Dispersione dei nanomateriali in mezzi acquosi: verso l'ottimizzazione dei protocolli

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Summary

Qui, presentiamo un protocollo graduale per la dispersione dei nanomateriali in mezzi acquosi con caratterizzazione in tempo reale per identificare le condizioni ottimali di sonicazione, intensità e durata per una migliore stabilità e uniformità delle nanoparticelle dispersioni senza compromettere l'integrità del campione.

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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

Il processo di sonicazione è comunemente utilizzato per-agglomerazione e la dispersione dei nanomateriali in mezzi acquosi di base, necessarie per migliorare l'omogeneità e stabilità della sospensione. In questo studio, un sistematico approccio graduale è effettuato per identificare condizioni di sonicazione ottimale al fine di ottenere una dispersione stabile. Questo approccio è stato adottato e indicato per essere adatto per alcuni nanomateriali (nanotubi di carbonio, ossido di zinco e ossido di cerio) dislocati in acqua deionizzata (DI). Tuttavia, con qualsiasi cambiamento nel tipo di nanomateriale o mezzo disperdente, c'è bisogno di essere ottimizzazione del protocollo base di regolazione diversi fattori quali tempo di sonicazione, potenza e sonicatore tipo così come aumento di temperatura durante il processo. L'approccio registra il processo di dispersione in dettaglio. Ciò è necessario per identificare i punti di tempo, nonché altre condizioni di cui sopra durante il processo di sonicazione in cui ci possono essere cambiamenti indesiderabili, quali danni alla superficie della particella, influenzando così le proprietà di superficie. Il nostro obiettivo è di offrire un approccio armonizzato che può controllare la qualità della dispersione finale, prodotta. Tali linee guida è fondamentale per garantire ripetibilità di qualità di dispersione nella comunità nanoscienza, particolarmente nel campo della nanotossicologia.

Introduction

Sonicazione è il processo di generazione di cavitazioni, che coinvolge la creazione, la crescita e collasso di bolle (spesso chiamate hot spot) formata nel liquido dovuto l'irradiazione di ultrasuono ad alta intensità1. In un ambiente di laboratorio, il metodo di sonicazione avviene mediante un sonicatore. Ci sono diversi sonicatori, tutti aventi la funzione generale di-agglomerare particelle, che si disperdono in un mezzo liquido come particelle individuali (o primarie). Applicando la sonicazione, omogeneità del campione può migliorare, potenzialmente raggiungere una molto più stretta distribuzione granulometrica. Un aspetto importante da considerare nel processo di dispersione è la stabilità della dispersione finale. Qui, la stabilità della sospensione è definita come dove le particelle non si depositano o sedimento giù nel loro stato disperso e il medio diametro idrodinamico misure non variano di più del 10% tra le cinque misurazioni ripetute durante il quello tempo (circa 10 min)2,3. Ci sono diversi modi per misurare la stabilità di dispersione. Questo include la stima del potenziale zeta (ZP) attraverso la misura di mobilità elettroforetica delle particelle. Un altro è quello di misurare l'assorbimento caratteristico delle nanoparticelle in gamma spettrale UV4.

Nel campo della nanotossicologia, la possibilità di avere il controllo sulla qualità di dispersione è molto importante, come il passo di dispersione determinerà principali proprietà fisico-chimiche, come dimensione di granulometria, forma, aggregazione/agglomerazione, superficie caricare, ecc questo a sua volta infine interesserà l'interazione delle particelle con mezzi di prova ed il risultato di vari esperimenti in vitro e in vivo , al fine di dedurre i rischi potenziali dei nanomateriali.

Sonicazione è comunemente effettuata utilizzando un tipo di sonda (diretto) o un bagno ad ultrasuoni, o sonda ad ultrasuoni con un tweeter flaconcino (sonicazione indiretta). Tutti i tipi di sonicazione sono disponibili in una gamma di intensità e impostazioni di alimentazione, a volte adattate con un diverso tipo di sonotrodo per processi specifici o requisiti, di uscita e sono adatti per volumi liquidi che vanno da 2 a 250 mL. Anche se la sonda ultrasuoni sono conosciuto per svolgere meglio sonicazione bagno a causa di alta intensità localizzata5, sonicazione bagno spesso è preferibile rispetto sonda-tipo per la preparazione di sospensioni di test tossicologici causa del possibile rischio di contaminazione attraverso la punta, erosione della sonda di titanio suggerimento dopo un uso prolungato e sonda ad immersione profondità discrepanze. Allo stesso modo, una sonda ad ultrasuoni montata con un tweeter flaconcino è vantaggiosa sopra la sonda diretta dovuto i rischi di contaminazione di cui sopra, così come la cordialità di funzionamento dell'apparecchiatura. Diversi flaconcini sono sonicati allo stesso tempo e alla stessa intensità. Questo non solo consente di risparmiare tempo, ma assicura che tutti i campioni sono trattati allo stesso modo, che rende i risultati tra i campioni più affidabili e comparabili. La ricerca di sicurezza dei nanomateriali, contaminazione è sempre evitato. Tuttavia, il sonicatore sonda non va bene per questo requisito e non è stato testato. Sonicatori sonda sono noti per causare alcuni effetti collaterali inevitabili come contaminazione del campione a causa dell'erosione di punta come pure ridotta produzione di energia che portano ad alterazioni delle condizioni di dispersione, quindi compromettere dati riproducibilità6, 7 , 8. Inoltre, i campioni vengono solitamente eseguiti in recipienti scoperti che conduce alla perdita di liquido dovuta all'evaporazione così come deposizione della polvere. Al fine di evitare queste alterazioni non intenzionali, studi recenti consiglia sonicatori indirette alternativi basati su loro l'erogazione di energia efficace nonché sospensione purezza garanzia6.

Sonicazione ottimizzato non può avere un effetto negativo sui risultati. Potenzialmente, può modificare le proprietà fisiche e chimiche chiave dei nanomateriali quali dimensione, distribuzione delle dimensioni, morfologia e carica superficiale2,9. La letteratura precedente ha segnalato tali carenze per controllare il processo di sonicazione e l'impatto sui parametri delle particelle come nano-TiO25,10,11, nano-ZnO6e nano-rame12 . Inoltre, studi precedenti hanno mostrato che il processo di sonicazione non solo altera le caratteristiche della particella, ma regola anche il risultato dei test tossicologici12,13.

Per avere il controllo sul processo di dispersione, è importante monitorare e comprendere come i diversi fattori come il tipo sonicatore, uno strumento potenza e durata, volumi, ecc., può influire sulla qualità di dispersione. Quindi, c'è la necessità di avere una procedura sistematica per analizzare le principali caratteristiche fisico-chimiche delle particelle nella dispersione in diversi momenti del processo di sonicazione. Sebbene tali considerazioni hanno tenute conto di alcuni ricercatori, lavoro in questo settore è limitato. Bihari et al hanno studiato la stabilità di dispersione delle dispersioni di nanomateriale diversi realizzati con energie differenti ultrasuono con vari dispersione stabilizzatori14. Una recente revisione di Hartmannn et al ha evidenziato che anche se il lavoro è stato fatto per capire i diversi fattori che influenzano nanomateriale dispersione qualità ad es., tipo di sonicatore utilizzato, tempo di sonicazione, ecc., non c'è ancora procedura di sonicazione ben definito e universalmente accettato che attualmente supporta nanotoxicological test e indagini7,15.

