 W と 80 W。これは高出力源にもかかわらずエネルギーのほとんどが空洞化気泡の生成中に失われます、ごく一部が実際に治療26分散に配信を示します。最近の研究では、超音波処理8中良い分散制御のための超音波発生装置の入力電力と比較して空洞化計測制御の重要性を強調しています。方法論は、カーボンナノ チューブなどの非常に繊細なナノ材料の制御の分散のために有望表示され、未来の調査のためお勧めします。

研究で使用される各手法は、すべての制限と異なる原理に基づいています。DLS は、非球面の懸濁液と同様、高い多システムの理想的な手法ではありません。このような状況では、高分解能、精度、および精度40のため DC を推奨します。DC 3% ほどが異なる非常に狭い粒径分布のピークを完全に分離します。TEM ナノ粒子の直接の視覚イメージを提供し、粒子の形状、サイズ、分散凝集の定量のための素晴らしいツールですが、テクニックに必要な試料乾燥アイテム41につながる可能性があります。4.5.3 の手順で説明したように、純水をグリッドを洗浄することにより除去されることができます。

他の中では、方法論は、プロトコル、浸漬深さバイアル ツイーターと同様、超音波のお風呂でバイアルの位置で使用される容器の種類などのいくつかの重要なステップを強調表示します。攪拌中にシステムの温度制御は重要なパラメーターです。超音波風呂とバイアル ツイーターの場合の実行パルス モードで頻繁に水換えは、任意のサンプルの変更を回避するため、超音波処理中に任意の熱の蓄積を避けるために推奨されます。酸化亜鉛など疎水性試料の前ぬれステップ粒子の分散に役立ちますが、これはいくつかの望ましくない変更を誘発する可能性があります。超音波処理時間とエネルギーは、高されるべき重複粒子を凝集するのに十分ながあまりされていない粒子を破壊します。凝集破壊は粒子の種類に依存することが示唆されました。

我々 の調査結果詳細分散プロトコルを持つことの重要性を強調は、結果が、超音波発生装置の種類などの要因によって支配されるとキーの物理化学的性質は、超音波処理中に変更できる可能性があることを示す超音波処理期間時間、および電源の出力。結果は、高い強度の撹拌でサンプル整合性が損なわれる可能性があることを示しています。結果は、破損は、超音波処理の持続期間および強さが変更されたときに発生する可能性が高いので、Cnt が動揺し、非常に敏感であることを示します。Cnt の分散の最適な設定に近い超音波のお風呂で 2 15 分と超音波のプローブを使用してわずか 2 分間です。ただし、超音波まだ原因いくつかのカーボンナノ チューブ ショートニング、ここで正確に定量化することはできません。DLS は、カーボンナノ チューブの特性評価のための理想的なテクニックをできない場合がありますが、それはまだ流体力学的直径カーボンナノ チューブとこのデータが様々 な中でのカーボンナノ チューブの長さ分布の違いの有益であるためにサンプル16,を提供することができます42,43。過去の研究を示す、Cnt の分散プロトコルは大幅に向上界面活性剤の添加による界面活性剤の分子はこのように超音波35,による破損に障壁を提供するカーボンナノ チューブ膜上に吸収されると44します。 ただし、この比較できません現在のプロトコルに直接この場合に関与している界面活性剤がないと。Cnt の場合長さサイズ分布を確保が非常に重要な特定の毒性学的応答と関連付けられたりする縦横比に注意することが重要です。対照的に、CeO2与えた超音波浴またはプローブを使用して時間を長時間超音波処理での Cnt と比較して異なる結果、一次粒子の形成に 。CNT および CeO2 の場合の結果の違いは分散プロトコルなどを調整、超音波処理時間と開始材料に基づき、出力を最適化する重要性を強調すなわち、ナノ粉末のタイプ。パウダー自体の内で集積度にばらつきがあるので、すべてのナノ粉末サンプル タイプが異なります。特定のインスタンスで解消集積プロセス正常にもたらしました TEM 画像では、その他の形の粒子の出現によって明らかなように、一次粒子レベルまで解消集積超音波処理ステップの前に表示はなかった。長期の超音波は、多面的粒子につながる様々 な角度でセリウム酸化物の塊の連続的な破壊で起因しました。

