Spredning av nanomaterialer i vandige Media: mot protokollen optimalisering

Environment
 

Summary

Her presenterer vi en step-wise protokoll for spredning av nanomaterialer i vandige media med sanntid karakterisering å identifisere de optimale sonication, intensitet og varighet for forbedret stabilitet og ensartethet av hydrogenion dispersions uten at prøven integritet.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Sonication prosessen er vanlig for de agglomerating og spre nanomaterialer i vandig basert media, nødvendig å forbedre homogenitet og stabiliteten i suspensjon. I denne studien utføres en systematisk step-wise tilnærming til å identifisere optimal sonication betingelser for å oppnå en stabil spredning. Denne tilnærmingen har blitt vedtatt og vist seg å være egnet for flere nanomaterialer (cerium-oksid, sink oksid og Karbonnanorør) spredt i deionisert (DI) vann. Men med endringer i nanomaterial type eller spre medium må det være optimalisering av grunnleggende protokollen justere ulike faktorer som sonication tid, makt og sonicator samt temperaturøkning under prosessen. Tilnærmingen registrerer spredning prosessen i detalj. Dette er nødvendig for å identifisere tidspunkt så vel som andre nevnte forhold under sonication prosessen der det kan være uønskede endringer, for eksempel skade partikkel overflaten dermed påvirker overflateegenskaper. Vårt mål er å tilby en harmonisert tilnærming som kan kontrollere kvaliteten på siste, produsert spredning. Slike en retningslinje er instrumental i å sikre spredning kvalitet repeterbarhet i nanovitenskap samfunnet, spesielt innen nanotoxicology.

Introduction

Sonication er prosessen med å generere cavitations, som innebærer etableringen, vekst, og kollaps bobler (ofte kalt aktiveringspunkt) dannet i væske på grunn av irradiation høy intensitet ultralyd1. I en laboratorium utføres sonication metoden ved hjelp av en sonicator. Det finnes ulike sonicators, alle har den generelle funksjonen til de agglomerating partikler, som sprer i en flytende medium som individuelle (eller primære) partikler. Ved å bruke sonication, kan prøve homogenitet forbedre, potensielt få et mye smalere partikkel størrelsesDistribusjon. Et viktig aspekt å vurdere i spredning prosessen er stabilitet av siste spredning. Her, er stabiliteten i suspensjon definert som der partikler ikke slå eller sediment ned i deres adspredte tilstand og gjennomsnittlig etter diameter mål ikke varierer med mer enn 10% mellom fem gjentatte målinger tatt under som tid (rundt 10 min)2,3. Det er flere måter å måle spredning stabilitet. Dette omfatter estimering av zeta potensielle (ZP) gjennom måling av electrophoretic mobilitet av partikler. En annen er å måle karakteristiske absorpsjon av nanopartikler i UV spectral utvalg4.

Innen nanotoxicology er ha kontroll over spredning kvalitet svært viktig, som spredning trinnet bestemmer mekanisk-egenskaper, for eksempel partikkel størrelse/størrelse distribusjon, form, aggregering/agglomeration, overflate lade, etc. dette i sin tur vil etter hvert påvirke samspillet av partikler med test media og utfallet av ulike i vitro og vivo eksperimenter, for å utlede det muligheter hazards av nanomaterialer.

Sonication er vanligvis utført ved hjelp av en målingstype (direkte) eller ultralydbad, eller ultralyd probe med en flaske diskanthøyttaler (indirekte sonication). Alle typer sonication er tilgjengelige i en rekke intensitet og utgang innstillinger, noen ganger tilpasset med en annen type sonotrode for bestemte prosesser eller krav, og er egnet for flytende volumer som spenner fra 2 til 250 mL. Selv om sonden ultrasonication er kjent for å gi bedre resultater enn bad sonication på grunn av lokaliserte høyintensitets5, er bad sonication ofte foretrukket over målingstype for utarbeidelse av toksikologiske test suspensjoner på grunn av mulige forurenses gjennom tipset, erosjon av Titan sonde tips etter langvarig bruk og sonde nedsenking dybde avvik. Tilsvarende er en ultralyd probe utstyrt med en flaske diskanthøyttaler en fordel over direkte sonden på grunn av ovennevnte risiko samt drift vennlighet av utstyret. Flere flasker er sonicated på samme tid og på samme intensitet. Dette ikke bare sparer tid, men sikrer at alle prøvene blir behandlet likt, som gjør resultatene blant prøver mer pålitelig og sammenlignbar. I sikkerhet forskning nanomaterialer, er forurensning alltid unngått. Men sonde sonicator passer ikke dette kravet og har ikke blitt testet. Sonden sonicators forårsaker noen uunngåelig bivirkninger som eksempel forurensning tips erosjon, samt redusert energi output fører til endringer av spredning, derfor at data reproduserbarhet6, 7 , 8. videre prøver vanligvis kjøres i avdekket beholdere fører til flytende tap på grunn av fordamping som støv deponering. For å unngå disse utilsiktede endringer, anbefaler nyere studier alternative indirekte sonicators basert på deres effektiv energi levering i tillegg til suspensjon renhet forsikring6.

Ikke-optimalisert sonication kan ha en skadelig effekt på resultatene. Det kan eventuelt endre de fysiske og kjemiske egenskapene av nanomaterialer som størrelse, størrelsesDistribusjon, morfologi og overflate kostnader2,9. Tidligere litteratur har rapportert slik svikt kontrollere sonication prosessen og innvirkning på partikkel parametere som nano-TiO25,10,11, nano-ZnO6og nano-kobber12 . Videre har tidligere studier vist at sonication prosessen ikke bare endrer partikkel egenskaper, men også regulerer utfallet av toksikologiske tester12,13.

For å ha kontroll over spredning prosessen, er det viktig å overvåke og forstå hvordan ulike faktorer som sonicator type, apparatet makt og varighet, volumer, etc., kan påvirke spredning kvalitet. Derfor er det behov for å ha en systematisk prosedyre å analysere mekanisk-kjennetegn fra partikler i spredning på ulike tidspunkt av sonication. Selv om slike hensyn er tatt i betraktning av noen forskere, er arbeid på dette området begrenset. Bihari et al. har studert spredning stabiliteten i ulike nanomaterial dispersions med forskjellige ultralyd energier med ulike spredning stabilisatorer14. En fersk gjennomgang av Hartmannn et al. fremhevet at selv om arbeidet er gjort for å forstå de ulike faktorene som påvirker nanomaterial spredning kvalitet eksempel, type sonicator brukes, sonication tid, etc., det er fortsatt ingen veldefinerte og universelt akseptert sonication prosedyre støtter som nanotoxicological tester og undersøkelser7,15.