Diverse tecniche di caratterizzazione analitica vengono utilizzati per monitorare la qualità di dispersione. Questi includono l'uso di: Dynamic Light Scattering (DLS), disco di centrifugazione, elettroforetica Light Scattering (ELS), spettroscopia ultravioletto-visibile (UV-vis) e microscopia elettronica in trasmissione (TEM), che misura la dimensione di granulometria, potenziale Zeta, la stabilità di dispersione e le caratteristiche di morfologia, rispettivamente. DLS viene spesso utilizzato per determinare il diametro idrodinamico (Z-Media) delle particelle e indice di polidispersione (PdI) di nanomateriale dispersione. In caso di distribuzione di dimensione multimodale di DLS, Z-media ottenuta non può concordare con l'intensità di distribuzione di dimensione ponderati per intensità. Come tale, la media della distribuzione ponderata intensità dimensione può essere citata. PdI riflette l'ampiezza della distribuzione dimensione con una scala che va da 0 - 1, dove 0 è un campione di monodispersed e 1 è un altamente polidispersi esempio16. Disco centrifugazione è una tecnica di separazione utilizzata per determinare la distribuzione granulometrica mediante sedimentazione centrifuga in un mezzo liquido. Il sedimento di particelle all'interno di un otticamente chiaro e ruotando il disco e la quantità di luce diffusa dalle particelle quando raggiungono il bordo del disco è registrato e convertito in distribuzione granulometrica mediante la legge di Stokes. Per risolvere la distribuzione delle particelle multi-modale, tecniche come la centrifuga del disco sono più adatti come hanno un elemento del meccanismo di separazione integrato all'interno dello strumento. Potenziale Zeta (ζ -potenziale) delle particelle è definito come il potenziale elettrico al loro taglio o piano di scivolamento, che è un nozionale limite all'interno del doppio strato elettrico che separa il liquido (in massa) mostrando normale comportamento viscoso dalla Livello di poppa, un livello che è principalmente composto da ioni di contatore e considerato per muoversi con la particella. Il potenziale zeta è direttamente correlato alla carica superficiale delle particelle e quindi l'interazione elettrostatica (cioè, repulsione/attrazione) tra le particelle. Questo parametro è pertanto considerato un indicatore primario di nanomateriale stabilità di dispersione. Per convenzione, potenziale zeta valore sotto -25 mV e sopra 25 mV sono considerati stabili17,18. La concentrazione e il tipo di ioni, come pure il pH della soluzione, influenzano fortemente il potenziale zeta19. ELS è utilizzato per misurare la mobilità elettroforetica delle particelle in dispersione e questa mobilità viene convertita in potenziale attraverso l'equazione di Henry e i modelli di Smoluchowski o Hückel zeta. Spettroscopia UV-vis è una tecnica utilizzata per quantificare la luce che viene assorbita e sparsi da un campione ad una particolare lunghezza d'onda. Esso è spesso utilizzato per monitorare la stabilità di dispersione misurando l'assorbimento caratteristico dei nanomateriali nella regione degli UV. Infine, TEM viene spesso utilizzato per visualizzare e analizzare la dimensione, distribuzione granulometrica, agglomerazione e forma delle nanoparticelle5,14,15,20.

Presentiamo uno studio comparativo delle sei dispersioni di nanomateriale diversi realizzati con bagno ad ultrasuoni e una sonda ad ultrasuoni montato con un tweeter flaconcino. La concentrazione di particelle, temperatura, tipo sonicatore e le impostazioni utilizzate nello studio sono specificate nel protocollo, affinché le impostazioni sperimentali per sonde simili e bagni a ultrasuoni possono essere dedotte. Vengono utilizzati i seguenti nanomateriali: argento (Ag), ossido di cerio (CeO2), ossido di zinco (ZnO, NM110-idrofili e NM111-idrofobo) e nanomateriali a base di carbonio come i nanotubi di carbonio (A32 e A106, Vedi Tabella materiali).

Valutazione della qualità di dispersione in diversi momenti lungo il processo di sonicazione è fatta utilizzando diverse tecniche di caratterizzazione, vale a dire le liste di distribuzione per dimensione/distribuzione granulometrica, disco centrifugazione per granulometria, ELS per potenziale, zeta Spettroscopia UV-vis per stabilità e TEM per la forma delle particelle e omogeneità. Un numero di diversi nanomateriali che vanno da ossidi metallici a base di carbonio è valutati. Per confronto, commerciale sospensione acquosa di nanoparticelle d'argento (Ag NPs) stabilizzato con citrato tappatura viene utilizzato in parallelo, per dedurre la stabilità a lungo termine prevista di sospensione disponibile commercialmente rilevante. Ovviamente, questo modello di NPs Ag non è direttamente correlato a qualsiasi delle procedure dispersione ma agisce unicamente per indicare la necessità di ri-trattare con ultrasuoni o ri-stabilizzare le sospensioni dopo qualche tempo di deposito come modifiche quali ri-agglomerazione sono tenute a verificarsi durante deposito. La sospensione è conservata in frigorifero per due mesi. Durante questo periodo, la dispersione è caratterizzata per identificare potenziali agglomerazione delle particelle. I risultati iniziali mostrano una sospensione instabile (come discusso nella sezione risultati ). Successivamente, questa dispersione è ulteriormente sottoposto a trattamenti di sonicazione diverso, simile a altri nanomateriali utilizzati nello studio. Lo scopo dello studio è quello di confermare che abbiamo possiamo de-agglomerati la sospensione attraverso lo stesso protocollo di sonicazione. Il modello Ag NPs può quindi essere associato come punto di riferimento per studi a lungo termine che rappresentano ri-dispersione di particelle in forma ottimizzata.

I protocolli di dispersione presentati qui condividono somiglianze a quelle pubblicate nella letteratura precedente e incorpora alcune delle poche raccomandazioni precedentemente da ultimi lavoratori7,21,22,23 ,24,25. In questo studio, un approccio sistematico e graduale viene utilizzato per monitorare la qualità di dispersione in tutto il protocollo di dispersione. Questo approccio si impegna in tempo reale caratterizzazione delle dispersioni nanomateriale, al fine di individuare le condizioni ottimali di dispersione sperimentale (Figura 1).

Figure 1
Figura 1. Diagramma di flusso raffigurante lo schema e la sequenza graduale del protocollo dispersione. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Protocol

Nota: Tutti i prodotti chimici sono utilizzati come ricevuto senza ulteriore purificazione. Utilizzare acqua ultrapura in tutto lo studio con una resistività di 18 MΩ·cm. Tutte le dispersioni preparate vengono in genere archiviate a 5 ° C al buio per qualsiasi ulteriore caratterizzazione o studi di stabilità futura, ma questo può variare a seconda della composizione del materiale e altre proprietà associate come dissoluzione. Ad esempio, NPs Ag sono in genere stabili per un certo tempo se conservati tra 2-5 ° C lontano dalla luce solare; Tuttavia, le modifiche dinamiche sono legate per accadere all'interno delle sospensioni e dispersioni saranno ri-agglomerati tuttavia e sono noti per sedimenti verso il basso con il tempo. Analizzare questi materiali con DLS, UV-vis e TEM per la verifica di qualità prima di4,5,13,14di analisi biologica. Una concentrazione di 0,02 mg/mL viene utilizzata per l'analisi qui sotto. La concentrazione del campione è adatta per l'analisi utilizzando DLS, UV-vis, la centrifuga del disco, potenziale zeta calcoli e analisi TEM.

1. taratura della potenza erogata da sonicatori

Nota: La potenza acustica efficace consegnata alla sospensione lisati mediante è un parametro importante per ottenere dispersioni riproducibile. Questo è diverso dall'input elettrico o la potenza di uscita del generatore indicato dal fabbricante in quanto questo è l'effettivo potere che è possibile spedire la sospensione durante la sonicazione26. Tra molti metodi per il calcolo della potenza effettiva erogata, il metodo più comunemente usato è la calorimetria26. Questo è noto per essere un modo semplice ed efficiente per la misura diretta di un effettivo potere consegnato a una sospensione7. In questo metodo, l'aumento di temperatura nel liquido in un sonicatore determinata impostazione è registrato nel corso del tempo e la potenza effettiva erogata viene calcolata utilizzando la seguente equazione:
Equation
dove P è la potenza acustica erogata (W), T è la temperatura (K), t corrisponde al tempo (s), CP è il calore specifico del liquido (4.18 J/g · K per l'acqua), e M è la massa del liquido (g).