市販買った Ag NPs 分散液の水溶液のサンプルの場合我々 の調査結果はまた、長期安定性と均一性評価のための必要性を強調します。特に長期保管の場合は、使用前に液が十分に特徴づけられていることを確認する必要があります。しかし、ナノ材料は非常に短い貯蔵寿命を持ってください。彼らは、時間と年齢し、作りたての分散と比較して長期保存後の動作が異なります。

ここでの結果は、異なるナノ材料のための最適化されたプロトコルを識別するために調和した戦略の必要性を強調表示します。提示の提案方法超音波処理法でさまざまなバリエーションを実施して相補的な分析方法を使用して異なる時点で分散が十分に特徴付けられることを確保するためです。過去の労働者45によって特徴付けるし、時間と異なる実験条件を介して分散品質を監視する複数の手法の使用の重要性を強調されています。における特定のナノ分散に応えるために超音波処理するさまざまな方法を提示されているがそれら使用される可能性が基礎として水で (同じような表面物性) 他の金属と金属酸化物ナノ材料を分散させるために。ただし、型または液体中いずれかのナノ材料の変更を持っていることによって様々 な要因など、超音波処理時間、強さ、そして超音波発生装置の種類を慎重に調整することができる基本的なプロトコルを最適化する必要が必要です。どのようなプロトコルを選択して最適なそことして識別は常にスキームおよび超音波分散プロシージャの二段折れ曲がりシーケンスに関する詳細なレポートを持っている必要です。これは、解釈可能性と比較可能性を改善するために重要です。このプロトコルのアプリケーションの 1 つは未来の調査のための調和で標準化されたアプローチにつながる他のラボの中でデータ比較を容易にします。水から離れて他の分散媒体に現在の方法論と制御パラメーターを利用でき、ケースバイ ケースでの比較を描画できます。

Disclosures

著者は競合する財務持分を有していません。IK と EVJ 共同構想 IK のデザインの研究、実験を実行、データを分析、そして原稿を準備しました。LJE および IR 電子顕微鏡イメージングを行った。SA、マルチ商法と MC 提供、Cnt と共著者の残りの部分の議論し原稿すべての段階および原稿の編集貢献 RT にコメントします。

Acknowledgments

これらの結果につながる研究は、NE/J010783/1 から資金を受けています。プロジェクト NanoValid は、欧州連合の研究、技術開発、およびグラント契約第 263147 の下でデモ 7 プログラムから資金を受けています。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Cerium oxide nanopowder Sigma-Aldrich 544841 <25 nm particle size (BET)
Zinc oxide European Commission's Joint Research Centre (JRC) NM110 hydrophylic
Zinc oxide European Commission's Joint Research Centre (JRC) NM111 hydrophobic
Multi walled carbon nanotubes NanoMile project (Large Collaborative Project under the European Commission's 7th Framework Programme) A32 (MWCNT1) 3.0±1.8 µm long, O/C ratio of 4.5%
Multi walledcarbon nanotubes NanoMile project A106 (MWCNT2) 3.3±2.4 µm long, O/C ratio of 7%
Silver dispersion Sigma-Aldrich 730785 10 nm particle size (TEM), 0.02 mg/mL
Zetasizer nano Malvern Instruments Particle size and zeta-potential measurements 
Disc Centrifuge CPS instruments Inc. Model DC 24000 Particle size distribution by centrifugal sedimentation
Transmission electron microscope JEOL USA Jeol 1200EX TEM Bright field images, particle size, shape, agglomeration
Ultrasonic probe fitted with a vial tweeter Hielscher UIS250V Sonicator
Ultrasonic bath Branson  Model 1510 Sonicator
Eppendorf vials Eppendorf 2236411-1 1.5ml capacity
UV-vis spectrophotometer Jenson flight deck Model 6800 SPR peaks, suspension stability
Disposable folded capillary cell Malvern Instruments DTS 1070 for the measurement of elecr
Zeta- potential standard Malvern Instruments DTS 1235
Quartz cuvette Jasco 1103-0042 Rectangular quartz cell 10 x 100
Spectrosil Quartz with lid 190 -2700 nm