Flere analytiske karakterisering teknikker brukes til å overvåke spredning kvalitet. Disse inkluderer bruk av: dynamisk lys spredning må platen sentrifugering, Electrophoretic lys spredning (ELS), UV-synlig (UV-vis) spektroskopi og overføring elektronmikroskop (TEM), som måler partikkel størrelse/størrelse distribusjon, Zeta potensial, spredning stabilitet og morfologi egenskaper, henholdsvis. DLS brukes ofte til å bestemme etter diameter (Z-gjennomsnitt) partikler og polydispersity indeks (PdI) på nanomaterial spredning. Hvis flere størrelsesDistribusjon av DLS, kan Z-gjennomsnittlig oppnådd ikke enig med intensitet-vektet størrelse distribusjon intensiteten. Som sådan, kan middelverdien intensitet-vektet størrelse bli sitert. PdI reflekterer broadness av størrelsesDistribusjon med en skala varierer fra 0 - 1, med 0 blir et monodispersed utvalg og 1 er en svært polydisperse sample16. Platen sentrifugering er en separasjon teknikken brukes til å bestemme partikkel størrelsesDistribusjon ved hjelp av sentrifugal sedimentering i en flytende medium. Partikler sediment innenfor en optisk klar og roterende plate og mengden lys spredt av partikler når de når kanten av platen registreres og konvertert til partikkel størrelsesDistribusjon bruker Stokes' lov. For å løse multimodal partikkel distribusjon, er teknikker som platen sentrifuger mer egnet som de har en separasjon mekanisme element integrert i maskinen. Zeta potensielle (ζ -potensielle) partikler defineres som elektrisk potensial på deres skjær eller forsinkede fly, som er en pålydende grense i elektrisk dobbeltlag som skiller (healer) væsken viser tyktflytende normalt fra den Streng lag, et lag som hovedsakelig består av counter ioner og vurdert å gå med partikkel. Zeta potensialet er direkte relatert til overflaten beløpet av partikler og derfor elektrostatisk samspillet (dvs., frastøting/attraksjon) mellom partikler. Denne parameteren er derfor betraktet som en primærindikator for nanomaterial spredning stabilitet. Ved konvensjonen, zeta potensial verdi under -25 mV og over 25 mV anses stabil17,18. Konsentrasjonen og typen ioner som løsningen pH, påvirke sterkt zeta potensielle19. ELS brukes til å måle electrophoretic mobilitet av partikler i spredning og denne mobilitet er konvertert til zeta gjennom Henry ligningen og Smoluchowski eller Hückel modeller. UV-vis spektroskopi er en teknikk brukt om å kvantifisere lyset som er absorbert og spredt av et eksempel på en bestemt bølgelengde. Det er ofte brukt til å overvåke spredning stabilitet ved å måle karakteristiske absorpsjon av nanomaterialer i regionen UV. Endelig brukes TEM ofte til å visualisere og analysere størrelse, størrelsesDistribusjon, agglomeration og form av nanopartikler5,14,15,20.

Vi presenterer en sammenlignende studie av seks ulike nanomaterial dispersions med ultralydbad og en ultralyd probe utstyrt med en flaske tweeter. Partikkel konsentrasjon, temperatur, sonicator type og innstillinger brukt i studien er angitt i protokollen, slik at eksperimentelle innstillingene for lignende sonder og ultralyd bad kan konkluderes. De følgende nanomaterialer brukes: sølv (Ag), cerium-oksid (CeO2), sink oksid (ZnO, NM110-hydrophylic og NM111-hydrofobe) og Karbonbaserte nanomaterialer som Karbonnanorør (A32 og A106, se Tabellen for materiale).

Vurdering av spredning kvalitet på forskjellige tidspunkt langs sonication prosessen er laget ved hjelp av ulike karakterisering teknikker, nemlig DLS for partikkel størrelse/størrelse distribusjon, plate sentrifugering for størrelsesDistribusjon, ELS for zeta potensial, UV-vis spektroskopi for stabilitet og TEM for partikkel formen og homogenitet. En rekke forskjellige nanomaterialer mellom metalloksider Karbonbaserte evalueres. Til sammenligning brukes kommersielle vandig suspensjon av silver nanopartikler (Ag NPs) stabilisert med citrate capping parallelt, utlede forventet langsiktig stabilitet av en relevant kommersielt tilgjengelig suspensjon. Selvfølgelig denne Ag NPs-modellen er ikke direkte relatert til noen av spredning prosedyrene men fungerer kun for å angi behovet for å sonicate eller å stabilisere av suspensjon etter en tid lagringsplass endringer re agglomeration er bundet å oppstå under lagring. Suspensjon oppbevares i kjøleskapet i to måneder. I denne perioden kjennetegnes spredning for å identifisere potensielle agglomeration av partikler. Resultatene viser en ustabil suspensjon (som beskrevet under resultater ). Deretter er denne spredningen mer utsatt for forskjellige sonication behandlinger, lik den andre nanomaterialer brukes i studien. Formålet med undersøkelsen er å bekrefte at vi kan de agglomerate suspensjon gjennom den samme sonication-protokollen. Ag NPs modellen kan dermed knyttes som målestokk for langsiktige studier som representerer re spredning av partikler i optimalisert form.

Dispersjon protokollene presenteres her har noen likhetstrekk til dem utgitt i tidligere litteratur og inneholder noen av noen anbefalinger tidligere fra siste arbeidere7,21,22,23 ,24,25. I denne studien, en systematisk og step-wise tilnærming til å overvåke spredning kvalitet i spredning protokollen. Denne tilnærmingen forplikter sanntid karakterisering av nanomaterial-dispersions for å identifisere optimal eksperimentelle spredning forhold (figur 1).

Figure 1
Figur 1. Flytskjema som viser ordningen og step-wise rekkefølgen av spredning protokollen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Protocol

Merk: Alle kjemikalier brukes som mottas uten ytterligere rensing. Bruk ultrapure vann gjennom hele studiet med en resistivitet av 18 MΩ·cm. Alle de forberedt dispersions lagres vanligvis på 5 ° C i mørket noen ytterligere karakteristikk eller framtidige stabilitet studier, men dette kan variere avhengig av materiell sammensetning og andre tilknyttede egenskaper som oppløsning. For eksempel er Ag NPs generelt stabile stund hvis lagret mellom 2-5 ° C sollys; men dynamiske endringer er bundet til å skje i suspensjoner og dispersions vil re agglomerate likevel og er kjent sediment ned med tiden. Analysere disse materialene ved hjelp av DLS, UV-vis, og TEM for kvalitet bekreftelse før biologiske testing4,5,13,14. En konsentrasjon av 0.02 mg/mL brukes til analyse nedenfor. Eksempel konsentrasjonen er egnet for analyse ved hjelp av DLS, UV-vis, plate sentrifuge, zeta potensial beregninger og TEM analyse.

1. kalibrering leverte strøm av Sonicators

Merk: Den effektive akustiske power levert til sonicated suspensjon er en viktig parameter for å få reproduserbar dispersions. Dette er forskjellig fra elektriske inn- eller utgangseffekt på generatoren angitt av produsenten som dette er den faktiske makt som er levert til suspensjon under sonication26. Blant mange metoder for beregning av effektiv leverte strøm er den mest brukte metoden calorimetry26. Dette kan være en enkel og effektiv måte for direkte måling makt levert til en suspensjon7. I denne metoden temperaturøkningen i væsken på en gitt sonicator sette inn over tid, og den effektive power levert beregnes ved hjelp av følgende ligning:
Equation
hvor P er den leverte akustisk power (W), er temperaturen (K), t tilsvarer tiden (s), CP er spesifikke varmen av væske (4.18 J/g· K for vann), og M er massen av væske (g).