  1. Calibrazione della potenza erogata dalla sonda ad ultrasuoni dotato di un tweeter flaconcino
    Nota: Il metodo è adattato da Taurozzi et al. 7 e i passaggi seguenti sono raccomandati.
    1. Posizionare un flaconcino di plastica vuoto sulla microbilancia e tarare la bilancia.
    2. Riempire la fiala con 1,5 mL di acqua deionizzata (resistività 18 MΩ·cm) e registrare la massa del liquido utilizzando l'equilibrio.
    3. Posizionare la cuvetta in uno dei fori nella parte alta intensità del tweeter flaconcino sei flaconcino ed immergere una sonda di temperatura collegata ad un misuratore di temperatura digitale utilizzando un morsetto. Assicurarsi che la sonda non tocchi le pareti del flaconcino ed è circa 2 cm sotto la superficie del liquido.
    4. Impostare l'impostazione di tweeter flaconcino a 24 kHz e 10 W (regolazione di ampiezza al 50%) e operare in modo continuo.
      Nota: Altre regolazioni di ampiezza testati qui sono 70%, 90% e 100%.
    5. Registrare l'aumento nella temperatura dell'acqua per l'iniziale 5 min ad intervalli di 30 s e garantire che il flacone o il set up non cambiare posizione.
    6. Creare una temperatura contro grafico temporale in un software di foglio di calcolo e ottenere il miglior contatto lineare per la curva di regressione di minimi quadrati.
    7. Realizzare la pendenza del grafico (che è l'aumento della temperatura nel tempo) e calcolare la potenza consegnati utilizzando l'equazione 1. Ripetere l'esperimento tre volte e ottenere il valore medio.
    8. Ripetere la procedura dal passaggi 1.1.1 - 1.1.4 per impostazioni di ampiezza 70%, 90% e 100%. Il valore di potenza ottenuto mediante questa procedura viene segnalato durante la procedura di dispersione.
  2. Calibrazione della potenza erogata da un bagno ad ultrasuoni
    1. Posizionare un flaconcino di plastica vuoto sulla microbilancia e tarare la bilancia.
    2. Riempire la fiala con 1,5 mL di acqua deionizzata (resistività 18 MΩ·cm) e registrare la massa del liquido utilizzando l'equilibrio.
    3. Posizionare la cuvetta nel mezzo il bagno a ultrasuoni che metà immerso in acqua e fissarlo con una fascetta. Immergere una sonda di temperatura collegata ad un misuratore di temperatura digitale utilizzando un morsetto. Assicurarsi che la sonda non tocchi le pareti del flaconcino ed è circa 2 cm sotto la superficie del liquido.
    4. Impostare il bagno a ultrasuoni a 40 KHz e 80 W e operare in modo continuo.
    5. Registrare l'aumento nella temperatura dell'acqua per l'iniziale 5 min ad intervalli di 30 s e garantire che il flacone o il set up non cambiare posizione.
    6. Creare una temperatura contro il grafico del tempo in excel e ottenere il miglior contatto lineare per la curva di regressione di minimi quadrati.
    7. Realizzare la pendenza del grafico in un foglio elettronico (che è l'aumento della temperatura nel tempo) e calcolare la potenza consegnati utilizzando l'equazione 1. Ripetere l'esperimento tre volte e ottenere il valore medio. Il valore di potenza ottenuto mediante questa procedura viene segnalato durante la procedura di dispersione.

2. dispersione procedura in mezzo acquoso, usando una sonda ultrasonica dotato di un Tweeter flaconcino

  1. Pesano 2 mg di ognuna delle nanopolveri richiesto usando una spatola pulita nei tre flaconi di vetro pulito. Etichettarli come fiale 1, 2 e 3.
  2. Pipettare 1 ml di acqua deionizzata e aggiungere lungo le pareti di ogni flacone. Fare una pasta spessa con l'aiuto di una bacchetta di vetro pulito sottile, quindi aggiungere il resto dell'acqua per rendere una concentrazione finale di 0,2 mg/mL. In caso di un campione idrofobo, eseguire il pre-bagnatura con 1 mL di soluzione 0,5% vol/vol di etanolo e aggiungere dell'acqua distillata per compensare la concentrazione finale richiesta.
  3. Sigillare ogni flacone con il tappo e agitare bene nel movimento circolare orizzontale a removeany nanopolveri che attacca alle pareti del flaconcino.
  4. Mettere le tre fiale la sonda ad ultrasuoni montata con un tweeter flaconcino e applicare il primo trattamento di sonicazione per 2 min a 1.1 W in modalità pulsata (1 s s/1, che significa 1 s su e 1 s off). Questo vi darà un aumento di temperatura di circa 4 ° C la dispersione.
  5. Togliere flaconcino 1 e pipetta fuori una quantità adeguata di aliquota dalla parte superiore della fiala, diluirlo con acqua deionizzata ad una concentrazione di 0,02 mg/mL. Caratterizzano la dispersione diluita per dimensione, distribuzione granulometrica, forma, agglomerazione e potenziale zeta utilizzando una gamma di tecniche gratuiti quali DLS, TEM, UV-vis ed ELS (discusso nella sezione 4). Registrare e documentare le misurazioni con precisione.
  6. Pausa di 10 min dal passo 2.4 per consentire il raffreddamento del campione e per evitare qualsiasi aumento di temperatura brusco nel sistema. Applicare un secondo trattamento di sonicazione per fiale 2 e 3 per 4 min con le stesse impostazioni di ampiezza e modalità pulsata. Estrarre la fiala 2, ripetere il punto 2.5 e documentare le letture dopo 6 min di sonicazione.
  7. Mettere in pausa per 10 minuti, applicare un terzo trattamento di sonicazione per flaconcino 3 per un altro 4 min e quindi seguire passo 2.5. Registrare e documentare le misurazioni a 10min di sonicazione (discusso nella sezione 4).
    Nota: Gli occhiali di protezione, guanti e camici da laboratorio devono essere indossati quando si maneggia sospensioni delle nanoparticelle. Il sonicatore dovrà essere collocato in impianto acustico durante gli esperimenti più a lungo, e paraorecchie di alta protezione devono essere indossati quando si lavora vicino alla fonte di ultrasuono.

3. dispersione procedura in mezzo acquoso utilizzando un bagno ad ultrasuoni

  1. Pesare 2 mg di ciascuno delle nanopolveri richiesto utilizzando una spatola in quattro flaconcini di vetro pulito ed etichettarle come fiale 4, 5, 6 e 7.
  2. Pipettare fuori poche gocce di acqua DI aggiungere lungo le pareti di ogni fiala e fare una pasta spessa con l'aiuto di una bacchetta di vetro pulito sottile. Quindi aggiungere il resto dell'acqua per rendere una concentrazione finale di 0,2 mg/mL in ogni flaconcino.
    Nota: In caso di un campione idrofobo, pre-bagnatura viene effettuata con 1 mL di soluzione 0,5% vol/vol di etanolo e DI acqua viene quindi aggiunto per compensare la concentrazione finale richiesta.
  3. Sigillare ogni flacone con il tappo e agitare bene nel movimento circolare orizzontale per rimuovere qualsiasi nanopolveri che attacca alle pareti del flaconcino.
  4. Posizionare le quattro fiale in mezzo bagno ad ultrasuoni con le fiale che metà immerso in acqua e applicare il primo trattamento di sonicazione a 80 W per 15 min a temperatura ambiente. Questo darebbe un aumento di temperatura di circa 3 ° C la dispersione.
  5. Rimuovere il flacone 4 da bagno ad ultrasuoni e pipettare fuori una quantità adeguata di aliquota dalla parte superiore della fiala, diluirlo con acqua deionizzata ad una concentrazione di 0,02 mg/mL e caratterizzano il campione per dimensione, distribuzione granulometrica, forma, agglomerazione e zeta potenziale utilizzando una gamma di tecniche gratuiti quali DLS, TEM, UV-vis ed ELS (discusso nella sezione 4). Registrare e documentare le misurazioni.
  6. Cambiare l'acqua nel bagno ad ultrasuoni e applicare un secondo trattamento di sonicazione fiale 5, 6 e 7 per altri 15 min con le stesse impostazioni (80 W). Rimuovere la fiala 5, seguire il passo 3.5 per la caratterizzazione e documentare le letture a 30 min di sonicazione.
  7. Cambiare l'acqua nel bagno ad ultrasuoni (per evitare qualsiasi ulteriore aumento di temperatura) e applicare un terzo trattamento di sonicazione di un altro 30 min per fiale 6 e 7 con le stesse impostazioni con una piccola pausa del cambiamento dell'acqua ancora a 15 min. Remove fiala 6 e seguire passo 3.5. Registrare e documentare le misurazioni a 1 h di sonicazione.
  8. Cambiare l'acqua nuovamente nel bagno ad ultrasuoni ogni 15 min e applicare un quarto trattamento di sonicazione flaconcino 7 per un'altra ora mantiene costante l'impostazioni. Estrarre la fiala 7 e seguire passo 3.5 per la caratterizzazione completa e registrare le misurazioni a 2 h di sonicazione.