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References

  1. Yin, L., Wang, Y., Pang, G., Koltypin, Y., Gedanken, A. Sonochemical Synthesis of Cerium Oxide Nanoparticles-Effect of Additives and Quantum Size Effect. J Colloid Interface Sci. 246, (1), 78-84 (2002).
  2. Mandzy, N., Grulke, E., Druffel, T. Breakage of TiO2 agglomerates in electrostatically stabilized aqueous dispersions. Powder Technol. 160, (2005).
  3. Nickel, C., et al. Dynamic light-scattering measurement comparability of nanomaterial suspensions. J Nanopart Res. 16, (2), 12 (2014).
  4. Ray, T. R., Lettiere, B., de Rutte, J., Pennathur, S. Quantitative Characterization of the Colloidal Stability of Metallic Nanoparticles Using UV-vis Absorbance Spectroscopy. Langmuir. 31, (12), 3577-3586 (2015).
  5. Jiang, J., Oberdöster, G., Biswas, P. Characterization of size, surface charge, and agglomeration state of nanoparticle dispersions for toxicological studies. J Nanopart Res. 11, (2009).
  6. Wu, W., et al. Dispersion Method for Safety Research on Manufactured Nanomaterials. Industrial Health. 52, (1), 54-65 (2014).
  7. Taurozzi, J. S., Hackley, V. A., Wiesner, M. R. Ultrasonic dispersion of nanoparticles for environmental, health and safety assessment - issues and recommendations. Nanotoxicology. 5, (4), 711-729 (2011).
  8. Sesis, A., et al. Influence of Acoustic Cavitation on the Controlled Ultrasonic Dispersion of Carbon Nanotubes. J Phys Chem B. 117, (48), 15141-15150 (2013).
  9. Farré, M., Gajda-Schrantz, K., Kantiani, L., Barceló, D. Ecotoxicity and analysis of nanomaterials in the aquatic environment. Anal Bioanal Chem. 393, (1), 81-95 (2009).
  10. Mandzy, N., Grulke, E., Druffel, T. Breakage of TiO2 agglomerates in electrostatically stabilized aqueous dispersions. Powder Technol. 160, (2), 121-126 (2005).
  11. Meißner, T., Oelschlägel, K., Potthoff, A. Dispersion of nanomaterials used in toxicological studies: a comparison of sonication approaches demonstrated on TiO2 P25. J Nanopart Res. 16, (2), 1-13 (2014).
  12. Cronholm, P., et al. Effect of sonication and serum proteins on copper release from copper nanoparticles and the toxicity towards lung epithelial cells. Nanotoxicology. 5, (2), 269-281 (2011).
  13. Murdock, R. C., Braydich-Stolle, L., Schrand, A. M., Schlager, J. J., Hussain, S. M. Characterization of Nanomaterial Dispersion in Solution Prior to In Vitro Exposure Using Dynamic Light Scattering Technique. Toxicol Sci. 101, (2), 239-253 (2008).
  14. Bihari, P., et al. Optimized dispersion of nanoparticles for biological in vitro and in vivo studies. Particle Fibre Toxicol. 5, (1), 1-14 (2008).
  15. Hartmann, N. B., et al. Techniques and Protocols for Dispersing Nanoparticle Powders in Aqueous Media-Is there a Rationale for Harmonization? J Toxicol Environ Health, B. 18, (6), 299-326 (2015).
  16. Murdock, R. C., Braydich-Stolle, L., Schrand, A. M., Schlager, J. J., Hussain, S. M. Characterization of nanomaterial dispersion in solution prior to in vitro exposure using dynamic light scattering technique. Toxicol Sci. 101, (2008).
  17. Hunter, R. J. Zeta Potential in Colloid Science: Principles and Applications. Academic Press. (1981).
  18. Lyklema, J. Fundamentals of Interface and Colloid Science. (1991).
  19. Sikora, A., et al. A systematic comparison of different techniques to determine the zeta potential of silica nanoparticles in biological medium. Analytical Methods. 7, (23), 9835-9843 (2015).
  20. Lamberty, A., et al. Interlaboratory comparison for the measurement of particle size and zeta potential of silica nanoparticles in an aqueous suspension DISCUSSION. J Nanopart Res. 13, (12), 7317-7329 (2011).
  21. Taurozzi, J. S., Hackley, V. A., Weisner, M. R. NIST Special Publication. Vol. 1200-1. U.S. Department of Commerce/National Institute of Standards and Technology. Washington D.C. (2012).