  1. Kalibrering av leverte strøm av ultralyd probe utstyrt med en flaske diskanthøyttaler
    Merk: Metoden er tilpasset fra Taurozzi et al. 7 og følgende anbefales.
    1. Plasser en tom plast flaske på microbalance og Tara balansen.
    2. Fylle ampullen med 1,5 mL DI vann (resistivitet 18 MΩ·cm) og ta masse væske med balansen.
    3. Plasser ampullen i en av seks medisinglass hullene i høy intensitet del av ampullen diskant og dyppe en temperatur probe koblet til en digital temperatur meter med en klemme. Pass på at proben ikke touch veggene av ampullen og er ca 2 cm under flytende overflaten.
    4. Sett innstillingen medisinglass diskanthøyttaler på 24 kHz og 10 W (amplituden justering på 50%) og operere i kontinuerlig modus.
      Merk: Andre amplituden justeringer testet her er 70%, 90% og 100%.
    5. Registrere økningen i temperaturen for de første 5 min med et intervall på 30 s og sikre at ampullen eller satt opp ikke flytter posisjon.
    6. Opprette en temperatur kontra Tidsgraf i et regnearkprogram og få den beste lineære passformen for kurven ved hjelp av minste kvadrater regresjon.
    7. Få skråningen av grafen (som er fremveksten av temperatur over tid) og beregne kraften leveres ved hjelp av Formel 1. Gjenta eksperimentet tre ganger og få middelverdien.
    8. Gjenta fra trinn 1.1.1 - 1.1.4 for 70%, 90% og 100% amplituden innstillinger. Styrkeverdien Hentet ved hjelp av denne fremgangsmåten rapporteres under spredning prosedyren.
  2. Kalibrering av leverte strøm av ultralydbad
    1. Plasser en tom plast flaske på microbalance og Tara balansen.
    2. Fylle ampullen med 1,5 mL DI vann (resistivitet 18 MΩ·cm) og ta masse væske med balansen.
    3. Plasser ampullen i ultralydbad halvparten dyppet i vann og fest den med en klemme. Legg en temperatur probe koblet til en digital temperatur meter med en klemme. Pass på at proben ikke touch veggene av ampullen og er ca 2 cm under flytende overflaten.
    4. Definer ultralydbad 40 KHz og 80 W og operere i kontinuerlig modus.
    5. Registrere økningen i temperaturen for de første 5 min med et intervall på 30 s og sikre at ampullen eller satt opp ikke flytter posisjon.
    6. Lage en temperatur kontra Tidsgraf i excel og få den beste lineære passformen for kurven ved hjelp av minste kvadrater regresjon.
    7. Få skråningen av diagrammet i et regnearkprogram (som er fremveksten av temperatur over tid) og beregne kraften leveres ved hjelp av Formel 1. Gjenta eksperimentet tre ganger og få middelverdien. Styrkeverdien Hentet ved hjelp av denne fremgangsmåten rapporteres under spredning prosedyren.

2. spredning prosedyre i vandig mediet bruker en ultralyd Probe utstyrt med en flaske diskanthøyttaler

  1. Veie 2 mg av hver av de nødvendige nanopowder ved hjelp av en ren slikkepott til tre ren hetteglass. Etiketten dem som ampuller 1, 2 og 3.
  2. Pipetter ut 1 mL DI vann og legge langs veggene av hvert hetteglass. Lage en tykk pasta med hjelp av en ren tynne glass stang, så tilsett resten av vannet for å gjøre en siste konsentrasjon av 0,2 mg/mL. I tilfelle av en hydrofobe prøve, utføre før fukting bruker 1 mL av 0,5% vol/vol etanol og legge DI vann utgjør den nødvendig siste konsentrasjonen.
  3. Forsegle hvert hetteglass med sin lua og rist godt i den vannrette sirkelbevegelse å removeany nanopowder stikker til veggene av ampullen.
  4. Plasser tre ampullene i den ultralyd proben utstyrt med en flaske diskant og bruke den første sonication behandlingen i 2 minutter på 1.1 W i pulserende modus (1 s/1 s, hvilke betyr 1 s på og 1 s av). Dette vil gi en temperaturøkning på ca 4 ° C i spredning.
  5. Ta ut medisinglass 1 og pipette ut en passende mengde aliquot fra toppen av ampullen, fortynne den med DI vann til en konsentrasjon av 0.02 mg/mL. Karakterisere utvannet spredning for størrelse, partikkel størrelsesDistribusjon, form, agglomeration og zeta potensial med en rekke gratis teknikker som DLS, TEM, UV-vis og ELS (omtalt i § 4). Registrere og dokumentere målingene nøyaktig.
  6. Pause i 10 min fra trinn 2.4 tillate kjøling av prøven og unngå noen brå temperaturøkning i systemet. Bruke andre sonication behandling ampuller 2 og 3 til 4 minutter til de samme innstillingene amplitude og pulserende modus. Ta ut medisinglass 2, Gjenta trinn 2.5 og dokumentere målingene etter 6 min av sonication.
  7. Pause i 10 min, en tredje sonication behandling gjelder medisinglass 3 for en annen 4 min og Følg trinn 2.5. Registrere og dokumentere målinger på 10 min av sonication (omtalt i § 4).
    Merk: Labfrakker, hansker og beskyttelsesbriller må brukes ved håndtering av suspensjoner av nanopartikler. Sonicator må plasseres i akustisk kabinett under lengre eksperimenter, og høy beskyttelse Ørevarmere må brukes når du arbeider nærmere til ultralyd kilden.

3. spredning prosedyre i vandig mediet bruker ultralydbad

  1. Veie 2 mg av hver av de nødvendige nanopowder ved hjelp av en ren slikkepott i fire ren hetteglass og merke dem som ampuller 4, 5, 6 og 7.
  2. Pipetter ut noen dråper DI legge langs veggene av hvert hetteglass, og lage en tykk pasta med hjelp av ren tynne glass stang. Deretter tilsett resten av vannet for å gjøre en siste konsentrasjon av 0,2 mg/mL i hvert hetteglass.
    Merk: I tilfelle av en hydrofobe prøve, pre fukting gjøres med 1 mL av 0,5% vol/vol etanol og deretter DI vann legges til utgjør den nødvendig siste konsentrasjonen.
  3. Forsegle hvert hetteglass med sin lua og rist godt i den vannrette sirkelbevegelse å fjerne noen nanopowder stikker til veggene av ampullen.
  4. Plasser fire ampullene i ultralydbad med hetteglass halvparten dyppet i vann og bruke den første sonication behandlingen på 80 W i 15 min ved romtemperatur. Dette vil gi en temperaturøkning på rundt 3 ° C i spredning.
  5. Fjerne medisinglass 4 fra ultralydbad og Pipetter ut en passende mengde aliquot fra toppen av ampullen fortynne den med DI vann til en konsentrasjon av 0.02 mg/mL og karakterisere utvalget for størrelse, partikkel størrelsesDistribusjon, form, agglomeration og zeta potensialet ved hjelp av en rekke gratis teknikker som DLS, TEM, UV-vis og ELS (omtalt i § 4). Registrere og dokumentere målinger.
  6. Endre vannet i ultralydbad og andre sonication behandling gjelder ampuller 5, 6 og 7 for en annen 15 min på de samme innstillingene (80 W). Fjerne medisinglass 5, Følg fremgangsmåten 3.5 for karakterisering og dokumentere målingene 30 minutter av sonication.
  7. Endre vannet i ultralydbad (for å unngå eventuelle videre temperaturøkning) og en tredje sonication behandling av en annen 30 min gjelder ampuller 6 og 7 på de samme innstillingene med en liten pause i endring av vann igjen på 15 min. Fjern medisinglass 6 og Følg trinn 3.5. Registrere og dokumentere målinger 1t av sonication.
  8. Endre vannet igjen i ultralydbad hvert 15 min, og gjelder en fjerde sonication behandling for medisinglass 7 for en time å holde for konstant. Ta ut medisinglass 7 Følg fremgangsmåten 3.5 for komplett karakterisering og registrere målinger på 2t av sonication.