4. caratterizzazione dei campioni dislocati in punti diversi del tempo

  1. Caratterizzazione di dimensione utilizzando le liste di distribuzione 27
    1. Aprire il software DLS. Creare un file di misura di dimensione che può essere individualizzato per un nanomateriale specifico (di cui uno per uno standard) utilizzando il valore di indice di rifrazione del manuale di Malvern. Inoltre, eventuali altri dati personali come richiesto dal software, ad esempio i valori di assorbimento e di viscosità, di ingresso e anche tipo di disperdente.
    2. Immettere le condizioni di esperimento per l'esempio, come tempo di equilibramento di 2 min, temperatura 20 ° C, cuvetta digitare come cuvetta monouso basso volume e sperimentare in esecuzione in modalità automatica. Premere File | Save (salvare con il nome desiderato).
    3. Premere "File | Aprire nuova misurazione"ed eseguire un test di verifica di liste di distribuzione utilizzando granuli di lattice standard con una dimensione nominale di 100 nm per qualificare le prestazioni dello strumento
      1. Utilizzare una cuvetta monouso a basso volume. Iniettare 1 mL di campione con siringa o pipette per evitare eventuali bolle d'aria.
        Nota: Pulire la cuvette con etanolo e DI acqua prima dell'uso.
      2. Inserire la provetta nella macchina. Fare clic sul pulsante "start" nel pannello di misura di file. Si noti che questo sarà equilibrare il campione per 2 min e misurazioni a 20 ° C.
        Nota: Se i campioni sono stati precedentemente memorizzati in frigo, consentire loro di raggiungere la temperatura ambiente prima dell'uso.
      3. Raccogliere almeno cinque misurazioni in modalità automatica e prendere la media delle misurazioni per segnalare la dimensione selezionando tutte le misure e cliccando su "media" dal pannello superiore. Esportare i dati in excel per ulteriori analisi.
      4. Segnalare il diametro idrodinamico come la Z-media, con la larghezza di PdI che rappresenta la deviazione standard della Z-media in caso di una distribuzione di monomodal28. In caso di una discrepanza significativa tra la Z-media e la media della distribuzione dimensione ponderati per intensità, che è indicativa di polidispersione o agglomerato, la media del risultato di distribuzione di intensità-weighted dimensione è quotata con un commento su lo status di campione.
      5. Ripetere il passaggio 4.1.3 per nuove misurazioni.
        Nota: Le liste di distribuzione non è una tecnica adatta per l'analisi dei campioni non ideale. Con questo intendiamo campioni che sono particelle non sferica di polidispersione alta, vasta agglomerazione, sedimentazione, ecc. le misurazioni ripetute possono provocare letture imprecise a causa di particelle di sedimentazione/sedimentazione. In tali casi, altre tecniche gratuiti sono raccomandati come la centrifugazione del disco, che può essere utilizzato per valutare la dispersione in maniera qualitativa.
  2. Distribuzione granulometrica mediante centrifugazione di disco
    1. Aprire il software CPS. Selezionare "Definizione di routine", mettere il nome di SOP campione nella parte superiore e riempire i parametri del campione come diametro minimo e massimo, densità della particella, indice di rifrazione, assorbimento e fattore non sfericità29.
      1. Per esempio, per le nanoparticelle di ZnO, immettere 0,1 micron e 1,0 micron nelle schede diametro minimo e massimo, rispettivamente, immettere 5,61 g/mL della densità delle particelle, 2.1 nella sezione indice di rifrazione, 0,001 nell'assorbimento delle particelle e 1 nella sfericità-non sezione.
    2. Riempire la calibrazione particolari standard basati sullo standard del PVC di picco diametro 0,377 µm con una densità di particelle di 1,385 g/mL. Inoltre compila i parametri fluido (saccarosio, densità del fluido di 1,04 g/mL e indice di rifrazione fluido di 1,35) e il nome e salvare la procedura.
    3. Ha scelto la procedura selezionata (SOP salvato al passaggio 4.2.1) e iniettare il primo livello sfumato, 1.6 mL di saccarosio (24%) nel foro attraverso il disco e premere 'start'.
      Nota: Il ruolo di saccarosio qui è di stabilire un gradiente di densità all'interno del disco mentre gira a velocità costante. Questo calcolato automaticamente la velocità del disco a seconda della gamma di dimensioni.
    4. Attendere che il software raggiunge il calcolato automaticamente RPM (giri al minuto). Stabilizzare la sedimentazione iniettando un gradiente di saccarosio (8% di densità bassa e ad alta densità 24%, Vedi tabella 1), 1,6 mL volume totale ogni ora a partire con più alta densità e termina con la soluzione di densità più bassa.
      Nota: Qui vi segnalo l'8% soluzione di saccarosio come basso e soluzione di saccarosio al 24% più alto. Sono mescolati in seguenti volumi (volume totale 1,6 mL ogni volta) e iniettati nel disco uno per uno fino a formare un gradiente.
      1. In seguito, iniettare 1,0 mL di dodecano tappo fluido che aiuta a manutenzione il gradiente all'interno del disco per un minimo di 6 h. Consenti la centrifuga del disco di equilibrare per 1 h.
    5. Selezionare "Utilizzare analizzatore" e introdurre l'ID campione e premere start. Iniettare 0,2 mL di standard con una siringa da 1 mL in un disco e premere la barra spaziatrice allo stesso tempo. Quindi iniettare 0,2 mL del campione e premere la barra spaziatrice allo stesso tempo. Attendere la misurazione finire e quindi fare clic su campione successivo.
    6. Utilizzare il software di sistema controllo disco centrifuga per acquisire ed elaborare i dati. Per questo, fai clic su "Recupera la distribuzione" e fare clic sul nome del campione; Questo apre il grafico della distribuzione di dimensione per il campione. Esportare i dati in un gestore di fogli di calcolo.
  3. Studio di stabilità di dispersione mediante spettroscopia UV-vis
    Nota: Spettroscopia UV-vis è spesso utilizzata per comprendere la sospensione stabilità e aggregazione osservando attentamente i cambiamenti in intensità di picco, l'asimmetria spettrale, forma spettrale anche spostare la lunghezza d'onda in spettro di assorbimento4. I passaggi dettagliati sono come segue.
    1. Aprire il software di spettrofotometro UV-vis e fare clic su "scansione dello spettro"30.
    2. Utilizzare una cuvette di quarzo tradizionale (cella di quarzo di microrectangular di semi 100 mm, 190-2.700 nm). Iniettare 2-3 mL di campione con una pipetta.
      1. Prima dell'uso, lavare le provette con 50% di acido nitrico per 10 minuti e poi lavare tre volte con acqua purificata. Quindi risciacquare con acetone, rimuovere l'eccesso e lasciare asciugare all'aria.
    3. Preimpostare la gamma di impostazione dello strumento a 700 nm di lunghezza d'onda di 200 nm dalla scheda di lunghezza d'onda facendo clic su "Strumenti" nella parte superiore del pannello software su 'imposta la lunghezza d'onda'.
    4. Fare clic su "previsione". Sfondo sottrarre ogni spettro usando un corrispondente 'vuoto' vale a dire, una cuvetta riempita con solo disperdente medium, che in questo caso è l'acqua.
      Nota: Nel caso di campioni idrofobi, un simile rapporto di etanolo: acqua viene utilizzato come mezzo di dispersione.
    5. Raccogliere almeno tre spettri individuali su ogni campione facendo clic su "strumento | Proprietà"e inserire il numero degli spettri '3'. Prendere i valori medi di analisi. Salvare i dati ed esportare i dati per ulteriori analisi.
  4. Misure di potenziale Zeta utilizzando ELS
    1. Aprire il software DLS. Creare un zeta potenziale misura file che può essere individualizzato per un nanomateriale specifico utilizzando il valore di indice di rifrazione del manuale di Malvern. Altre informazioni che possono essere collegati a software ad es., assorbimento, viscosità e tipo di disperdente come si trova nella scheda di impostazione di esempio fare clic di input "File | Salva"e salvare con il nome desiderato.
    2. Fare clic su "File | Aprire nuova misura"e verificare le prestazioni dello strumento utilizzando un riferimento standard DTS 1235 (standard potenziale zeta). Questo è un lattice di polistirene standard in tampone acquoso a pH 9 e ha un potenziale zeta di mV ± 4.2-42.
    3. Preparare il campione in una siringa di capacità di almeno 1 mL. Uso un cellulare usa e getta di capillare piegato dotato di un elettrodo su ogni lato per le misure di potenziale zeta. Con attenzione è possibile iniettare il campione nella cella capillare attraverso una delle porte sulla cella capillare verifica che non ci siano bolle.
      1. Una volta che il campione inizia ad emergere da altra estremità, inserire i tappi e rimuovere qualsiasi liquido che può avere versato sugli elettrodi. Pulire la cuvette accuratamente con etanolo e DI acqua.
    4. Inserire la cella capillare piegata nella macchina. Equilibrare per 2 min e acquisire le misurazioni a 200 ° C, se non diversamente specificato. Se campioni di dispersione sono stati precedentemente memorizzati nel frigo, consentire ai campioni di dispersione di raggiungere la temperatura ambiente prima dell'uso.
    5. Raccogliere almeno cinque misurazioni in modalità automatica e segnalare il valore potenziale zeta media. Esportare i dati, analizzare17,18 (in genere, valore potenziale di zeta sotto -25 mV e sopra 25 mV è considerato stabile) e interpretare online o offline.
  5. Caratterizzazione morfologica utilizzando TEM
    1. Usate pellicole di carbonio holey griglie (300 mesh) per la preparazione del campione. Mettere una goccia del campione dispersione (circa 0,1 mL, 0,02 mg/mL) su una griglia pulita.
    2. Lasciare il campione aria secca in condizioni ambientali pur mantenendo le griglie coperte per evitare contaminazione dispersa nell'aria.
    3. Lavare le griglie con acqua ultra-pura per rimuovere eventuali effetti di essiccazione e soggetto a formazione immagine TEM.
      Nota: L'aggiunta della goccia sulla griglia di dispersione aumenta la concentrazione di particelle sulla superficie della griglia, portando così a forze di attrazione fra le particelle. Essiccazione irregolare può causare artefatti. Un piccolo risciacquo con acqua ultra-pura Elimina questo rischio ed è utile per un'asciugatura uniforme delle griglie31.
    4. Acquisire le immagini in un formato di dm3 ed esaminarli successivamente offline utilizzando software di TEM.
      Nota: Le immagini possono essere utilizzate per dedurre informazioni complementari che circonda forma, struttura e dimensione delle particelle. I file vengono convertiti in tiff, in cui può essere effettuato quantificazione sulle proprietà quali la forma e dimensione.