  22. Taurozzi, J. S., Hackley, V. A., Weisner, M. R. NIST Special Publication. Vol. 1200-2. U.S. Department of Commerce/National Institute of Standards and Technology. Washington D.C. (2012).
  23. Taurozzi, J. S., Hackley, V. A., Weisner, M. R. NIST Special Publication. Vol. 1200-3. U.S. Department of Commerce/National Institute of Standards and Technology. Washington D.C. (2012).
  24. Taurozzi, J. S., Hackley, V. A., Wiesner, M. R. A standardised approach for the dispersion of titanium dioxide nanoparticles in biological media. Nanotoxicol. 7, (4), 389-401 (2013).
  25. NanoValid. www.nanovalid.eu. Available from: http://www.nanovalid.eu (2017).
  26. Yamaguchi, K. -i, Matsumoto, T., Kuwata, K. Proper calibration of ultrasonic power enabled the quantitative analysis of the ultrasonication-induced amyloid formation process. Protein Sci. 21, (1), 38-49 (2012).
  27. Maxit, B. Particle size measurements of dark and concentrated dispersions by dynamic light scattering. (2010).
  28. Darlington, T. K., Neigh, A. M., Spencer, M. T., Guyen, O. T. N., Oldenburg, S. J. Nanoparticle characteristics affecting environmental fate and transport through soil. Environ Toxicol Chem. 28, (6), 1191-1199 (2009).
  29. Mejia, J., Lucas, S. Protocol for the particle determination of a given MNM by the centrifuge liquid sedimentation (CLS) technique. (2015).
  30. Jenway. Model 6305 Spectrophotometer. (2014).
  31. Michen, B., et al. Avoiding drying-artifacts in transmission electron microscopy: Characterizing the size and colloidal state of nanoparticles. Sci Rep. 5, 9793 (2015).
  32. Contamine, R. F., Wilhelm, A. M., Berlan, J., Delmas, H. Power measurement in sonochemistry. Ultrason Sonochem. 2, (1), S43-S47 (1995).
  33. Kimura, T., et al. Standardization of ultrasonic power for sonochemical reaction. Ultrason Sonochem. 3, (3), S157-S161 (1996).
  34. Raso, J., Mañas, P., Pagán, R., Sala, F. J. Influence of different factors on the output power transferred into medium by ultrasound. Ultrason Sonochem. 5, (4), 157-162 (1999).
  35. Matarredona, O., et al. Dispersion of Single-Walled Carbon Nanotubes in Aqueous Solutions of the Anionic Surfactant NaDDBS. J Phys Chem B. 107, (48), 13357-13367 (2003).
  36. Jiang, L., Gao, L., Sun, J. Production of aqueous colloidal dispersions of carbon nanotubes. J Colloid Interface Sci. 260, (1), 89-94 (2003).
  37. Jensen, K. A., Kembouche, Y., Christiansen, E., Jacobsen, N. R., Wallin, H., Guiot, C., Spalla, O., Witschger, O. The generic NANOGENOTOX dispersion protocol-Standard operation procedure (SOP). 32 (2011).
  38. 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).
  39. PROSPEcT. Protocol for nanoparticle dispersion. (2010).
  40. CPS Instruments, E. urope Introduction to Differential Sedimentation. Netherlands. Available from: http://www.cpsinstruments.eu/pdf/Introduction%20Differential%20Sedimentation.pdf (2007).
  41. Mavrocordatos, D., Pronk, W., Boller, M. Analysis of environmental particles by atomic force microscopy, scanning and transmission electron microscopy. Water Sci Technol. 50, (12), 9-18 (2004).
  42. Moon, Y. K., Lee, J., Lee, J. K., Kim, T. K., Kim, S. H. Synthesis of Length-Controlled Aerosol Carbon Nanotubes and Their Dispersion Stability in Aqueous Solution. Langmuir. 25, (3), 1739-1743 (2009).
  43. Cheng, X., et al. Characterization of Multiwalled Carbon Nanotubes Dispersing in Water and Association with Biological Effects. J Nanomat. 2011, 12 (2011).
  44. Dassios, K. G., et al. Optimization of Sonication Parameters for Homogeneous Surfactant-Assisted Dispersion of Multiwalled Carbon Nanotubes in Aqueous Solutions. J Phys Chem C. 119, (13), 7506-7516 (2015).
  45. Domingos, R. F., et al. Characterizing Manufactured Nanoparticles in the Environment: Multimethod Determination of Particle Sizes. Environ Sci Technol. 43, (19), 7277-7284 (2009).

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