4. karakterisering av spredt prøvene på ulike tidspunkt

  1. Størrelse karakterisering ved hjelp DLS 27
    1. Åpne DLS programvare. Opprette en størrelse mål fil som kan være individualisert for en bestemt nanomaterial (inkludert en for en standard) med brytningsindeks verdien fra Malvern manualen. I tillegg inn andre data som kreves av programvaren, for eksempel verdier for absorpsjon og viskositet, og også type dispergerings.
    2. Angi i eksperimentet forhold for prøven, som 2 min balanse tid, 20 ° C temperatur, cuvette skriver som lavt volum disponibel cuvette og eksperimentere kjører i automatisk modus. Trykk fil | Lagre (lagre med ønsket navn).
    3. Trykk "fil | Åpne nye målet"og et DLS bekreftelse test ved å bruke standard latex perler med en nominell størrelse 100 nm å kvalifisere instrumentytelsen
      1. Bruk lavt volum disponibel søppel. Injisere 1 mL av utvalget med sprøyte eller Pipetter for å unngå eventuelle luftbobler.
        Merk: Rengjør cuvettes med etanol og DI vann før bruk.
      2. Sett inn cuvette i maskinen. Klikk på knappen "start" i filen mål-panelet. Merk at dette equilibrate prøven i 2 minutter og ta målinger på 20 ° C.
        Merk: Hvis prøver er tidligere lagret i kjøleskapet, Tillat dem å nå romtemperatur før bruk.
      3. Samle minst fem mål i automatisk modus og ta gjennomsnittet av målene rapportere størrelsen ved å velge alle målene og klikker "gjennomsnittlig" fra toppanelet. Eksportere data til excel for videre analyse.
      4. Rapport etter diameter som Z-gjennomsnittet, med PdI bredden som representerer standardavviket for Z-gjennomsnittet ved en monomodal distribusjon28. I tilfelle en betydelig avvik mellom Z-gjennomsnittet og gjennomsnittet av intensitet-vektet størrelsesDistribusjon, som er tegn på polydispersity eller agglomeration, er gjennomsnittet av intensitet-vektet størrelse distribusjon resultatet notert med en kommentar på sample status.
      5. Gjenta trinn 4.1.3 for nye målene.
        Merk: DLS er ikke en passende teknikk for analyse av ikke-ideelle prøver. Med dette mener vi prøver som er ikke-sfæriske partikler på høy polydispersity, omfattende agglomeration, sedimentering, etc. gjentatte målinger kan føre til unøyaktige lesninger på grunn av sedimentering/settling partikler. I slike tilfeller anbefales andre gratis teknikker som platen sentrifugering, som kan brukes til å vurdere spredning på en kvalitativ måte.
  2. StørrelsesDistribusjon av platen sentrifugering
    1. Åpne CPS programvare. Velg "Prosedyre definisjon", innlegge eksempel SOP navnet øverst og fylle eksempel parameterne som minimum og maksimum diameter, partikkel tetthet, brytningsindeks, absorpsjon og ikke-sphericity faktor29.
      1. For eksempel for ZnO nanopartikler, angir 0,1 mikron og 1.0 mikron i kategoriene minimum og maksimum diameter henholdsvis, angi 5,61 g/mL i partikkel tetthet, 2.1 i delen brytningsindeks 0,001 i partikkel absorpsjon, og 1 i den ikke-sphericity delen.
    2. Fyll kalibreringen Standarddetaljer basert på PVC på topp diameter 0.377 µm med en partikkel tetthet av 1.385 g/mL. Også fylle ut væske parametere (sukrose, flytende tetthet 1.04 g/ml og væske brytningsindeks på 1,35), og navnet og lagre prosedyren.
    3. Valgte den valgte prosedyren (SOP lagret i trinn 4.2.1) og injisere første gradient nivå, 1.6 mL av sukrose (24%) i hullet gjennom platen og presse 'starte'.
      Merk: Rollen av sukrose her er å etablere en tetthet gradert i platen mens spinning med en konstant fart. Dette beregnede plate hastigheten avhengig av størrelse området.
    4. Vente til programvaren når den automatisk beregnede RPM (rotasjoner per minutt). Stabilisere sedimentering ved å injisere en gradering av sukrose (8% lav tetthet og 24% høy tetthet, se tabell 1), 1.6 mL totalt volum hver gang starter med høyeste tetthet og slutter med den laveste tetthet løsningen.
      Merk: Her vi markerer 8% sucrose løsning så lavt og 24% sucrose løsning så høyt. De er blandet i følgende volumer (totalt volum 1.6 mL hver gang) og injisert i platen én etter én til en forløpning er dannet.
      1. Denne injisere 1,0 mL av dodecane cap væske som hjelper opprettholde forløpningen i platen i minst 6 h. Tillat plate sentrifuge til equilibrate 1t.
    5. Velg "Drive analyzer" introdusere prøve-ID, og trykk start. Injisere 0,2 mL standard med 1 mL sprøyte i platen og trykk på mellomromstasten samtidig. Deretter injisere 0,2 mL prøven og trykker mellomromstasten samtidig. Vent til målingen til Fullfør og klikk deretter på neste utvalg.
    6. Bruk platen sentrifuge kontroll systemprogramvare å kjøpe og behandle data. For dette, klikk "hente distribusjon" og klikk på prøven navnet; Dette åpner størrelse distribusjon grafen for prøven. Eksportere data til et regneark manager.
  3. Dispersjon stabilitet studie med UV-vis spektroskopi
    Merk: UV-vis spektroskopi brukes ofte til å forstå suspensjon stabilitet og aggregering ved å nøye observere endringene i topp intensitet, spectral skjevfordeling, spectral form samt bølgelengden skifte i absorpsjon spektrum4. Detaljerte trinn er som følger:
    1. Åpne UV-vis spektrofotometer programvaren og klikk "spektrum scan"30.
    2. Bruk standard kvarts søppel (semi microrectangular kvarts celle 100 mm, 190-2700 nm). Injisere 2-3 mL utvalget med en pipette.
      1. Før bruk, vask cuvettes med 50% salpetersyre på 10 min og deretter vaske tre ganger med renset vann. Skyll med aceton, fjerne overflødig og lufttørke.
    3. Forhåndsinnstilte instrument innstilling mellom 700 nm til 200 nm wavelength bølgelengde kategorien ved å klikke "Instrument" på toppen av programvare panelet og "set bølgelengde".
    4. Klikk "baseline". Bakgrunnen trekker hver spektrum med en tilsvarende "Tom" dvssøppel fylt med bare spre medium, som i dette tilfellet vann.
      Merk: Ved hydrofobe prøver, lignende forholdet etanol: vann er brukt som dispersing medium.
    5. Samle minst tre individuelle spectra på hver prøve ved å klikke "Instrument | Egenskapen", og angi '3' av spectra. Ta gjennomsnittsverdiene for analyse. Lagre dataene og eksportere data for videre analyse.
  4. Zeta potensielle mål med ELS
    1. Åpne DLS programvare. Opprette en zeta potensielle mål fil som kan være individualisert for en bestemt nanomaterial med brytningsindeks verdien fra Malvern manualen. Angi annen informasjon som kan kobles til den programvaren f.eksabsorpsjon, viskositet og type dispergerings som finnes i kategorien for eksempel innstillingen klikk "fil | Lagre"og lagre til det ønskede navnet.
    2. Klikk "fil | Åpne nye målet"og Bekreft instrumentytelsen ved hjelp av en referanse standard DTS 1235 (zeta potensielle standard). Dette er en polystyren latex standard i vandig buffer ved pH 9 og et zeta potensial for-42 ± 4.2 mV.
    3. Forberede prøven i en sprøyte minst 1 mL kapasitet. Bruk en engangs foldet kapillær celle utstyrt med en elektrode i hver side til zeta potensielle målinger. Nøye injisere prøven i kapillær cellen gjennom en av portene på kapillære celle sjekke at det ikke er noen bobler.
      1. Når prøven begynner å dukke opp fra den andre enden, sett stoppers og fjerne væske som kan søler på elektrodene. Rengjør cuvettes grundig med etanol og DI vann.
    4. Sett inn brettet kapillær cellen i maskinen. Equilibrate i 2 minutter og hente målinger på 200 ° C med mindre angitt. Hvis spredning prøver er tidligere lagret i kjøleskapet, tillate spredning prøvene til romtemperatur før bruk.
    5. Samle minst fem mål i automatisk modus og rapportere gjennomsnitt zeta potensielle verdien. Eksportere data, analysere17,18 (vanligvis zeta potensielle verdien under -25 mV og over 25 mV regnes som stabil), og tolke tilkoblet eller frakoblet.
  5. Morfologiske karakterisering ved hjelp TEM
    1. Bruke rutenett (300 mesh) holey karbon filmer for eksempel utarbeidelse. Legg en dråpe spredning prøven (ca 0,1 mL, 0.02 mg/mL) på et rent rutenett.
    2. Tillate å luften tørr i omgivelsesforhold stund holder rutenettene dekket for å hindre luftbåren forurensning.
    3. Vask rutenett med svært rent vann for å fjerne eventuelle tørking effekter, og underlagt TEM bildebehandling.
      Merk: Tillegg av spredning slipp på rutenettet øker konsentrasjonen av partikler på rutenettet overflaten dermed fører til attraktive mellom partikkel styrker. Ujevn tørking kan føre til gjenstander. En liten skylling med ultra ren vann eliminerer denne risikoen, og er nyttig for en ensartet tørking av rutenett31.
    4. Bildene i dm3 format og senere undersøke dem frakoblet ved hjelp TEM programvare.
      Merk: Bilder kan brukes til å utlede utfyllende informasjon rundt partikkelstørrelse, struktur og form. Filene konverteres til tiff, hvor kvantifisering på egenskaper som størrelse kan utføres.