Representative Results

I dati calorimetrici mostrando l'aumento della temperatura nel tempo durante entrambi i tipi di sonicazione sono mostrati nella Figura 2. La potenza acustica efficace consegnata alla dispersione in una sonda ad ultrasuoni montata con un tweeter flaconcino (fonte di alimentazione 200 W) è calcolata per essere 0.55 ± 0.05 W ad ampiezza di 50%, 0,75 ± 0,04 W ad ampiezza 70%, 1.09 ± 0.05 W 90% ampiezza e 1.15 ± 0.05 W al 50% amplit Ude, considerando che per il bagno a ultrasuoni (fonte di alimentazione 80 W), esso è calcolato per essere 0,093 ± 0,04 W alle impostazione del 100%. L'individuazione è simile al lavoro precedentemente pubblicato, che dimostra che la potenza di uscita visualizzata dai sonicatori è molto meno di quello consegnato alle sospensioni sotto trattamento32,33,34.

Figure 2
Figura 2. Dati calorimetrici risultati aumento di temperatura nel tempo durante la sonicazione utilizzando (A) una sonda ad ultrasuoni dotato di un flaconcino tweeter e (B) un bagno ad ultrasuoni. La potenza acustica efficace consegnata alla dispersione in una sonda ad ultrasuoni montata con un tweeter flaconcino (fonte di alimentazione 200 W) è calcolata per essere 0.55 ± 0.05 W ad ampiezza di 50%, 0,75 ± 0,04 W ad ampiezza 70%, 1.09 ± 0.05 W 90% ampiezza e 1.15 ± 0.05 W al 50% amplit Ude, considerando che per il bagno a ultrasuoni (fonte di alimentazione 80 W), esso è calcolato per essere 0,093 ± 0,04 W alle impostazione del 100%. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

I risultati associati con le varie dispersioni di nanomateriali prodotte da differenti protocolli sono riassunti nella tabella 2. I risultati mostrano la variabilità della qualità di dispersione (come misurato da DLS, ELS e TEM) connessa con nanomateriali diverse dispersioni prodotte utilizzando sonicazione diverse condizioni. Come previsto, la variabilità dei dati è regolato da diversi fattori quali tipo di nanomateriale, sonicazione periodo di tempo, e se una sonda o un bagno ad ultrasuoni è stato utilizzato nel protocollo. Lo spettro UV-vis ottenuto per ogni nanomateriale è mostrato in Figura 3 e Figura 4 e i risultati DLS sono mostrati in Figura 5 e Figura 6.

Lo scopo della tabella 2 è non solo per mostrare il grado di variabilità dei dati ma anche per consentire l'individuazione di un protocollo ottimizzato dispersione per una dispersione di nanomateriale determinato. Se tali dispersioni erano stati usati come parte di un metodo di test di nanotoxicological, quindi l'ideale è avere una dispersione stabile (preferibilmente una magnitudo di al minimo ± 30 mV), un piccolo PdI che indica più stretta distribuzione granulometrica (preferibilmente con PdI di 0,2 o meno) e un piccola media DLS dimensione delle particelle, per indicare lo scioglimento dei grandi agglomerati. Qui, Z-media è definita come l'intensità base dimensione media delle nanoparticelle e PdI è una misura della larghezza del generale dimensioni distribuzione (descritto in precedenza nell' Introduzione).

NM Codice di esempio Tempo di sonicazione Dimensione di DLS (nm) Indice di polidispersione (PdI) Potenziale Zeta (mV)
Ossido di cerio CeO2_powder 0 396±130 0.763±0.100 17.2±0.4
CeO2_B_15min 15 min 128±4 0.231±0.015 39.2±1.0
CeO2_B_30min 30 min 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 min 126±7 0.218±0.005 28.8±0.7
CeO2_P_6min 6 min 131±2 0.209±0.014 40.5±0.7
CeO2_P_10min 10 min 122±1 0.184±0.014 44.4±1.3
Ossido di zinco (idrofilo) ZnO_NM110 polvere 0 1410±120 0.786±0.150 17.1±0.5
ZnO_NM110_B 15 min 239±2 0.130±0.024 25.4±1.0
_15min
ZnO_NM110_B 30 min 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 min 377±20 0.267±0.025 21.7±0.4
_2min
ZnO_NM110_P 6 min 885±70 0.276±0.023 8.6±0.6
_6min
ZnO_NM110_P 10 min 1074±88 0.673±0.058 11.2±1.4
_10min
Ossido di zinco (idrofobo) ZnO_NM111_ 0 758±86 0.823±0.006 -14.6±0.7
polvere
ZnO_NM111_ 15 min 384±95 0.399±0.074 -17.5±1.0
B_15min
ZnO_NM111_ 30 min 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 min 227±9 0.402±0.032 19.8±0.8
P_2min
ZnO_NM111_ 6 min 340±58 0.477±0.026 -21.1±0.2
P_6min
ZnO_NM111_ 10 min 370±72 0.626±0.065 -21.8±0.8
P_10min
CNT A32_powder 2 min 306±5 0.279±0.029 -23.7±0.5
A32_B_15min 15 min 250±3 0.200±0.007 -18.0±0.4
A32_B_30min 30 min 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 min 255±4 0.217±0.011 -22.5±0.4
A32_P_6min 6 min 245±9 0.328±0.029 -23.6±0.8
A32_P_10min 10 min 254±4 0.313±0.029 -23.6±0.5
CNT A106_powder 2 min 580±18 0.305±0.070 -35.9±1.0
A106_B_15min 15 min 573±18 0.404±0.016 -29.5±1.0
A106_B_30min 30 min 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 min 300±58 0.473±0.053 -29.8±1.0
A106_P_6min 6 min 390±10 0.359±0.022 -40.7±0.5
A106_P_10min 10 min 300±85 0.511±0.134 -24.5±0.7
Argento Ag_cit 0 72±50 0.462±0.258 -38.7±1.3
Ag_B_15min 15 min 25 ± 1 0.489±0.008 -39.8±2.2
Ag_B_30min 30 min 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 min 29±1 0.300±0.025 -42.0±2.9
Ag_P_6min 6 min 26±2 0.263±0.017 -40.4±1.5
Ag_P_10min 10 min 25 ± 2 0.251±0.011 -47.3±1.4

Tabella 2. Sintesi dei risultati della dispersione NM in acqua. 'P' i codici di esempio indicano dispersione effettuato usando una sonda ultrasonica dotata di un tweeter di fiala e 'B' nel codice di esempio indicato dispersione effettuato utilizzando un bagno ad ultrasuoni. Tutte le misurazioni sono state prese a 0,02 mg/mL. Sonicazione al tempo 0 significa un sonicato sospensione cioè, ditta solo agitazione e miscelazione senza altri aiuti. Nanotubi di carbonio che sono completamente insolubile e non dispersibile in acqua deionizzata agitando fisico erano sonicati per un'iniziale 2 min in sonicatore vasca e anche segnalati.