Representative Results

Calorimetric dataene viser temperaturøkningen over tid i begge sonication-typer vises i figur 2. Den effektive akustiske power levert til spredning i en ultralyd probe utstyrt med en flaske diskant (strømkilde 200 W) er beregnet til 0.55 ± 0,05 W på 50% amplitude, 0,75 ± 0,04 W på 70% amplitude, 1.09 ± 0,05 W på 90% amplitude og 1,15 ± 0,05 W på 50% amplit ude, mens for ultralydbad (strømkilde 80 W), er det beregnet til 0.093 ± 0,04 W på 100% innstilling. Funn ligner på tidligere utgitt verk, som viser at strømforbruket vises av sonicators er langt mindre enn levert av suspensjon under behandling32,33,34.

Figure 2
Figur 2. Calorimetric data som viser temperaturøkning over tid under sonication med (A) en ultralyd probe utstyrt med medisinglass diskant og (B) ultralydbad. Den effektive akustiske power levert til spredning i en ultralyd probe utstyrt med en flaske diskant (strømkilde 200 W) er beregnet til 0.55 ± 0,05 W på 50% amplitude, 0,75 ± 0,04 W på 70% amplitude, 1.09 ± 0,05 W på 90% amplitude og 1,15 ± 0,05 W på 50% amplit ude, mens for ultralydbad (strømkilde 80 W), er det beregnet til 0.093 ± 0,04 W på 100% innstilling. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Resultatene forbundet med de ulike nanomaterialer dispersions produsert av forskjellige protokoller vises i tabell 2. Resultatene viser variasjon i spredning kvaliteten (idet avmålt av DLS, ELS og TEM) forbundet med ulike nanomaterialer dispersions produsert ved hjelp av ulike sonication forhold. Som forventet, data variasjon styres av flere faktorer som type nanomaterial, sonication tidsperiode, og om en sonde eller en ultralydbad har vært brukt i protokollen. UV-vis spekteret innhentet for hver nanomaterial er vist i Figur 3 og Figur 4 og DLS resultatene er vist i figur 5 og figur 6.

Formålet med tabell 2 er ikke bare å vise data spredningsgraden, men også tillate identifikasjon av en optimalisert spredning protokoll for en gitt nanomaterial spredning. Hvis slike dispersions hadde blitt brukt som en del av en nanotoxicological test, så ideelt er å ha en stabil dispersjon (fortrinnsvis en størrelsesorden på minst ± 30 mV), en liten PdI indikerer smalere partikkel størrelsesDistribusjon (helst med PdI 0,2 eller mindre), og liten mener DLS partikkelstørrelse, angi oppløsningen av store agglomerates. Her, Z-gjennomsnittet er definert som intensiteten basert gjennomsnittlig størrelse på nanopartikler og PdI er et mål for bredden på samlet størrelse distribusjon (beskrevet ovenfor i innføring).

NM Eksempelkode Sonication tid Størrelsen av DLS (nm) Polydispersity indeks (PdI) Zeta potensielle (mV)
Cerium-oksid 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
Sink oksid (hydrofile) ZnO_NM110 pulver 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
Sink oksid (hydrofobe) ZnO_NM111_ 0 758±86 0.823±0.006 -14.6±0.7
pulver
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
Sølv 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

Tabell 2. Sammendrag av resultatene av NM spredning i vann. 'P' i prøven kodene angir spredning utført med en ultralyd probe utstyrt med en flaske diskant og 'B' i eksempelkoden angitt spredning utført med ultralydbad. Alle målinger ble tatt ved 0.02 mg/mL. Sonication på tid 0 betyr en ikke-sonicated suspensjon dvsfirmaet bare rister og miksing uten andre hjelp. CNTs som er helt uløselig og ikke-dispergerbare i DI vann på fysiske risting var sonicated i en første 2 minutter i Bad sonicator og også rapportert.