Figure 3
Figura 3. Spettri UV-vis di (un) CeO2ZnO NM110 (B) e (C) ZnO NM111 dispersione in acqua. Spettroscopia UV-vis viene utilizzata per capire la stabilità della sospensione e aggregazione osservando attentamente i cambiamenti dell'intensità di picco, l'asimmetria spettrale, spettrale forma anche il cambiamento di lunghezza d'onda degli spettri di assorbimento. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 4
Figura 4. Gli spettri UV-vis di (A) nanotubi di carbonio A106, A32 di nanotubi di carbonio (B) e (C) Ag_citrate dispersione in acqua. Spettroscopia UV-vis è usata per capire la stabilità della sospensione e aggregazione osservando attentamente i cambiamenti dell'intensità di picco, l'asimmetria spettrale, spettrale forma anche il cambiamento di lunghezza d'onda degli spettri di assorbimento. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 5
Figura 5. Distribuzione di dimensione di intensità ottenuta con DLS per (A) CeO2ZnO NM110 (B) e (C) ZnO NM111 dispersione in acqua. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 6
Nella figura 6. Distribuzione di dimensione di intensità ottenuta con le liste di distribuzione (A) nanotubi di carbonio A106, A32 di nanotubi di carbonio (B) e (C) Ag_citrate dispersione in acqua. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

In caso di sospensione di nanomateriale2 CeO, l'uso di sonicazione ha provocato una diminuzione nella dimensione delle particelle e valori PDI. Senza qualsiasi sonicazione, risultati mostrano una distribuzione di intensità multimodale con una Z-media (396 ± 130 nm) e un valore molto elevato di PdI di 0,763 ± 0.100 (tabella 2). Inoltre, la dispersione Mostra un valore di potenziale zeta di 17,2 ± 0,4 mV. Si deve osservare che un PdI di ≥0.5 è indicativo di una sospensione altamente polidispersi. Pertanto, il campione è stato sottoposto a centrifugazione di disco e i dati di distribuzione di dimensioni ottenuti anche confermano un campione non uniforme e non omogeneo (Figura 7a). Analisi di morfologia e dimensioni del campione di TEM ha ulteriormente confermato che le particelle in dispersione sono infatti altamente polidispersi (Figura 8). Al momento di disperdere la polvere utilizzando un bagno ad ultrasuoni per 15 min, risultati ha mostrato il miglioramento della qualità complessiva di dispersione. In particolare, aveva migliorato la stabilità (come notato da suo corrispondente valore di potenziale zeta) e monodispersity complessive. Aumentando il tempo di sonicazione per 2 h ha provocato molto migliorata stabilità e distribuzione granulometrica più stretto (tabella 2). È chiaro che c'è miglioramento graduale in qualità di dispersione se più lungo tempo di sonicazione vasca viene utilizzato, come si vede dalla graduale diminuzione del diametro idrodinamico e PdI. Risultati simili sono stati ottenuti se usando una sonda ultrasonica invece aveva eseguito la procedura di dispersione. Nel complesso, è stato raggiunto uno stato più stabile ed omogeneo di agglomerazione usando la sonda, come confermato dai dati DLS e TEM. È interessante notare che, bagno ad ultrasuoni ha dimostrato di essere un'opzione migliore rispetto all'utilizzo di una sonda, come una dimensione media delle particelle molto più piccola e un valore molto più alto zeta potenziale può essere raggiunto utilizzando un bagno piuttosto che una sonda. È stato osservato che in entrambe le procedure di sonicazione, le micrografie TEM ha confermato la presenza di diverse particelle primarie di includere: sfere, cubi e poliedri.

Figure 7
Figura 7. La distribuzione ottenuta con disco centrifugazione per (A) CeO2_powder e (B) ZnO NM110_powder dispersione in acqua a 0 min dimensione Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 8
Figura 8. Immagini TEM del CeO2 dimostrando l'impatto della sonicazione sul campione homogeniety e la stabilità. La barra della scala è di 100 nm per ciascun campione. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Nel caso di ZnO, vengono utilizzati due tipi di ZnO nelle dispersioni cioè, ZnO nanomateriali di diversi profili di superficie, idrofilo (NM110) e idrofobo (NM111). I risultati indicano risultati simili tra i due tipi di ZnO. Entrambi mostrano che con nessun sonicazione, la qualità di dispersione indicata una dimensione media delle particelle di grandi dimensioni e alta polidispersità. NM110 ha una media di Z di 1.410 ± 120 nm e PdI di 0,786 ± 0.150 nm; NM111 ha una media di Z di 758 ± 86 nm e PdI di 0,823 ± 0,006. Dati di distribuzione di dimensioni ottenuti per NM110 da centrifugazione disco anche confermano campione polidispersità e disomogeneità (Figura 7b). Polidispersione della NM110 lisati mediante le dimensioni sembrano diminuire con 15 min Trattamento in vasca ad ultrasuoni ed a raggiungere un plateau di riduzione ottimale a 30 min tempo di sonicazione. Un tempo più lungo di sonicazione Mostra un aumento generale in dati di dimensione delle particelle, potenzialmente a causa delle particelle agglomerare nuovamente dopo essere de-agglomerato inizialmente. D'altra parte, NM110 Mostra una dispersione omogenea e stabile dopo 2 min di trattamento sonda ultrasonica. Tuttavia, più cicli di 6 min e 10 min mostrano anche un aumento nella dimensione delle particelle e valori di PdI, che indica di ri-agglomerazione delle particelle. TEM (Figura 9 e Figura 10) e UV-vis (Figura 3bc) risultati ulteriormente confermano lo stato di tali qualità di dispersione. È interessante notare che, risultati molto simili sono osservate in caso di NM111 quando vengono trattati con una sonda ultrasonica. Ancora una volta, l'approccio sistematico indica che la migliore dispersione è stato raggiunto a 2 min, come possibile re-agglomerazione può essere associata con casi corrispondenti 6 min e 10 min. Quando un bagno ad ultrasuoni è stato usato invece, la dimensione delle particelle di dispersione ha raggiunto un plateau dopo 30 min di sonicazione; dopo che nessun ulteriore aumento o diminuzione della dimensione o della polidispersione valori è osservate. Inoltre, micrografie TEM ottenuti per il NM111 idrofobo indicano la presenza di manufatti vari e altri effetti di essiccazione sulla griglia TEM (Figura 10). Questo dimostra che pre-bagnatura con etanolo o altri solventi organici può essere utile verso la preparazione di dispersioni acquose ma c'erano le sfide all'immobilizzazione idrofobiche nanomateriale campioni sulle griglie di carbonio. Nel complesso, se viene identificato un protocollo di dispersione ottimale e se questo è disciplinato dal valore più piccolo corrispondente PDI, quindi corrisponde a ZnO_NM110_B1 h e min ZnO_Nm111_B30 per la NM110 idrofile e idrofobe NM 111 casi, rispettivamente.