Figure 3
Figur 3. UV-vis spektra av (A) CeO2, (B) ZnO NM110 og (C) ZnO NM111 spredning i vann. UV-vis spektroskopi brukes til å forstå suspensjon stabilitet og aggregasjon nøye observere endringene i topp intensiteten, spectral skewness, spectral forme samt bølgelengde skifte i absorpsjon spectra. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4. UV-vis spektra av (A) CNTs A106, (B) CNTs A32 og (C) Ag_citrate spredning i vann. UV-vis spektroskopi brukes til å forstå suspensjon stabilitet og aggregasjon nøye observere endringene i topp intensiteten, spectral skewness, spectral forme samt bølgelengde skifte i absorpsjon spectra. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 5
Figur 5. Størrelse distribusjon av intensitet innhentet med Distribusjonslister for (A) CeO2, (B) ZnO NM110 og (C) ZnO NM111 spredning i vann. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 6
Figur 6. Størrelse distribusjon av intensitet innhentet med Distribusjonslister for (A) CNTs A106, (B) CNTs A32 og (C) Ag_citrate spredning i vann. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Ved CeO2 nanomaterial suspensjon resulterte bruk av sonication i en generell nedgang i partikkelstørrelse og PDI verdier. Uten noen sonication viser resultatene en flere intensitet distribusjon med en Z-gjennomsnitt (396 ± 130-nm) og svært høy PdI verdien 0.763 ± 0.100 (tabell 2). Videre viser spredning zeta potensielle verdien 17.2 ± 0,4 mV. Det bør bemerkes at en PdI på ≥0.5 er et tegn på en svært polydisperse suspensjon. Derfor prøven ble utsatt for platen sentrifugering, og størrelse distribusjonsdataene innhentet bekreftet også en ikke-uniform og ikke-homogen prøve (figur 7a). Eksempel morfologi og størrelse analyse av TEM ytterligere bekreftet at partikler i spredning er faktisk svært polydisperse (Figur 8). På spre pulver bruker ultralydbad i 15 min, resultatene viste forbedring i kvaliteten spredning. Spesielt hadde den generelle stabilitet (som angitt av tilsvarende zeta potensielle verdi) og monodispersity bedret. Økende sonication tiden til 2t resulterte i mye forbedret stabilitet og smalere partikkel størrelsesDistribusjon (tabell 2). Det er klart at det er gradvis forbedring i spredning kvaliteten hvis lengre bad sonication tid, sett av den gradvise nedgangen i etter diameter og PdI. Lignende resultater ble innhentet om spredning prosedyren hadde blitt utført ved hjelp av en ultralyd probe i stedet. Overall, en mer stabil og homogen tilstand av agglomeration er oppnådd ved hjelp av sonden, som bekreftes av DLS og TEM. Interessant, kan ultralydbad viste seg for å være et bedre alternativ enn bruk av en sonde, som en mye mindre gjennomsnittlig partikkelstørrelse og en mye høyere zeta potensielle verdi oppnås med et bad i stedet for en sonde. Det er observert at i begge sonication prosedyrer, TEM micrographs bekreftet tilstedeværelse av ulike primære partikler inkludere: sfærer, kuber og polyhedrons.

Figure 7
Figur 7. Størrelse distribusjon oppnås med platen sentrifugering for (A) CeO2_powder og (B) ZnO NM110_powder spredning i vann på 0 min. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 8
Figur 8. TEM bilder av CeO2 viser virkningen av sonication på prøve homogeniety og stabilitet. Skala baren er 100 nm for hvert utvalg. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Ved ZnO, to typer ZnO brukes i dispersions dvs, ZnO nanomaterialer på forskjellige overflaten profiler, hydrofile (NM110) og hydrofobe (NM111). Resultatene tyder tilsvarende funn mellom de to typene ZnO. Begge viser at med ingen sonication, spredning kvaliteten indikerte en stor gjennomsnittlig partikkelstørrelse og høy polydispersity. NM110 har en Z-gjennomsnittlig 1,410 ± 120 nm og PdI av 0.786 ± 0.150 nm; NM111 har en Z-gjennomsnittlig 758 ± 86 nm og PdI 0.823 + 0.006. Størrelse distribusjonsdata innhentet for NM110 fra platen sentrifugering også bekrefte eksempel polydispersity og inhomogeneity (figur 7b). Størrelsen og polydispersity av sonicated NM110 synes å redusere med 15 min behandling i ultralydbad og nå en optimal reduksjon platå på 30 min sonication tid. Lengre sonication tid viser en generell økning i partikkel størrelse data, potensielt på grunn av partikkel re agglomerating etter blir de agglomerert først. På den annen side, viser NM110 en homogen og stabil dispersjon etter 2 min ultralyd probe behandling. Men vise lengre sykluser av 6 min og 10 min også en økning i partikkelstørrelse og PdI verdier, indikerer re agglomeration av partikler. TEM (figur 9 og Figur 10) og UV-vis (figur 3b-c) resultatene ytterligere å bekrefte tilstanden til slik spredning kvalitet. Interessant, er veldig lignende resultater observert ved NM111 når behandlet med en ultralyd probe. Igjen, den systematiske tilnærmingen angir at beste spredning ble oppnådd på 2 minutter, som mulig re agglomeration kan knyttes til tilsvarende 6 min og 10 min tilfeller. Når ultralydbad ble brukt i stedet, nådd spredning partikkelstørrelse et platå etter 30 min av sonication; etter at ingen ytterligere øke eller redusere størrelsen eller polydispersity verdier er observert. Også indikere TEM micrographs innhentet for den hydrofobe NM111 tilstedeværelse av ulike gjenstander og annen tørking TEM rutenettet (Figur 10). Dette viser at pre wetting med etanol eller andre organiske løsemidler kan være nyttig mot utarbeidelse av vandig dispersions men det var utfordringer på immobilizing hydrofobe nanomaterial eksempler på karbon rutenettet. Total, hvis en optimal spredning protokoll er identifisert og dette styres av den minste tilsvarende PDI-verdien, så dette tilsvarer ZnO_NM110_B1 h og ZnO_Nm111_B30 min for hydrofile NM110 og hydrofobe NM 111 tilfeller, henholdsvis.

Figure 9
Figur 9. TEM bilder av ZnO NM110 viser virkningen av sonication på prøve homogeniety og stabilitet. Baren skala er 100 nm for hvert utvalg. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 10
Figur 10. TEM bilder av ZnO NM111 viser virkningen av sonication på prøve homogeniety og stabilitet. Baren skala er 0,1 µm for ZnO_NM111_B_15 min, ZnO_NM111_B_1 h, og ZnO_NM111_P_2 min, og 0,2 µm resten av prøvene. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Ved Karbonnanorør (CNTs), resultatene viser at slike nanomaterialer ikke er lett dispergerbare i vann, spesielt spredning protokollen innebærer bruk av fysisk gripende eller sterk rister. Dette gjelder for både multi vegger Karbonnanorør (MWCNTs) brukt i denne studien. TEM micrographs i tilfelle for både A106 og A32 dispersions på 2 minutter og 15 minutter av sonication syklus er vist i Figur 11 og Figur 12, henholdsvis. På økende sonication tid, viser resultatene brudd på CNTs, ofte resulterer i lengde modifikasjoner. Slike lengde endringer var tilsynelatende både sonde og ultralyd sonication. Resultatene viser at de A106 og A32 CNTs tilstrekkelig spre etter 2 min behandling hvis en ultralyd probe brukes. Her betyr tilstrekkelig spredning grenseverdi kritiske sonication der alle karbon nanorør (CNT) pakker er åpne og personlige rør er atskilt35. På økende sonication tiden 6 min eller 10 min, indikerer resultatene en modifikasjon av lengde distribusjon og mye høyere polydispersity. Endelig intensiteten distribuert størrelse data fra DLS (figur 6a-b) og absorpsjon spectra gjennom UV-vis (figur 4a-b) også bekrefte at CNT dispersions er svært følsomme for sonication gang og om en sonde eller bad er brukt. Både A106 og A32 CNTs viser en absorbansen topp mellom 253 og 310 nm, som er typisk for MWCNTs36. Topp intensitet er kjent for å være en god indikator for maksimal oppnåelig spredning i en sonication-drevet spredning av MWCNTs. UV-spekteret av både A106 og A32 angir 2 minutter og 15 minutter av sonication syklus skal optimal for suspensjon. Ved langvarig sonication utvider toppen med mindre topp intensitet samt eksempel ødeleggelse indikert ved skifte i absorbansen spectrum og spectral skjevfordeling (dannelsen av topp skuldrene).

Figure 11
Figur 11. TEM bilder av CNTs A106 viser virkningen av sonication på prøve homogeniety og stabilitet. Baren skala er 200 nm for hvert utvalg. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 12
Figur 12. TEM bilder av CNTs A32 demonstrere virkningen av sonication på prøve homogeniety og stabilitet. Baren skala er 200 nm for hvert utvalg. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Endelig for å ha noen grad av sammenligninger, dataene sammenlignes med en kommersielt tilgjengelig suspensjon av citrate stabilisert Ag NPs (nominell diameteren på 10 nm, 0.02 mg/mL). Karakterisering data viser at spredningen er svært agglomerert og polydisperse. DLS data viser en flere fordeling etter diameter av 72 ± 50 nm og en høy PdI 0,46 + 0.26 (figur 6 c). Morfologisk analyse av TEM (figur 13) og bredt overflaten Plasmon resonans (SPR) peak (absorpsjon på 418 nm i synlig-regionen) ved UV-vis (Figur 4 c) videre bekrefter en svært polydisperse prøve. Interessant, i ultralydbehandling forbedrer spredning stabilitet og PdI, men bare hvis en langt nok sonication tidsperiode brukes. en 2t sonication tid er nødvendig for å føre DLS partikkelstørrelse på 28 ± 5 nm og PdI 0.387 ± 0.015 (tabell 1). Men hvis en ultralyd probe brukes i stedet, forbedre prøve homogenitet og stabilitet bemerkelsesverdig på bare 2 min sonication tid, dermed resulterer i DLS partikkelstørrelse på 29 ± 1 nm, PdI 0.300 + 0.025 og ZP-42 ± 3 mV. Denne forbedringen i spredning kvalitet er også tydelig til en 10 min sonication innstilling, der et DLS partikkelstørrelse 25 ± 2 nm, PdI 0.251 ± 0,011 og ZP-47.3 ± 1.4 mV er observert. Her på 10 min av sonication hjelp medisinglass diskanthøyttaler, PdI reduseres og ZP øker. De tilsvarende TEM micrographs på slike respektive tidspunkt også bekrefte bedre eksempel homogenitet etter passende sonication protokollene brukes. Det er en rask bedring i prøven homogenitet og dispersity av partikler i TEM bilder. Eksempel 2 minutter viser noen agglomeration i forhold til de enkelte partiklene sonicated i 10 min bruker medisinglass diskant.

Figure 13
Figur 13. TEM bilder av kommersielle Ag NPs demonstrere virkningen av sonication på prøve homogeniety og stabilitet. Baren skala er 200 nm for hvert utvalg. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Høy (mL) Lav (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

Tabell 1. Sukrose tetthet gradert miksing for totalt 1,6 mL volum. Her vi merke 8% sukrose løsningen som lav og 24% sukrose løsning så høyt. De er blandet i følgende volumer (totalt volum 1.6 mL hver gang) og injisert i dis membran enkeltvis før en forløpning er dannet.

Discussion

Det endelige målet med undersøkelsen er å utvikle en strategi som ville tillate identifikasjon av optimale sonication forutsetninger for at dispersions av et valgt antall nanomaterialer i vann. Forsøkt her å nøye dokumentere protokollen trinnene og parametere under sonication for å oppfylle hullene tidligere identifisert i vurderinger også om følge anbefalingene er gjort i de siste15. Optimal spredning betingelsene identifiseres karakterisere dispersions etter hver sonication syklus og utvalg stabilitet og ensartethet. Virkningen av sonication prosedyrer og stabilitet status vurderes basert på de karakteristiske endringene i mekanisk-nøkkelegenskaper for nanomaterialer, som bestemmes av ulike analytiske teknikker: DLS, ELS, UV-vis og TEM. Gjeldende protokollen er en tilpasset metodikk for spredning av nanomaterialer fra siste litteraturen og andre forskning prosjekter21,22,37,38,39 med noen endringer og forbedringer nøkkel hull, skritt og deres anvendbarhet til bredere nanomaterialer av lignende overflate profil7. Forsiktig justeringer er imidlertid nødvendig med hensyn til deres sonication tid, styrke og type for sin søknad til andre nanomaterialer. Videre arbeid må også etablere en sammenheng mellom sonication prosedyre og biologiske aktivitet nanomaterialer. Seks forskjellige typer nanomaterial dispersions evalueres og forhold, hovedsakelig for sin stabilitet, bruker ultralydbad og en ultralyd probe utstyrt med en flaske diskanthøyttaler på angitt tidspunkt. For å opprettholde suspensjon renhet og noen utilsiktede endringer forårsaket på grunn av forurensning, unngås sonde sonication her. I hetteglass diskant holdes hetteglass lukket. Dette eliminerer eventuelle krysskontaminering av prøvene.