Figure 9
Nella figura 9. Immagini TEM, della ZnO NM110, dimostrando l'impatto della sonicazione sul campione homogeniety e la stabilità. La barra della scala è di 100 nm per ciascun campione. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 10
Figura 10. Immagini TEM, della ZnO NM111, dimostrando l'impatto della sonicazione sul campione homogeniety e la stabilità. La barra della scala è di 0,1 µm per ZnO_NM111_B_15 min, h ZnO_NM111_B_1 e ZnO_NM111_P_2 min e 0,2 µm per il resto dei campioni. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Nel caso di nanotubi di carbonio (CNT), risultati mostrano che tali nanomateriali non sono facilmente disperdibile in acqua, in particolare che il protocollo di dispersione implica l'uso di fisico agitazione o vigorosa agitazione. Questo vale per entrambi i nanotubi di carbonio multi-parete (MWCNT) utilizzati in questo studio. Micrografie TEM nel caso per dispersioni sia A106 e A32 effettuato presso 2 min e 15 min di ciclo di sonicazione sono mostrati in Figura 11 e Figura 12, rispettivamente. Al momento di aumentare il tempo di sonicazione, risultati indicano rottura di nanotubi di carbonio, spesso con conseguente modifiche di lunghezza. Tali modifiche di lunghezza erano evidenti nel caso di sonda sia sonicazione ultrasonica. I risultati mostrano che la A106 e A32 nanotubi di carbonio possono essere sufficientemente dispersi dopo un trattamento di 2 min se è utilizzata una sonda ad ultrasuoni. Qui sufficiente dispersione significa la soglia di tempo di sonicazione critico dove tutti i fasci di nanotubi (CNT) del carbonio sono aperti e tubi singoli sono separati35. Al momento di aumentare il tempo di sonicazione a 6 o 10 minuti, i risultati indicano una modifica della distribuzione di lunghezza e molto superiore polidispersità. Infine, l'intensità di dati di dimensione da liste di distribuzione (Figura 6ab) distribuiti e gli spettri di assorbimento tramite UV-vis (Figura 4ab) anche confermare che le dispersioni CNT sono molto sensibili al tempo di sonicazione e Se è stato usato una sonda o un bagno. Entrambi A106 e A32 CNTs mostrano un picco di assorbanza tra 253 e 310 nm, che è tipico di MWCNT36. Intensità di picco è conosciuto per essere un buon indicatore della dispersione massima realizzabile in una dispersione di sonicazione-driven di MWCNT. Lo spettro UV di A106 e A32 indica 2 min e 15 min di sonicazione ciclo per essere ottimale per la sospensione. Dopo sonicazione prolungata, il picco si allarga con minore intensità di picco come pure la distruzione di esempio indicato dal cambiamento lo spettro di assorbanza e l'asimmetria spettrale (formazione di spalle di picco).

Figure 11
Figura 11. Immagini TEM, dei nanotubi di carbonio A106, dimostrando l'impatto della sonicazione sul campione homogeniety e la stabilità. La barra della scala è di 200 nm per ciascun campione. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 12
Figura 12. Immagini TEM, della A32 di nanotubi di carbonio, dimostrando l'impatto della sonicazione sul campione homogeniety e la stabilità. La barra della scala è di 200 nm per ciascun campione. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Infine, per avere un certo grado di confronti, i dati sono confrontati ad una sospensione disponibile nel commercio di citrato stabilizzato Ag NPs (diametro nominale di 10 nm, 0,02 mg/mL). Visualizza dati di caratterizzazione che la dispersione è altamente agglomerata e altamente polidispersi. Liste di distribuzione dati mostrano una distribuzione multimodale con un diametro idrodinamico di 72 ± 50 nm e un PdI alto di 0.46 ± 0,26 (Figura 6C). Analisi morfologica di TEM (Figura 13) e ampia superficie Plasmon Resonance (SPR) picco (assorbimento a 418 nm nella regione visibile) di UV-vis (Figura 4c) ulteriormente confermare un campione altamente polidispersi. Interessante, il trattamento di bagno a ultrasuoni migliora la stabilità di dispersione e PdI, ma viene utilizzato solo se un sonicazione sufficientemente lungo periodo di tempo; un tempo di sonicazione 2h è necessaria per provocare la dimensione delle particelle DLS di 28 ± 5 nm e PdI 0,387 ± 0,015 (tabella 1). Tuttavia, se invece viene utilizzata una sonda ultrasonica, l'omogeneità del campione e la stabilità notevolmente migliorare a soli 2 min tempo di sonicazione, così con conseguente DLS dimensione delle particelle di 29 ± 1 nm, PdI di 0,300 ± 0.025 e ZP-42 ± 3 mV. Questo miglioramento nella qualità di dispersione è evidente fino a un'impostazione tempo di sonicazione di 10 min, in cui anche una dimensione di particella DLS di 25 ± 2 nm, PdI 0.251 ± 0,011 e ZP-47.3 mV ± 1.4 è osservato. Qui, a 10min di sonicazione utilizzando tweeter a fiala, il PdI diminuisce e aumenta la ZP. I micrografie TEM corrispondenti a tali punti di tempo rispettivo confermano anche omogeneità del campione migliorato dopo aver applicati i protocolli appropriati sonicazione. C'è un rapido miglioramento della omogeneità del campione e dispersità di particelle nelle immagini TEM. L'esempio a 2 min Mostra alcuni agglomerazione rispetto le singole particelle sonicato per 10 min utilizzando il tweeter del flaconcino.

Figure 13
Figura 13. Immagini TEM di NPs Ag commerciale dimostrando l'impatto della sonicazione sul campione homogeniety e la stabilità. La barra della scala è di 200 nm per ciascun campione. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Alta (mL) Bassa (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

Tabella 1. Gradiente di densità di saccarosio di miscelazione per volume totale 1,6 mL. Qui vi segnalo la soluzione 8% saccarosio come soluzione di saccarosio al basso e 24% più alto. Sono mescolati i seguenti volumi (volume totale 1,6 mL ogni volta) e iniettati il cono dis uno per uno fino a formare un gradiente.

Discussion

L'obiettivo finale dello studio è quello di sviluppare una strategia che consenta l'identificazione delle condizioni ottimali di sonicazione per rendere dispersioni di un numero selezionato di nanomateriali in acqua. Qui viene effettuato un tentativo di documentare attentamente i passi di protocollo e parametri durante la sonicazione per compiere le lacune individuate in precedenza in recensioni anche di seguire le raccomandazioni formulate nell' ultimi15. Le condizioni di dispersione ottimale sono identificate che caratterizzano le dispersioni dopo ogni ciclo di sonicazione e controllando uniformità e stabilità del campione. Viene valutato l'impatto delle procedure di sonicazione e lo stato di stabilità basata sulle caratteristiche alterazioni in chiave proprietà fisico-chimiche dei nanomateriali, come determinato da varie tecniche analitiche: DLS, ELS, UV-vis e TEM. Il protocollo attuale è una metodologia adattata per la dispersione dei nanomateriali dalla letteratura passata e altri ricerca progetti21,22,37,38,39 con alcuni modifiche e perfezionamenti affrontando le principali lacune, passi e la loro applicabilità ai nanomateriali più ampia della superficie simile profilo7. Tuttavia, attenzione a regolazioni sono necessarie rispetto al loro tempo di sonicazione, forza e tipo per la loro applicazione ad altri nanomateriali. Inoltre, ulteriore lavoro è necessario per stabilire una correlazione tra procedura di sonicazione e l'attività biologica dei nanomateriali. Sei diversi tipi di dispersioni di nanomateriale sono viene valutati e confrontati, principalmente per la loro stabilità, utilizzando un bagno ad ultrasuoni e una sonda ad ultrasuoni montato con un tweeter flaconcino agli intervalli di tempo impostato. Per mantenere la purezza di sospensione ed eventuali alterazioni non intenzionali, dovute a causa di contaminazione, sonda sonicazione è evitato qui. Nel tweeter di fiala, le fiale possono rimanere chiuse. Questo elimina qualsiasi contaminazione incrociata dei campioni.

Calibrazione di sonicatori è un fattore chiave, dato che una gamma di sonicatori sono disponibili con potenze, ampiezza e frequenze diverse. Per determinare l'energia acustica efficace consegnato alla sospensione, calibrazione di sonicatori avviene mediante calorimetria. La potenza acustica erogata per impostazione ampiezza 70% per il tweeter flaconcino così come quella per l'impostazione del bagno ad ultrasuoni di 100%, è calcolato per essere < 1 W (0,75 ± 0,04 W e 0.093 ± 0,04 W, rispettivamente). Tuttavia, le potenze indicate dai produttori di tweeter flaconcino e sonicatore vasca sono 200 W e 80 W, rispettivamente. Questo indica che, nonostante l'origine di alto potere, la maggior parte dell'energia viene persa durante la generazione di bolle cavitazionale e solo una piccola frazione viene effettivamente consegnata alla dispersione sotto trattamento26. Recenti studi hanno evidenziato l'importanza del controllo della misurazione cavitazionale rispetto la potenza in ingresso del sonicatore per un migliore controllo della dispersione durante la sonicazione8. La metodologia appare promettente per la dispersione controllata delle altamente delicati nanomateriali quali nanotubi di carbonio ed è consigliata per gli studi futuri.

Ogni tecnica utilizzata nello studio si basa su principi differenti con limitazioni a tutti. Liste di distribuzione non è una tecnica ideale per sospensioni non sferica, nonché altamente polidispersi sistemi. In tali condizioni, DCS è consigliato a causa di alta risoluzione, accuratezza e precisione40. DCS può separare completamente i picchi di distribuzione di dimensione molto stretta che si differenziano per il poco quanto 3%. TEM fornisce immagini visive diretti delle nanoparticelle ed è un ottimo strumento per la determinazione dell'aggregazione, dispersione, dimensione e forma delle particelle, ma la tecnica richiede campione di asciugatura che può condurre ad artefatti41. Questo può essere eliminato lavando le griglie con acqua ultrapura, come discusso al punto 4.5.3.

Tra gli altri, la metodologia mette in evidenza alcuni passaggi critici quali il tipo di fiale utilizzate nel protocollo, profondità di immersione e posizione delle fiale in bagno ad ultrasuoni, nonché il tweeter del flaconcino. Controllo della temperatura del sistema durante l'agitazione è un parametro importante. Frequenti cambi d'acqua nel bagno ad ultrasuoni e modalità pulsata eseguire nel caso di tweeter flaconcino si consigliano di evitare qualsiasi accumulo di calore durante la sonicazione, evitando così eventuali alterazioni del campione. Il passo di prebagnatura per i campioni idrofobi quali ossido di zinco aiuta la dispersione delle particelle, ma questo può indurre alcuni cambiamenti indesiderati. Il tempo di sonicazione e l'energia dovrebbe essere alti abbastanza per-agglomerare le particelle ma non troppo che rompe le particelle. I risultati indicano che agglomerato rottura dipende dal tipo di particelle.

I nostri risultati evidenziano l'importanza di avere un protocollo dettagliato dispersione, come risultati mostrano che le principali proprietà fisico-chimiche potenzialmente possono essere alterate durante il processo di sonicazione, come regolata da fattori quali tipo di sonicatore, durata di sonicazione tempo e potenza di uscita. Risultati hanno mostrato che l'integrità del campione è potenzialmente compromessa in agitazione di intensità superiore. Risultati mostrano che nanotubi di carbonio sono molto sensibili all'agitazione, quindi rotture sono altamente probabile che si verificano quando vengono modificati i sonicazione durata e resistenza. Vicino le impostazioni ottimali per la dispersione di nanotubi di carbonio sono tra i 2-15 min in bagno ad ultrasuoni e solo 2 minuti utilizzando la sonda ad ultrasuoni. Tuttavia, la sonicazione ancora potrebbe aver causato alcuni nanotubi accorciamenti, che non possono essere quantificati con precisione qui. Liste di distribuzione non può essere una tecnica ideale per la caratterizzazione di nanotubi di carbonio, ma può ancora fornire diametro idrodinamico per nanotubi e questi dati potrebbe essere informativi delle differenze nelle distribuzioni di lunghezza di nanotubi di carbonio tra vari campioni16, 42,43. Gli ultimi studi dimostrano che il protocollo di dispersione di nanotubi di carbonio può essere notevolmente migliorato con l'aggiunta di tensioattivi, come le molecole di tensioattivo sono assorbite su strato monomolecolare del nanotubo, fornendo così una barriera alla rottura a causa di sonicazione35, 44. Tuttavia, questo non può essere paragonato direttamente al presente protocollo come tensioattivi non sono coinvolti in questo caso. È importante notare che assicurando la distribuzione di dimensione di lunghezza nel caso di nanotubi di carbonio è molto importante, come l'aspect ratio è spesso correlata con certa risposta tossicologica. Al contrario, CeO2 ha dato risultati diversi rispetto a nanotubi di carbonio, in cui prolungato sonicazione volte utilizzando la vasca ad ultrasuoni o sonda, portano alla formazione di particelle primarie. La differenza nei risultati fra casi CNT e CeO2 evidenzia l'importanza di adattare dispersione protocolli ad es., ottimizzare il tempo di sonicazione e potenza di uscita, in base al materiale di partenza cioè, tipo di nanomateriale polveri. Ogni tipo di campione di polvere di nanomateriale è diverso, come ci saranno diversi gradi di agglomerazione entro la polvere stessa. In alcuni casi, il processo di de-agglomerazione ha portato con successo de-nell'agglomerazione fino al livello di particelle primarie, come è evidente dall'emergere di altre particelle a forma nelle immagini TEM, che non era visibile prima il passo di sonicazione. La sonicazione prolungata ha provocato la rottura continua di agglomerati di ossido di cerio in diverse angolazioni, portando così a particelle multi-sfaccettate.

Nel caso di commercialmente comprato campione acquoso delle dispersioni di NPs Ag, i nostri risultati inoltre risalto alla necessità per la valutazione di uniformità e stabilità a lungo termine. C'è la necessità di garantire che dispersioni sono stati sufficientemente caratterizzati prima dell'uso, soprattutto in caso di conservazione a lungo termine. Tuttavia, i nanomateriali hanno una durata molto breve. Essi invecchiare con il tempo e potrebbe comportarsi in modo diverso dopo conservazione a lungo termine rispetto ad una dispersione preparata al momento.

Qui i risultati evidenziano la necessità di una strategia armonizzata identificare un protocollo ottimizzato per diversi nanomateriali. La strategia proposta presentata è di condurre diverse varianti nel metodo sonicazione e di garantire che le dispersioni in diversi momenti sono sufficientemente caratterizzate utilizzando metodi analitici complementari. L'importanza sull'uso di un approccio multi-metodo per caratterizzare e monitorare la qualità di dispersione attraverso il tempo e diverse condizioni sperimentali è stata evidenziata dal passato lavoratori45. Anche se sono stati presentati vari metodi per sonicazione per soddisfare specifiche nanomateriale dispersione nello studio, potenzialmente essi utilizzabile come base per disperdere altri nanomateriali di ossido di metallo e metallo (di proprietà di superficie simile) in acqua. Tuttavia, avendo alcun cambiamento in entrambi nanomateriale tipo o liquido medio richiede la necessità di ottimizzare il protocollo di base, che può essere fatto da un'attenta regolazione di vari fattori ad es., tempo di sonicazione, forza e tipo sonicatore. Qualsiasi protocollo è scelto e identificato come ottimale, c'è sempre una necessità di avere una relazione dettagliata sul sistema e graduale sequenza della procedura di dispersione di sonicazione. Questo è importante per migliorare l'interpretabilità e comparabilità. Una delle applicazioni di questo protocollo è quello di facilitare la comparabilità dei dati tra altri laboratori che conducono ad un approccio armonizzato e standardizzato per studi futuri. I parametri attuali di metodologia e controllo possono essere utilizzati per altri mezzi disperdenti a parte acqua e confronti possono essere disegnati su un caso per caso.

Disclosures

Gli autori non hanno alcun interesse finanziario concorrenti. IK EVJ congiuntamente concepito lo studio design di IK, eseguiti gli esperimenti, ha analizzato i dati e preparato il manoscritto. LJE e IR effettuate l'imaging di TEM. SA, MLM e MC forniti CNT, e resto dei co-autori discusso e commentato il manoscritto in tutte le fasi e RT ha contribuito verso l'editing del manoscritto.

Acknowledgments

La ricerca che porta a questi risultati ha ricevuto finanziamenti dal NE/J010783/1. Il progetto NanoValid ha ricevuto finanziamenti dal settimo programma dell'Unione europea per ricerca, sviluppo tecnologico e dimostrazione sotto grant contratto n. 263147.

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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