Kalibrering av sonicators er en nøkkelfaktor siden det finnes en rekke sonicators med forskjellige frekvenser, amplitude og krefter. For å bestemme effektiv akustisk energi levert til suspensjon, utføres kalibrering av sonicators ved hjelp av calorimetry. Akustisk kraften leveres for 70% amplituden innstillingen for medisinglass diskant og som for 100% ultralydbad innstillingen er beregnet til < 1 W (0,75 ± 0,04 W og 0.093 ± 0,04 W, henholdsvis). Men ytelser angitt av produsentene for medisinglass diskant og bad sonicator er 200 W og 80 W, henholdsvis. Dette angir at til tross for den høye strømkilden, mesteparten av energien som går tapt ved generering av cavitational bobler og bare en liten brøkdel faktisk leveres til spredning under behandling26. Nyere studier har understreket viktigheten av cavitational Målestyring sammenlignet med inngangseffekt av sonicator for en bedre spredning kontroll under sonication8. Metodene vises lovende for kontrollert spredning av svært delikat nanomaterialer som CNTs og anbefales for framtidige studier.

Hver teknikk som brukes i studien er basert på en annen måte med begrensninger til alle. Distribusjonslister er ikke en ideell teknikk for ikke-sfærisk suspensjoner som svært polydisperse systemer. Under slike forhold anbefales DCS på grunn av høy oppløsning, nøyaktighet og presisjon40. DCS kan helt skille svært smale størrelse distribusjon topper som avviker ved så lite som 3%. TEM gir direkte bilder av nanopartikler og er et flott verktøy for fastsettelse av aggregering, spredning, størrelsen og formen på partikler, men teknikken krever eksempel tørking som kan føre til gjenstander41. Dette kan fjernes ved å vaske rutenett med ultrapure vann som omtalt i trinn 4.5.3.

Blant andre fremhever metodikken noen avgjørende skritt som type ampuller brukes i protokollen, nedsenking dybde og plasseringen av ampullene i ultralydbad samt medisinglass diskant. Temperaturkontroll av systemet under omrøring er en viktig parameter. Hyppige vannbytter i ultralydbad og pulserende modus kjører i hetteglass diskanthøyttaler anbefales å unngå noen heten bygge under sonication, og dermed unngår noen eksempel endringer. Pre wetting trinnet for hydrofobe prøver som sink oksid bidrar til spredning av partikler, men dette kan forårsake noen uønskede endringer. Sonication tid og energi som bør være høyt nok til å fjerner agglomerate partikler, men ikke for mye at det bryter partikler. Resultatene indikerer at samlingen av planeter brudd er avhengig partikkel type.

Våre funn markere betydningen av har en detaljert spredning protokoll, som resultatene viser at fysikalsk-kjemiske egenskaper kan potensielt endres under sonication prosessen, som regulert av faktorer som sonicator type sonication varighet tid og power output. Resultatene har vist at prøven integritet er potensielt kompromittert på høyere intensitet agitasjon. Resultatene viser at CNTs er svært følsomme for omrøring, så skader er svært sannsynlig når sonication varighet og styrke er endret. Nær optimale innstillingene for spredning av CNTs er mellom 2-15 min med ultralydbad og bare 2 minutter med den ultralyd proben. Men kan ultrasonication fremdeles ha forårsaket noen nanotube shortenings, som ikke kan kvantifiseres nøyaktig her. Distribusjonslister kan ikke være en ideell teknikk for karakterisering av CNTs men det fortsatt kan gi etter diameter for nanorør og disse dataene kan være informativ av forskjellene i lengden distribusjoner av CNTs blant ulike eksempler16, 42,43. Tidligere studier viser at spredning protokollen for CNTs kan forbedres ved tilsetning av tensider som surfactant molekyler absorberes på nanotube monolayer, noe som gir en barriere for brudd på grunn av sonication35, 44. men dette kan ikke sammenlignes direkte til stede protokollen som ingen tensider er involvert i dette tilfellet. Det er viktig å merke seg at sikre lengde størrelsesDistribusjon ved CNTs er svært viktig, som størrelsesforholdet er ofte forbundet med visse toksikologiske svar. I kontrast, CeO2 ga enn CNTs, i som langvarig sonication ganger ultralydbad eller sonde, føre til dannelse av primære partikler. Forskjellen i funn mellom CNT og CeO2 fremhever betydningen å skreddersy spredning protokoller f.eks, optimalisere sonication tid og strøm utgang, i henhold til starter materiale dvs, type nanomaterial pulver. Hver nanomaterial pulver prøven er forskjellig, som det vil være forskjellige grader av agglomeration innen pulveret seg. I visse tilfeller resultert de agglomeration prosessen har i den de agglomeration opp primære partikler nivå, som tydelig av fremveksten av andre formet partikler i TEM bilder, som ikke var synlig før sonication trinnet. Langvarig sonication resulterte i kontinuerlig bryte cerium-oksid agglomerates i forskjellige vinkler dermed fører til mangesidig partikler.

Når det gjelder kommersielt kjøpte vandig utvalg av Ag NPs dispersions understreke våre funn også behovet for langsiktig stabilitet og ensartethet vurdering. Det er en nød å sikre at dispersions har vært tilstrekkelig preget før å bruke, spesielt i tilfeller av langsiktig lagring. Imidlertid har nanomaterialer kort holdbarhet. De alder med tid og oppføre seg annerledes etter langtidslagring sammenlignet med en nylaget spredning.

Resultater her fremheve behovet for en harmonisert strategi for å identifisere en optimalisert protokoll for ulike nanomaterialer. Presentert foreslåtte strategien er å utføre forskjellige varianter i metoden sonication og å sikre at dispersions på ulike tidspunkt kjennetegnes tilstrekkelig med komplementære analytiske metoder. Vekt på bruk av en multi-metoden tilnærming til karakterisere og overvåke spredning kvalitet gjennom tid og annen eksperimentelle forhold har blitt fremhevet av siste arbeidere45. Selv om ulike metoder for sonication har blitt presentert for å imøtekomme til bestemte nanomaterial spredning i studien, kan potensielt de brukes som grunnlag til å spre andre metall og metall oksid nanomaterialer (av lignende overflate egenskaper) i vann. Men krever har noen endring i enten nanomaterial type eller flytende medium behovet for å optimalisere den grunnleggende protokollen, som kan gjøres med forsiktig justering av ulike faktorer f.ekssonication tid, styrke og sonicator type. Uansett hva protokoll er valgt og identifisert som optimalt, det er alltid har en detaljert rapport på ordningen og step-wise rekke prosedyren sonication spredning. Dette er viktig å forbedre interpretability og sammenlignbarhet. Et av programmene i denne protokollen er å forenkle data sammenlignbarhet blant andre laboratorier fører til en harmonisert og standardisert tilnærming for fremtidige studier. Parameterne for gjeldende metodikk og kontroll kan benyttes for andre dispersing medier fra vann og sammenligninger kan trekkes på et enkelt tilfelle.

Disclosures

Forfatterne har ingen konkurrerende økonomisk interesse. IK EVJ fellesskap unnfanget studien med IK'S design, utført eksperimenter, analyserte data og forberedt manuskriptet. LJE og IR utført TEM avbilding. SA, MLM og MC levert CNTs, og resten av medforfattere diskuterte og kommenterte på manuskriptet på alle stadier og RT bidratt til redigering av manuskriptet.

Acknowledgments

Forskningen førte til disse resultatene har mottatt finansiering fra NE/J010783/1. Prosjektet NanoValid har fått støtte fra EUs syvende Program for forskning og teknologisk utvikling demonstrasjon under grant avtalen nr. 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics