Dispersion of Nanomaterials in Aqueous Media: Towards Protocol Optimization

Inder Kaur; Laura-Jayne Ellis; Isabella Romer; Ratna Tantra; Marie Carriere; Soline Allard; Martine Mayne-L'Hermite; Caterina Minelli; Wolfgang Unger; Annegret Potthoff; Steffi Rades; Eugenia Valsami-Jones

doi:10.3791/56074

JoVE Journal > Environment

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

环境科学

פיזור של ננו בתקשורת מימית: לקראת פרוטוקול אופטימיזציה

Published: December 25, 2017

doi:

10.3791/56074

Inder Kaur¹, Laura-Jayne Ellis¹, Isabella Romer¹, Ratna Tantra², Marie Carriere^3,4, Soline Allard⁵, Martine Mayne-L’Hermite⁵, Caterina Minelli⁶, Wolfgang Unger⁷, Annegret Potthoff⁸, Steffi Rades⁷, Eugenia Valsami-Jones¹

¹School of Geography, Earth and Environmental Sciences,University of Birmingham, ²Analytical Science,National Physical Laboratory, ³INAC-LCIB,Université Grenoble Alpes, ⁴CEA, INAC-SyMMES, ⁵NIMBE, CEA, CNRS,Université Paris-Saclay, CEA Saclay, ⁶Chemical, Medical and Environmental Science,National Physical Laboratory, ⁷BAM Division 6.1 ‘Surface Analysis and Interfacial Chemistry’,BAM Federal Institute for Materials Research and Testing, ⁸Fraunhofer Institute for Ceramic Technologies and Systems

Summary

כאן, אנו מציגים עבור הפיזור של ננו פרוטוקול הדרגתיים בתקשורת מימית עם אפיון בזמן אמת כדי לזהות את התנאים sonication אופטימלית, עוצמת ומשך עבור יציבות משופרת ואחידות של ננו-חלקיק דיספרסיות סטירול מבלי להשפיע על שלמות הדגימה.

Abstract

תהליך sonication משמש בדרך כלל עבור דה agglomerating ופיזור ננו בתקשורת מימית מבוסס, צורך לשפר הומוגניות ויציבות של ההשעיה. במחקר זה, מתבצע הדרגתיים בגישה שיטתית כדי לזהות תנאים אופטימליים sonication על מנת להשיג פיזור יציב של. גישה זו יש כבר אימצה, הוכח להיות מתאים עבור ננו מספר (צריום אוקסיד, תחמוצת אבץ ו פחמן) התפזרו במים (DI) יונים. עם זאת, עם כל שינוי סוג nanomaterial או בינוני לפיזור, צריך להיות אופטימיזציה של פרוטוקול בסיסי על-ידי התאמת גורמים שונים, ביניהם sonication זמן, כוח, ואת sonicator הקלד וכן עליית הטמפרטורה במהלך התהליך. הגישה מתעד את תהליך פיזור בפירוט. הדבר נחוץ לזהות את נקודות זמן, כמו גם יתר התנאים הנ ל במהלך תהליך sonication שבהם ייתכנו שינויים לא רצויים, כגון נזק למשטח חלקיקים ובכך משפיע על מאפייני משטח. המטרה שלנו היא להציע גישה harmonized זה יכול לשלוט באיכות של פיזור גמר, המיוצר. קו מנחה כזה הוא אינסטרומנטלי ולהבטיח פיזור הדיר איכות בקהילה הננו, במיוחד בתחום ננו טוקסיקולוגיה.

Introduction

Sonication הוא התהליך של יצירת cavitations, אשר כרוך הבריאה, צמיחה, כיווץ של בועות (נקרא לעיתים נקודות חמות) שהוקמה ב נוזלי בשל ההקרנות של סאונד בעוצמה גבוהה¹. באווירה מעבדה, השיטה sonication מתבצעת באמצעות של sonicator. ישנם sonicators שונים, שלכולם הפונקציה הכללית של דה-agglomerating חלקיקים, אשר לפזר במדיום נוזלי כמו חלקיקים בודדים (או העיקרי). על-ידי החלת sonication, דוגמת הומוגניות יכול לשפר, פוטנציאל להשגת הרבה צר יותר של חלקיקים בגודל התפלגות. היבט חשוב לקחת בחשבון בתהליך פיזור הוא יציבות של פיזור הסופי. . כאן, היציבות של ההשעיה מוגדר בו החלקיקים אל תתפשר או משקעים למטה במצב שלהם התפזרו ו הקוטר hydrodynamic ממוצע המדידות משתנה על ידי יותר מ-10% בין המדידות חוזרות חמישה שצולמו במהלך זה הזמן (בסביבות 10 דקות)²^,³. ישנם מספר דרכים למדוד ויציבות. זה כולל אומדן פוטנציאל זטה (מסוג ZP) באמצעות מדידה של ניידות electrophoretic של חלקיקים. נוספת היא למדוד את הספיגה האופיינית של חלקיקים טווח הספקטרום UV⁴.

בתחום ננו טוקסיקולוגיה, היכולת יש שליטה על פיזור איכותי חשוב מאוד, כפי שלב פיזור יקבע מפתח מאפיינים physicochemical, פילוג גודל/גודל החלקיקים, צורה, צבירת/הצטברות, פני השטח . גובה, וכו זה בתורו בסופו של דבר ישפיע האינטראקציה של חלקיקים עם מבחן מדיה ועל תוצאות של ניסויים במבחנה , ויוו שונים, על מנת להסיק הסיכונים הפוטנציאליים של ננו-חומרים…

Sonication מתבצעת בדרך כלל על ידי או באמצעות סוג בדיקה (ישירות) או באמבט אולטרא, או בדיקה אולטראסאונד עם הטוויטר מבחנה (sonication עקיף). כל סוגי sonication זמינים במגוון של עוצמת פלט הגדרות צריכת חשמל, הותאם לפעמים עם סוג אחר של sonotrode תהליכים ספציפיים או דרישות, ו מתאימים עבור אמצעי אחסון נוזלי ועד 2 250 מ. למרות בדיקה ultrasonication ידוע ביצועים טובים יותר sonication אמבט עקב בעוצמה גבוהה המותאמות לשפות אחרות⁵, אמבט sonication היא לעתים קרובות המועדפת על סוג בדיקה עבור הכנת מבחן רעילות המתלים בגלל ביותר האפשרי הסיכון לזיהום דרך הטיפ, שחיקה של טיטניום בדיקה עצה לאחר שימוש ממושך ולאחר בדיקה טבילה עומק סתירות. באופן דומה, בדיקה אולטראסאונד מצויד הטוויטר הבקבוקון יש יתרון על החללית ישירה בשל הסיכונים לזיהום הנ ל, כמו גם ידידותיות מבצע של הציוד. כמה בקבוקונים הם sonicated באותו זמן, באותה האינטנסיביות. זה לא רק חוסך זמן אך מבטיחה כי כל הדגימות יחס שווה, מה שהופך את התוצאות בין דוגמאות דומות ואמין יותר. במחקר בטיחות של ננו-חומרים, זיהום הוא תמיד נמנע. עם זאת, sonicator המכשיר לא מתאים דרישה זו, לא נבדק. בדיקה sonicators ידועים כדי לגרום לתופעות לוואי בלתי נמנע כגון דוגמת זיהום עקב שחיקת עצה, כמו גם צמצום תפוקת האנרגיה המוביל שינוי של תנאי פיזור, ומכאן להתפשר על נתונים הפארמצבטית⁶^, ⁷ ^, ⁸. יתר על כן, דגימות מופעלים בדרך כלל במיכלים חשפו שמוביל אובדן נוזלים עקב התאדות וכן אבק התצהיר. כדי למנוע שינויים אלה לא מכוונות, מחקרים שנעשו לאחרונה ממליצים sonicators עקיף חלופי המבוסס על אנרגיה יעיל משלוח שלהם, כמו גם ההשעיה טוהר אבטחת⁶.

Sonication הממוטבים שאינה יכולה להיות השפעה מזיקה על תוצאות. באופן פוטנציאלי, זה יכול לשנות את מפתח הפיסיקליות והכימיות של ננו כגון גודל, גודל הפצה, מורפולוגיה משטח הטעינה²^,⁹. ספרות הקודם דיווח כזה החולשות כדי לשלוט בתהליך sonication ואת ההשפעה על חלקיק פרמטרים כגון ננו-טיו₂⁵^,¹⁰^,¹¹, ננו-ZnO⁶ו ננו-נחושת¹² . יתר על כן, מחקרים שנעשו בעבר הראו כי התהליך sonication הפיצולים תכונות החלקיקים אלא גם על התוצאות של בדיקות רעילות¹²^,¹³.

כדי לקבל שליטה בתהליך פיזור, חשוב לפקח ולהבין כמה שונה גורמים כגון סוג sonicator, כלי חשמל, משך, אמצעי אחסון, וכדומה, יכולים להשפיע על איכות פיזור. לפיכך, יש צורך לקיים הליך שיטתי כדי לנתח מאפיינים physicochemical מרכזיים מהחלקיקים ב הפיזור בנקודות זמן שונות של תהליך sonication. למרות שיקולים כאלה נלקחו בחשבון על ידי כמה חוקרים, עבודה באזור זה הוא מוגבל. . Bihari et al. למדו ויציבות של דיספרסיות nanomaterial שונים שנעשו באמצעות אולטרסאונד שונות אנרגיות עם פיזור שונות הורודות¹⁴. סקירה לאחרונה על ידי Hartmannn. et al. יודגש כי למרות העבודה נעשתה כדי להבין את הגורמים השונים המשפיעים על nanomaterial פיזור איכות למשל, להשתמש בסוג sonicator, sonication זמן, וכו ‘, שם הוא עדיין לא sonication מוגדרים היטב, מקובלת הליך תומך כרגע nanotoxicological בדיקות וחקירות⁷^,¹⁵.

מספר טכניקות אנליטיות אפיון משמשות כדי לפקח על איכות פיזור. אלה כוללים את השימוש: פיזור אור דינאמי (DLS), דיסק צנטריפוגה, פיזור אור Electrophoretic (ELS), ספקטרוסקופיה הגלוי אולטרה סגול (UV-vis), ואשר הילוכים מיקרוסקופ אלקטרונים (TEM), מדידת פילוג גודל/גודל החלקיקים, פוטנציאל זטה ויציבות, מורפולוגיה מאפיינים, בהתאמה. DLS משמש לעתים קרובות כדי לקבוע את הקוטר hydrodynamic (Z-ממוצע) של חלקיקים, polydispersity אינדקס (PdI) של פיזור nanomaterial. במקרה של התפלגות גודל עם מודאלים מרובים על-ידי DLS, Z-הממוצע שהתקבל וייתכן שלא מסכים עם עוצמת התפלגות גודל העוצמה משוקלל. בתור שכזה, יכול להיות מצוטט הממוצע של התפלגות גודל העוצמה משוקלל. PdI משקף את broadness של התפלגות גודל עם סולם הנע בין 0 – 1, עם 0 להיות מדגם monodispersed ו- 1 להיות polydisperse מאוד לטעום¹⁶. דיסק צנטריפוגה היא טכניקה ההפרדה המשמש לקביעת פילוג גודל החלקיקים באמצעות שיקוע צנטריפוגלי במדיום נוזלי. המשקע חלקיקים בתוך ברור אופטית, סיבוב הדיסק וכמות האור מפוזר על ידי החלקיקים כאשר הם מגיעים לקצה של הדיסק מוקלט, שהוסב פילוג גודל החלקיקים באמצעות חוק סטוקס. כדי לפתור את התפלגות החלקיקים ומשולבות, טכניקות כגון דיסק צנטריפוגה מתאימים יותר כפי שהם רכיב מנגנון הפרדה משולב בתוך המכשיר. פוטנציאל זטה (אפי –פוטנציאל) של חלקיקים מוגדר הפוטנציאל החשמלי שלהם הטיה או המטוס הגולשות, המהווה גבול רעיונית בתוך שכבת כפול חשמל שמפריד את הנוזל (נפח) מציג התנהגות נורמלית צמיגה מ שכבת שטרן, שכבה ברובו מורכב מונה יונים ונחשב עם החלקיק. פוטנציאל זטה קשורה ישירות המטען משטח של חלקיקים ולכן האינטראקציה אלקטרוסטטית (קרי, משיכה/דחיה) בין החלקיקים. פרמטר זה ולכן היא נחשבת האינדיקטור העיקרי nanomaterial ויציבות. לפי המוסכמות, פוטנציאל זטה ערך מתחת –25 mV מעל 25 mV נחשבים יציבים¹⁷^,¹⁸. ריכוז וסוג יונים, כמו גם את פתרון ה-pH, להשפיע על פוטנציאל זטה¹⁹. ELS משמש כדי למדוד את הניידות electrophoretic של חלקיקי פיזור, ניידות זו מומר פוטנציאל דרך המשוואה הנרי, הדגמים Smoluchowski או היקל זטה. UV-vis ספקטרוסקופיה היא טכניקה המשמשת כדי לכמת את האור נספג, מפוזרים על ידי דגימה-אורך גל מסוים. הוא משמש לעתים קרובות כדי לפקח ויציבות על ידי מדידת ספיגת ננו האופיינית באזור UV. לבסוף, TEM משמש לעתים קרובות כדי להמחיש ולנתח את גודל, גודל הפצה, הצטברות והצורה של¹⁵^,²⁰¹⁴^,⁵^,חלקיקים.

אנו מציגים מחקר השוואתי של שישה דיספרסיות סטירול שונים nanomaterial עשה שימוש באמבט אולטרא, של בדיקה אולטראסאונד מצויד הטוויטר המבחנה. ריכוז החלקיקים, טמפרטורה, סוג sonicator והגדרות השתמשו במחקר צוינו בפרוטוקול, כך שניתן להסיק על ההגדרות ניסיוני עבור הגששים דומה אמבטיות אולטראסוניות. ננו הבאים משמשים: כסף (Ag), תחמוצת צריום (מנכ ל₂), תחמוצת אבץ (ZnO, NM110-hydrophylic, NM111-הידרופובי), מבוססת על פחמן ננו-חומרים כגון פחמן (A32, A106, ראה טבלה של חומרים).

הערכת איכות פיזור בנקודות זמן שונות לאורך התהליך sonication נעשית בטכניקות שונות אפיון, כלומר DLS להפצה גודל/גודל החלקיקים, דיסק צנטריפוגה להפצה בגודל, ELS עבור פוטנציאל, זטה UV-vis ספקטרוסקופיה יציבות, TEM צורת החלקיקים, הומוגניות. מספר ננו-חומרים שונים ועד תחמוצות מתכת מבוססי פחמן מוערכים. לשם השוואה, מסחרי ההשעיה מימית של חלקיקי כסף (Ag NPs) התייצב עם מיצוי ציטראט משמש במקביל, להסיק את היציבות לטווח ארוך הצפוי של השעיה זמינים מסחרית הרלוונטיים. מודל Ag NPs זה לא קשור ישירות בהליכים פיזור אבל פועל אך ורק לציון צורך מחדש sonicate או מחדש לייצב את המתלים לאחר זמן מה של אחסון כמו שינויים כגון הצטברות מחדש חייבים להתרחש במהלך אחסון. ההשעיה נשמרת במקרר במשך חודשיים. במהלך תקופה זו, הפיזור מאופיין לזהות פוטנציאל הצטברות של החלקיקים. תוצאות ראשוניות הראה על ההשעיה לא יציב (כמפורט בסעיף תוצאות ). לאחר מכן, זה פיזור נוסף נענשים טיפולים sonication שונים, בדומה ננו אחרים השתמשו במחקר. מטרת המחקר היא לאשר כי אנחנו יכולים לבטל את agglomerate התליה באמצעות פרוטוקול sonication באותו. דגם Ag NPs ובכך ניתן לשייך בתור אמת המידה ללימודי לטווח ארוך המייצג פיזור מחדש של חלקיקים בצורת ממוטבת.

הפרוטוקולים פיזור המובאת כאן קווי דמיון לאלה שפורסמו בספרות מוקדמת יותר, משלב חלק ניכר כמה מההמלצות בעבר האחרונות עובדים⁷^,²¹^,²²^,²³²⁴^, ^,²⁵. במחקר זה, בגישה שיטתית, צעד חכם משמש כדי לפקח על איכות פיזור לאורך פרוטוקול פיזור. גישה זו מתחייבת בזמן אמת אפיון דיספרסיות סטירול nanomaterial, על מנת לזהות תנאים אופטימליים פיזור ניסיוני (איור 1).

איור 1. תרשים זרימה המתאר את ערכה ואת הדרגתיים רצף פרוטוקול נפיצה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Protocol

הערה: כל הכימיקלים משמשים שהתקבל ללא טיהור נוסף. השתמש הנדסה גנטית מים לאורך כל תקופת המחקר resistivity של 18 MΩ·cm. מוכנה מצמיגים לצבעים אמולסיוניים מאוחסנים בדרך כלל 5 ° C בחושך כל אפיון נוסף או מחקרי יציבות בעתיד אבל זה יכול להשתנות בהתאם ההרכב גשמי ומאפיינים אחרים הקשורים כמו התפרקות. לדוגמה, Ag NPs יציבים בדרך כלל זמן אם מאוחסנים בין 2-5 ° C בלבד שמש; עם זאת, שינויים דינמיים חייבים לקרות בתוך המתלים, דיספרסיות סטירול מחדש agglomerate אף על פי כן, ידועים משקעים למטה עם הזמן. לנתח חומרים אלה באמצעות DLS, UV-vis, TEM לאימות איכות לפני ביולוגית בדיקות4,5,13,14. ריכוז של 0.02 נקודות מ”ג/מ”ל משמש עבור ניתוח שלהלן. ריכוז מדגם מתאים ניתוח באמצעות DLS, UV-vis, דיסק צנטריפוגה, פוטנציאל זטה חישובים וניתוח TEM. 1. כיול של כוח ונמסרו על ידי Sonicators הערה: הכוח אקוסטי יעיל להעביר את המתלים sonicated היא פרמטר חשוב על מנת לקבל דיספרסיות לשחזור. זה שונה מן חשמל קלט או פלט כוח של הגנרטור שציין היצרן כמו זה בפועל כוח זה התוצר על ההשעיה במהלך sonication26. בין שיטות רבות לחישוב כוח המשלוח יעיל, השיטה הנפוצה ביותר היא calorimetry26. דבר זה ידוע חייבת להיות דרך פשוטה ויעילה למדידה ישירה של כוח יעיל נמסר ההשעיה7. בשיטה זו, עליית טמפרטורת הנוזל-sonicator נתון הגדרת נרשם לאורך זמן, כוח יעיל נמסר מחושבת באמצעות המשוואה הבאה:כאשר P הוא הכוח האקוסטי ונמסרו (W), T היא הטמפרטורה (K), t מתייחס הזמן (s), CP הוא החום ספציפי של הנוזל (4.18 J/g· K עבור מים), M היא המסה של הנוזל (g). כיול של כוח ונמסרו על ידי החללית אולטרסאונד מצויד הטוויטר המבחנההערה: השיטה היא ממאמרו של. Taurozzi et al. 7 והשלבים הבאים מומלצים. במקום בקבוקון פלסטיק ריק על microbalance, להקרע האיזון. ממלאים את הצנצנת עם 1.5 מיליליטר מים DI (resistivity 18 MΩ·cm) ולהקליט את המסה של הנוזל באמצעות האיזון. למקם את הבקבוקון באחד החורים המבחנה 6 בחלק בעוצמה גבוהה הטוויטר המבחנה, לטבול בדיקה טמפרטורה מחובר מד טמפרטורה דיגיטלית באמצעות מלחציים. ודא כי המכשיר לא לגעת בקירות של הבקבוקון הוא כ- 2 ס מ מתחת לפני השטח נוזלי. לקבוע את ההגדרה הטוויטר המבחנה 24 kHz ו- 10 W (התאמת משרעת ב-50%) ולפעול באופן רציף.הערה: התאמות אחרות משרעת נבדק כאן הם 70%-90%, 100%. להקליט את העלייה בטמפרטורת המים עבור 5 דקות הראשונית במרווח של 30 s ולהבטיח כי המבחנה או הגדרת אינו שינוי בעמדה. ליצור טמפרטורה לעומת גרף זמן בתכנת והשג את התאמת ליניארית הטובה ביותר עבור העקומה באמצעות שיטת הריבועים הפחותים רגרסיה. להשיג את השיפוע של הגרף (שהוא עליית הטמפרטורה לאורך זמן) ולחשב את הכוח מועברת באמצעות משוואה 1. חזור על הניסוי שלוש פעמים ולקבל את הערך הממוצע. חזור על הפעולות מצעדי 1.1.1 – 1.1.4 עבור הגדרות משרעת 70%, 90% ו 100%. הערך כוח תוך שימוש בהליך זה הוא דיווח במהלך הליך פיזור. כיול של כוח ונמסרו על ידי באמבט אולטרא במקום בקבוקון פלסטיק ריק על microbalance, להקרע האיזון. ממלאים את הצנצנת עם 1.5 מיליליטר מים DI (resistivity 18 MΩ·cm) ולהקליט את המסה של הנוזל באמצעות האיזון. מניחים את הצנצנת באמצע האמבטיה אולטראסוניות שחצי טבולים במים ואבטח אותו עם מלחציים. לטבול בדיקה טמפרטורה מחובר מד טמפרטורה דיגיטלית באמצעות מלחציים. ודא כי המכשיר לא לגעת בקירות של הבקבוקון הוא כ- 2 ס מ מתחת לפני השטח נוזלי. כוונן באמבט אולטרא-40 קילו-הרץ ו- 80 W ‘ פועלים באופן רציף. להקליט את העלייה בטמפרטורת המים עבור 5 דקות הראשונית במרווח של 30 s ולהבטיח כי המבחנה או הגדרת אינו שינוי בעמדה. ליצור טמפרטורה לעומת גרף זמן ב- excel ולקבל את התאמת ליניארית הטובה ביותר עבור העקומה באמצעות שיטת הריבועים הפחותים רגרסיה. להשיג את השיפוע של הגרף של תוכנת הגיליון האלקטרוני (שהוא עליית הטמפרטורה לאורך זמן) ולחשב את הכוח מועברת באמצעות משוואה 1. חזור על הניסוי שלוש פעמים ולקבל את הערך הממוצע. הערך כוח תוך שימוש בהליך זה הוא דיווח במהלך ההליך פיזור. 2. פיזור הליך במדיום מימית באמצעות של החללית אולטרסאונד מצויד הטוויטר המבחנה שוקל 2 מ ג של כל אחד nanopowder הדרוש באמצעות מרית נקי לתוך שלוש מבחנות זכוכית נקי. תווית אותם כמו המבחנות 1, 2 ו- 3. פיפטה החוצה 1 מ”ל של מים DI ולהוסיף לאורך קירות כל מבחנה. להכין עיסה עבה עם העזרה של מוט זכוכית נקי, ולאחר מכן להוסיף את שאר המים כדי להפוך ריכוז סופי של 0.2 מ”ג/מ”ל. במקרה של מדגם הידרופוביות, לבצע את הרטבה מראש באמצעות 1 מ”ל של 0.5% אתנול vol/כרך ומוסיפים מים די כדי לפצות את הריכוז הסופי הנדרש. חותם כל בקבוקון עם הכובע שלה ומנערים היטב תנועה מעגלית אופקית כדי nanopowder removeany נשאר עם דפנות המבחנה. הכנס את שלושת הבקבוקונים החללית אולטרסאונד מצויד הטוויטר המבחנה ולהחיל את הטיפול הראשון sonication למשך 2 דקות ב 1.1 W במצב פעמו (1 s s/1, אילו אמצעים 1 s על ו- 1 s הנחה). זה ייתן לעלייה בטמפרטורה של 4 מעלות הפיזור. קח את מבחנה 1 ופיפטה החוצה כמות מתאימה של aliquot מהחלק העליון של המבחנה, למהול אותו במים DI בריכוז 0.02 נקודות מ”ג/מ”ל. לאפיין את פיזור מדולל גודל, פילוג גודל החלקיקים, צורה, הצטברות של פוטנציאל זטה באמצעות מגוון של טכניקות ללא תשלום כגון DLS, TEM, UV-vis ולאחר ELS (נדון במסגרת סעיף 4). להקליט ולתעד את המידות במדויק. להשהות 10 דקות משלב 2.4 כדי לאפשר קירור של המדגם, כדי למנוע כל עליית חום פתאומית במערכת. להחיל טיפול sonication שני בקבוקונים 2 ו- 3 עבור 4 דקות באותן ההגדרות של משרעת ומצב פעמו. להוציא את המבחנה 2, חזור על שלב 2.5, ולתעד את הקריאות לאחר 6 דקות של sonication. להשהות 10 דקות, להחיל טיפול sonication השלישי בקבוקון 3 עבור עוד 4 דקות ולאחר מכן בצע צעד 2.5. להקליט ולתעד את המידות ב 10 דקות של sonication (נדון במסגרת סעיף 4).הערה: מעבדה של מעילים, כפפות, משקפי מגן חובה לחבוש בעת טיפול השעיות של חלקיקים. Sonicator יש למקם במארז אקוסטית במהלך ניסויים זמן רב יותר, מצמדים האוזן הגנה גבוהה חובה לחבוש כאשר עובד קרוב יותר למקור אולטרסאונד. 3. פיזור הליך במדיום מימית שימוש באמבט אולטרא שוקל 2 מ ג של כל אחד nanopowder הדרוש באמצעות מרית נקי ב 4 מבחנות זכוכית נקי, לתייג אותם כמו צלוחיות 4, 5, 6 ו- 7. פיפטה החוצה כמה טיפות של מים DI ו להוסיף לאורך קירות כל מבחנה, להכין עיסה עבה עם העזרה של מוט זכוכית נקי. לאחר מכן להוסיף את שאר המים כדי ליצור ריכוז סופי של 0.2 מ”ג/מ”ל כל מבחנה.הערה: במקרה של מדגם הידרופוביות, הרטבה מראש מתבצעת באמצעות 1 מ”ל אתנול vol/כרך 0.5%, אז די מים נוסף כדי לפצות את הריכוז הסופי הנדרש. חותם כל בקבוקון עם הכובע שלה ומנערים היטב תנועה מעגלית אופקית כדי להסיר את כל nanopowder נשאר עם דפנות המבחנה. מקום 4 מבחנות באמצע באמבט אולטרא עם הבקבוקונים שחצי טבולים במים ולהחיל הטיפול sonication הראשון 80 W למשך 15 דקות בטמפרטורת החדר. זה נותן עלייה בטמפרטורה של 3 ° C ב הפיזור. להסיר את המבחנה 4 האמבט אולטראסוניות, פיפטה החוצה כמות מתאימה של aliquot מהחלק העליון של הבקבוקון למהול אותו במים DI בריכוז 0.02 נקודות מ”ג/מ”ל, לאפיין את הדגימה גודל, פילוג גודל החלקיקים, צורה, הצטברות של זטה הפוטנציאל באמצעות מגוון של טכניקות ללא תשלום כגון DLS, TEM, UV-vis ולאחר ELS (נדון במסגרת סעיף 4). להקליט ולתעד את המידות. להחליף את המים באמבט אולטראסוני ולהחיל טיפול sonication השני על הבקבוקונים 5, 6 ו- 7 למשך עוד 15 דקות-באותן ההגדרות (80 W). להסיר את המבחנה 5, בצע את שלב 3.5 עבור אפיון ולתעד את הקריאות ב 30 דקות של sonication. להחליף את המים באמבט אולטראסוני (כדי למנוע עלייה נוספת בכל טמפרטורה), להחיל טיפול sonication השלישי של עוד 30 דקות בקבוקונים 6, 7 בשעה באותן ההגדרות עם הפסקה קטנה של שינוי של מים שוב ב 15 דקות הסר בקבוקון 6 ופעל שלב 3.5. להקליט ולתעד את המידות ב 1 h של sonication. להחליף את המים שוב באמבט אולטראסוני כל 15 דקות ולהחיל טיפול sonication הרביעית על המבחנה 7 עוד שעה לשמור את הגדרות הקבוע. להוציא את המבחנה 7 בצע צעד 3.5 אפיון מלא ו להקליט את המידות ב 2 h של sonication. 4. אפיון של הדגימות התפזרו בנקודות זמן שונות איפיון גודל באמצעות DLS 27 פתח את תוכנת DLS. ליצור גודל מדידה קובץ יכול להיות פרטנית עבור nanomaterial ספציפיים (כולל אחד עבור תקן) באמצעות הערך מקדם שבירה המדריך מלוורן. בנוסף, קלט נתונים אחרים כנדרש על-ידי התוכנה, כגון ערכי ורפואה צמיגות, ואת גם סוג dispersant. הזן תנאי הניסוי עבור המדגם, כגון 2 דקות equilibration זמן, טמפרטורה 20 ° C, cuvette הקלד בנפח נמוך cuvette חד פעמיות, ניסוי פועל במצב אוטומטי. הקש על הקובץ | שמור (שמור בשם הרצוי). הקש “קובץ | לפתוח את המדידה החדש”ולעשות בדיקה DLS אימות באמצעות תקן חרוזים לייטקס עם גודל נומינלי של 100 ננומטר להעפיל כלי ביצועים השתמש cuvette חד פעמיות בנפח נמוך. להזריק 1 מ של דגימה באמצעות מזרק או פיפטות להימנע בועות אוויר.הערה: לנקות את וואקום עם אתנול ומים DI לפני השימוש. הוסף את cuvette לתוך המכונה. לחץ על לחצן “התחל” שבלוח מדידה קובץ. שימו לב כי זה equilibrate המדגם למשך 2 דקות, לקחת מידות ב 20 º C.הערה: אם הדגימות אוחסנו בעבר במקרר, לאפשר להם להגיע לטמפרטורת החדר לפני השימוש. לאסוף את מדידות לפחות חמישה במצב אוטומטי ולקחת את הממוצע של המדידות לדווח את הגודל על-ידי בחירת כל המדידות ולחיצה על “ממוצע” מתוך החלונית העליונה. לייצא את הנתונים ב- excel לצורך ניתוח נוסף. לדווח הקוטר hydrodynamic כמו Z-הממוצע, עם רוחב PdI המייצג את סטיית התקן של הממוצע-Z במקרה של התפלגות monomodal28. במקרה של פער משמעותי בין Z-הממוצע הממוצע של התפלגות גודל משוקלל בעוצמה, אשר מעיד על polydispersity או הצטברות, מצוטט הממוצע של התוצאה התפלגות גודל העוצמה משוקלל עם הערה ב המצב הדגימה. חזור על צעד 4.1.3 מידות חדשות.הערה: DLS אינה טכניקה מתאימה לניתוח לא אידאליות דוגמאות של… כלומר מדגמים אשר הם חלקיקים שאינם כדורית של polydispersity גבוהה, הצטברות נרחב, שיקוע, וכו שהמידות חוזרות עלול לגרום קריאות לא מדויק בשל להתיישב/שקיעת חלקיקים. במקרים כאלה, טכניקות אחרות ללא תשלום מומלצים כגון דיסק צנטריפוגה, בו ניתן להשתמש כדי להעריך את הפיזור בצורה איכותית. גודל להפצה על-ידי דיסק צנטריפוגה פתח את תוכנת CPS. בחר “הליך הגדרה”, הכניסו את השם SOP מדגם בחלק העליון, ולמלא את הפרמטרים מדגם כגון בקוטר מינימלי ומקסימלי, צפיפות החלקיקים, שבירה, הקליטה, גורם שאינו sphericity29. לדוגמה, עבור ZnO חלקיקים, נכנסים 0.1 מיקרון, 1.0 מיקרון בתוך הכרטיסיות בקוטר מינימלי ומקסימלי, בהתאמה, הזן 5.61 g/mL צפיפות החלקיקים, 2.1 במקטע שבירה, 0.001 בקליטת חלקיקים, ו- 1 בשאינם-sphericity מדור. למלא את הכיול פרטי רגיל המבוסס על תקן PVC של שיא קוטר 0.377 מיקרומטר עם צפיפות החלקיקים של 1.385 g/mL. גם למלא את הפרמטרים נוזלים (סוכרוז, צפיפות נוזל של 1.04 g/mL, נוזל מקדם שבירה של 1.35), ואת שם ולשמור את ההליך. בחר את ההליך שנבחר (SOP הציל בשלב 4.2.1) ולהזריק הרמה הדרגה הראשונה, 1.6 מ של סוכרוז (24%) לתוך החור דרך דיסק, לחץ על ‘התחל’.הערה: התפקיד של סוכרוז כאן היא ליצור מעבר הדרגתי צפיפות בתוך הדיסק בעת מסתובב במהירות קבועה. זה מחושב באופן אוטומטי את מהירות הדיסק בהתאם לטווח גודל. המתן עד התוכנה מגיע את מחושב באופן אוטומטי RPM (סיבובים לדקה). לייצב את שקיעת באמצעות הזרקת הדרגתי של סוכרוז (צפיפות נמוכה של 8% וצפיפות גבוהה 24%, ראה טבלה 1), מ ל 1.6 נפח כולל כל הזמן החל בצפיפות הגבוהה והסיום עם הפתרון צפיפות הנמוכה ביותר.הערה: כאן אנחנו מציינים את 8% סוכרוז פתרון כמו נמוך ו- 24% סוכרוז פתרון גבוהה. הם מעורבים בכמויות הבאות (סה כ נפח 1.6 מ ל כל פעם), מוזרק לתוך הדיסק אחד אחד עד הדרגה נוצר. בעקבות זאת, להזריק 1.0 מ”ל של dodecane קאפ נוזל שעוזר לשמור על מעבר הצבע בתוך הדיסק למשך תקופה מינימלית של 6-אייץ אפשר לצנטריפוגה דיסק כדי equilibrate לשעה. בחר “פועלים מנתח”, להציג את מזהה מדגם ולאחר לחץ על התחל. להזריק 0.2 מ”ל של תקן עם מזרק 1 מ”ל הדיסק ולחץ על מקש הרווח בו זמנית. לאחר מכן מזריקים 0.2 מ”ל של המדגם, הקש על מקש הרווח בו זמנית. לחכות המדידה לנקודת סיום ולאחר מכן לחץ על הבא לדוגמה. השתמש את תוכנת המערכת דיסק בקרת צנטריפוגה כדי לרכוש ולעבד את הנתונים. בשביל זה, לחץ על “לאחזר הפצה” ולחץ על שם מדגם; פעולה זו פותחת את גרף התפלגות גודל עבור המדגם. יצא את הנתונים בגיליון האלקטרוני למנהל. פיזור יציבות המחקר באמצעות UV-vis ספקטרוסקופיההערה: UV-vis ספקטרוסקופיה משמש לעיתים קרובות להבין את ההשעיה יציבות ואת צבירת התבוננות בקפידה את השינויים בשיא העוצמה, צידוד ספקטרלי, צורה ספקטרלי גם אורך הגל משמרת ספקטרום הבליעה4. השלבים המפורטים הם כדלקמן. לפתוח את התוכנה ספקטרופוטומטרים UV-vis ולחץ על “סרוק ספקטרום”30. השתמש cuvette של קוורץ רגיל (חצי microrectangular קוורץ תא 100 מ מ, 190-2,700 ננומטר). 2-3 מ של דגימה באמצעות פיפטה להזריק. לפני השימוש, לשטוף את וואקום עם 50% חומצה חנקתית למשך 10 דקות ולאחר מכן לשטוף שלוש פעמים עם מים מורתחים. לאחר מכן לשטוף עם אצטון, להסיר את עודף, אוויר יבש. מראש טווח הגדרת מכשיר ל- 700 nm 200 ננומטר אורך גל מהכרטיסיה גל על-ידי לחיצה על “כלי” בחלק העליון של החלונית ‘ תוכנה ‘ ולחיצה על ‘הגדר אורך גל’. לחץ על “בסיסי”. רקע לחסר כל הספקטרום באמצעות המקביל ‘ריק’, קריcuvette מלא עם רק פיזור בינוני, אשר במקרה הזה הוא מים.הערה: במקרה של דגימות הידרופוביות, יחס דומה של אתנול: מים משמש כאמצעי לפיזור. לאסוף לפחות שלושה ספקטרה בודדים על כל דגימה על-ידי לחיצה על “כלי נגינה | רכוש”, והזן ‘3’ במספר של ספקטרה. לוקח ממוצע של ערכים לניתוח. לשמור את הנתונים ולייצא את הנתונים עבור ניתוח נוסף. אומדן פוטנציאל זטה. בעזרת ELS פתח את תוכנת DLS. ליצור זטה פוטנציאליים מדידה קובץ יכול להיות פרטנית עבור nanomaterial ספציפי באמצעות הערך מקדם שבירה המדריך מלוורן. קלט מידע אחר אשר יכול להיות פקוק לתוך התוכנה למשל, הקליטה, צמיגות, וסוג dispersant כפי שנמצאו הכרטיסיה הגדרה מדגם לחצו “קובץ | שמור”ושמור בשם הרצוי. לחץ על “קובץ | לפתוח את המדידה החדש”ולאמת את ביצועי כלי באמצעות הפניה DTS רגיל 1235 (זטא פוטנציאל סטנדרטי). זה הוא latex פוליסטירן סטנדרטי במאגר מימית ב- pH 9 ויש לו פוטנציאל זטה של-42 ± 4.2 mV. הכנת המדגם של מזרק לפחות 1 mL קיבולת. שימוש נייד חד פעמי נימי מקופל מצוידים עם אלקטרודה בכל צד של המדידות פוטנציאל זטה. בזהירות להזריק המדגם לתוך התא נימי באחת היציאות על בדיקת התא נימי ישנם אין בועות. ברגע המדגם מתחיל לצאת מן הקצה השני, פקקים של האצוהו כל נוזל אשר ייתכן שפך אל האלקטרודות. לנקות את וואקום ביסודיות עם אתנול ומים DI. להוסיף את התא נימי מקופל לתוך המכונה. Equilibrate למשך 2 דקות ולרכוש את המידות ב 200 מעלות צלזיוס, אלא אם כן צוין. אם פיזור דגימות אוחסנו בעבר במקרר, לאפשר את הדגימות פיזור להגיע לטמפרטורת החדר לפני השימוש. לאסוף את מדידות לפחות חמישה במצב אוטומטי ודווח על הערך פוטנציאל זטה בממוצע. ייצוא הנתונים, לנתח17,18 (בדרך כלל, זטה ערך פוטנציאלי להלן –25 mV מעל 25 mV נחשב יציב), ולפרש מקוונת או לא מקוונת. אפיון מורפולוגי באמצעות TEM השתמש סרטים פחמן הבנת רשתות (300 mesh) לשם הכנת המדגם. לשים טיפה של המדגם פיזור (כ 0.1 מ”ל, 0.02 נקודות מ”ג/מ”ל) על רשת נקייה. לאפשר הדגימה כדי אוויר יבש בתנאי הסביבה תוך שמירה על הרשתות כוסה על מנת למנוע זיהום באוויר. לשטוף את הרשתות עם מים אולטרא טהורים כדי להסיר את כל תופעות ייבוש, ובכפוף TEM הדמיה.הערה: התוספת של הטיפה פיזור על הרשת מגביר את הריכוז של חלקיקים על פני הרשת ובכך מובילה אטרקטיבי כוחות בין החלקיקים. ייבוש לא אחיד יכול להוביל חפצים. שטיפה קטנה עם מים אולטרא טהורים מבטלת את הסיכון, והוא מועיל לייבוש אחיד של רשתות31. לרכוש את התמונות בתבנית dm3 ולבחון אותם מאוחר יותר במצב לא מקוון באמצעות תוכנה TEM.הערה: ניתן להשתמש בתמונות להסיק מידע משלים סביב גודל החלקיקים, מבנהו וצורתו. קבצים מומרים tiff, שבו כמת על מאפיינים כגון גודל וצורה יכול להתבצע.

Representative Results

הנתונים calorimetric מציג עליית החום לאורך זמן במהלך שני הסוגים sonication מוצגים באיור2. הכוח אקוסטי יעיל להעביר את הפיזור ב החללית אולטרסאונד מצויד עם הטוויטר מבחנה (מקור הכוח 200 W) מחושבת להיות 0.55 ± 0.05 W ב- 50% משרעת, 0.75 ± 0.04 W ב- 70% משרעת, שוקל 1.09 ± 0.05 W ב- 90% משרעת ולאחר 1.15 ± 0.05 W ב- 50% amplit ude, ואילו על האמבטיה אולטראסאונד (מקור הכוח 80 W), הוא מחושב להיות 0.093 ± 0.04 W ב- 100% הגדרה. מציאת דומה לעבודה שפורסמו בעבר, אשר מדגים כי הפלט כוח שמציג את sonicators הוא הרבה פחות מזה. להעביר את המתלים תחת טיפול32,33,34. באיור 2. Calorimetric הנתונים מציג בטמפרטורה לאורך זמן במהלך sonication באמצעות החללית אולטרסאונד (A) מצוידים עם בקבוקון הטוויטר, (B) באמבט אולטרא- הכוח אקוסטי יעיל להעביר את הפיזור ב החללית אולטרסאונד מצויד עם הטוויטר מבחנה (מקור הכוח 200 W) מחושבת להיות 0.55 ± 0.05 W ב- 50% משרעת, 0.75 ± 0.04 W ב- 70% משרעת, שוקל 1.09 ± 0.05 W ב- 90% משרעת ולאחר 1.15 ± 0.05 W ב- 50% amplit ude, ואילו על האמבטיה אולטראסאונד (מקור הכוח 80 W), הוא מחושב להיות 0.093 ± 0.04 W ב- 100% הגדרה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת. ממצאים המשויכים דיספרסיות סטירול ננו-חומרים שונים המיוצרים על ידי פרוטוקולים שונים מסוכמות בטבלה 2. התוצאות מראות ההשתנות איכות פיזור (כפי שהיא נמדדת DLS ELS, TEM) המשויך דיספרסיות ננו-חומרים שונים המיוצרים באמצעות תנאים sonication שונים. כצפוי, השתנות הנתונים נשלטת על ידי מספר גורמים כגון סוג של nanomaterial, sonication פרק זמן, אם בדיקה או באמבט אולטרא נעשה שימוש בפרוטוקול. ספקטרום UV-vis השיג עבור כל nanomaterial מוצג איור 3 ו- 4 איור , התוצאות DLS מוצגים באיור 5 ו- 6 איור. מטרת בטבלה 2 היא לא רק להראות את מידת ההשתנות נתונים, אלא גם כדי לאפשר זיהוי של פרוטוקול פיזור ממוטב עבור פיזור nanomaterial נתון. דיספרסיות סטירול כזה היה בשימוש כחלק מתודת בדיקה nanotoxicological, אם האידיאל הוא צריך פיזור יציבה (רצוי סדר הגודל של mV ± 30 לפחות), של PdI קטן המציין להצר פילוג גודל החלקיקים (רצוי עם PdI של 0.2 או פחות), ו- a קטן מרושע DLS גודל החלקיקים, כדי לציין את פירוקן של agglomerates גדול. כאן, המוגדר Z-הממוצע כ עוצמת המבוסס על גודל ממוצע של חלקיקים ו PdI היא מידת הרוחב של הכולל גודל הפצה (המתואר לעיל מבוא). NM דוגמאות קוד Sonication זמן גודל על ידי DLS (אן אם) Polydispersity אינדקס (PdI) פוטנציאל זטה (mV) תחמוצת צריום CeO2_powder 0 396±130 0.763±0.100 17.2±0.4 CeO2_B_15min 15 דקות 128±4 0.231±0.015 39.2±1.0 CeO2_B_30min 30 דקות 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 דקות 126±7 0.218±0.005 28.8±0.7 CeO2_P_6min 6 דקות 131±2 0.209±0.014 40.5±0.7 CeO2_P_10min 10 דקות 122±1 0.184±0.014 44.4±1.3 תחמוצת אבץ (הידרופילית) אבקת ZnO_NM110 0 1410±120 0.786±0.150 17.1±0.5 ZnO_NM110_B 15 דקות 239±2 0.130±0.024 25.4±1.0 _15min ZnO_NM110_B 30 דקות 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 דקות 377±20 0.267±0.025 21.7±0.4 _2min ZnO_NM110_P 6 דקות 885±70 0.276±0.023 8.6±0.6 _6min ZnO_NM110_P 10 דקות 1074±88 0.673±0.058 11.2±1.4 _10min תחמוצת אבץ (הידרופובי) ZnO_NM111_ 0 758±86 0.823±0.006 -14.6±0.7 אבקת ZnO_NM111_ 15 דקות 384±95 0.399±0.074 -17.5±1.0 B_15min ZnO_NM111_ 30 דקות 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 דקות 227±9 0.402±0.032 19.8±0.8 P_2min ZnO_NM111_ 6 דקות 340±58 0.477±0.026 -21.1±0.2 P_6min ZnO_NM111_ 10 דקות 370±72 0.626±0.065 -21.8±0.8 P_10min CNT A32_powder 2 דקות 306±5 0.279±0.029 -23.7±0.5 A32_B_15min 15 דקות 250±3 0.200±0.007 -18.0±0.4 A32_B_30min 30 דקות 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 דקות 255±4 0.217±0.011 -22.5±0.4 A32_P_6min 6 דקות 245±9 0.328±0.029 -23.6±0.8 A32_P_10min 10 דקות 254±4 0.313±0.029 -23.6±0.5 CNT A106_powder 2 דקות 580±18 0.305±0.070 -35.9±1.0 A106_B_15min 15 דקות 573±18 0.404±0.016 -29.5±1.0 A106_B_30min 30 דקות 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 דקות 300±58 0.473±0.053 -29.8±1.0 A106_P_6min 6 דקות 390±10 0.359±0.022 -40.7±0.5 A106_P_10min 10 דקות 300±85 0.511±0.134 -24.5±0.7 כסף Ag_cit 0 72±50 0.462±0.258 -38.7±1.3 Ag_B_15min 15 דקות 25±1 0.489±0.008 -39.8±2.2 Ag_B_30min 30 דקות 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 דקות 29±1 0.300±0.025 -42.0±2.9 Ag_P_6min 6 דקות 26±2 0.263±0.017 -40.4±1.5 Ag_P_10min 10 דקות 25±2 0.251±0.011 -47.3±1.4 בטבלה 2. סיכום של התוצאות של פיזור NM במים. ‘P’ על הקודים לדוגמה להצביע על פיזור מתבצעות בעזרת של בדיקה אולטראסאונד מצויד הטוויטר המבחנה ומצוינות ‘B’ בתוך הקוד לדוגמה פיזור מתבצעות בעזרת באמבט אולטרא. כל המדידות נלקחו ב- 0.02 נקודות מ”ג/מ”ל. Sonication-זמן 0 פירושו שאינו sonicated ההשעיה קרי, המשרד רק לנער ולערבב ללא כל סיוע אחרים. CNTs כי הם לחלוטין לא מסיסים, שאינן מסיסות במים DI על רועד הפיזי sonicated למשך 2 דקות הראשונית ב sonicator אמבטיה, דיווחו גם. איור 3. ספקטרום UV-vis של מנכ ל2(א), (B) ZnO NM110 NM111 (ג) ZnO פיזור במים. UV-vis ספקטרוסקופיה משמש כדי להבין המתלים והיציבות צבירת התבוננות בקפידה את השינויים בעוצמת שיא, צידוד ספקטרלי, ספקטרלי לעצב גם את המשמרת גל ב ספקטרום בליעה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת. באיור 4. ספקטרום UV-vis של פיזור (א) CNTs A106, A32 CNTs (ב) ו- (ג) Ag_citrate במים. UV-vis ספקטרוסקופיה משמש כדי להבין המתלים והיציבות צבירת התבוננות בקפידה את השינויים בעוצמת שיא, צידוד ספקטרלי, ספקטרלי לעצב גם את המשמרת גל ב ספקטרום בליעה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת. איור 5. גודל התפלגות לפי חוזק שהושג עם DLS עבור מנכ ל2(א), (B) ZnO NM110 NM111 (ג) ZnO פיזור במים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת. איור 6. גודל התפלגות לפי חוזק שהושג עם DLS עבור פיזור (א) CNTs A106, A32 CNTs (ב) ו- (ג) Ag_citrate במים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת. במקרה של מנכ ל2 nanomaterial ההשעיה, הביא השימוש sonication הירידה הכוללת גודל החלקיקים וערכים PDI. ללא כל sonication, התוצאות מראות על התפלגות עוצמת עם מודאלים מרובים עם Z-ממוצע (396 ± 130 ננומטר) וערך PdI גבוהה מאוד של ± 0.763 0.100 (טבלה 2). יתר על כן, הפיזור מציג ערך פוטנציאלי זטא של 17.2 ± 0.4 mV. יצוין כי PdI של ≥0.5 הוא מעיד על השעיה polydisperse מאוד. לכן, המדגם היה נתון דיסק צנטריפוגה ולאחר התפלגות גודל הנתונים שהושגו אישר גם מדגם לא אחידה, inhomogeneous (איור 7 א). ניתוח מורפולוגיה וגודל המדגם לפי TEM נוספת אישר כי החלקיקים ב הפיזור הם אכן מאוד polydisperse (איור 8). על פיזור האבקה שימוש באמבט אולטרא למשך 15 דקות, תוצאות המחקר הראו שיפור האיכות הכוללת פיזור. בפרט, היציבות (כאמור לפי ערך פוטנציאל זטה המקביל שלו) ואת monodispersity הכללי השתפר. הגדלת זמן sonication 2 h הביאה לשיפור היציבות, פילוג גודל החלקיקים צר יותר (טבלה 2). ברור כי יש שיפור הדרגתי באיכות פיזור אם זמן sonication אמבט יותר, כפי שניתן לראות על ידי הירידה ההדרגתית קוטר hydrodynamic ו PdI. תוצאות דומות התקבלו אם ההליך פיזור בוצעו באמצעות של החללית אולטרסאונד במקום. בסך הכל, מדינה הומוגנית ויציבה יותר של הצטברות הושגה באמצעות המכשיר, כפי שאושר על-ידי DLS ונתוני TEM. מעניין, באמבט אולטרא הוכיח תהיה אפשרות טובה יותר לשימוש של בדיקה, וגם בגודל החלקיקים הממוצע קטן בהרבה הרבה ערך גבוה יותר זטה פוטנציאליים יכולה להיות מושגת באמצעות אמבט ולא בדיקה. הוא ציין כי בשני הליכים sonication, micrographs TEM אישר את הנוכחות של חלקיקים שונים הראשי לכלול: כדורים, קוביות, polyhedrons. איור 7. גודל הפצה שהושג עם דיסק צנטריפוגה מנכ ל2_powder (א), (B) ZnO NM110_powder פיזור במים-מינימלית 0 אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת. איור 8. תמונות TEM של מנכ ל2 הממחיש את השפעת sonication על מדגם homogeniety, יציבות. הבר סולם הוא 100 ננומטר עבור כל דגימה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת. במקרה של ZnO, שני סוגי ZnO משמשים את דיספרסיות סטירול כלומר, ZnO ננו של פרופילים משטח שונים, הידרופיליות (NM110) והידרופובי (NM111). התוצאות מצביעות על ממצאים דומים בין שני סוגי ZnO. שניהם מראים כי עם לא sonication, איכות פיזור המצוין של החלקיקים גדולים לא קטן, polydispersity גבוהה. NM110 יש Z-הממוצע של nm ± 120 1,410 ו PdI של 0.786 ± 0.150 ננומטר; NM111 יש Z-הממוצע של nm ± 86 758 ו PdI של 0.823 ± 0.006. גודל הפצה והנתונים שהתקבלו עבור NM110 דיסק צנטריפוגה לאשר גם מדגם polydispersity ו- inhomogeneity (איור 7 ב). גודל ואת polydispersity של NM110 sonicated מופיעים עם טיפול 15 דקות באמבט אולטראסוני ירידה ולהגיע הרמה של הפחתת אופטימלית בזמן sonication 30 דקות. זמן רב יותר sonication מראה עלייה כללית בנתוני גודל החלקיקים, שעשוי להיות כתוצאה חלקיקים agglomerating מחדש לאחר להיות בטל מגובבים בתחילה. מצד שני, NM110 מראה של פיזור הומוגני ויציב לאחר 2 דקות של טיפול החללית אולטרסאונד. עם זאת, מחזורים ארוכים של 6 דקות, 10 דקות גם מראים עלייה גודל החלקיקים והערכים PdI, המציין הצטברות מחדש של החלקיקים. TEM (איור 9 ו- 10 איור) ותוצאות UV-vis (איור 3b–c) נוסף אשר המדינה באיכות כזאת פיזור. מעניין, תוצאות דומות מאוד הם נצפו במקרה של NM111 כאשר שטופלו של החללית אולטרסאונד. שוב, הגישה השיטתית מציין פיזור הטוב הושג ב 2 דקות, כפי האפשר הצטברות מחדש עשויה להיות קשורה המתאימים במקרים 6 דקות, 10 דקות. כאשר באמבט אולטרא שימש במקום, גודל החלקיקים פיזור לרמת-מישור לאחר 30 דקות של sonication; אחרי זה עוד הגדלה או הקטנה של גודל או polydispersity ערכים הוא ציין. כמו כן, micrographs TEM השיג עבור NM111 הידרופוביות להצביע על קיומו של חפצים שונים ואפקטים ייבוש אחרים ברשת TEM (איור 10). זה מראה כי הרטבה מראש עם אתנול או ממיסים אורגניים אחרים עשוי להיות שימושי לקראת הכנת דיספרסיות מימית אך היו אתגרים בעת שיתק הידרופוביות nanomaterial דוגמאות על הרשתות פחמן. בסך הכל, אם פרוטוקול פיזור אופטימלי מזוהה ואם זה נשלט על ידי הערך PDI התואם מהקטן לגדול, ואז זה מקביל ZnO_NM110_B1 h ו- ZnO_Nm111_B30 min NM110 הידרופיליות, המקרים NM 111 הידרופוביות, בהתאמה. איור 9. תמונות TEM של ZnO NM110 הממחיש את השפעת sonication על מדגם homogeniety ועל יציבות. סרגל קנה מידה הוא 100 ננומטר עבור כל דגימה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת. איור 10. תמונות TEM של ZnO NM111 הממחיש את השפעת sonication על מדגם homogeniety ועל יציבות. סרגל קנה מידה הוא 0.1 מיקרומטר ZnO_NM111_B_15 min, ZnO_NM111_B_1 h, ו ZnO_NM111_P_2 מין, 0.2 µm שארית הדגימות. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת. במקרה של צינורות פחמן (CNTs), הצג תוצאות כי ננו כאלה אינם בקלות מסיסות במים, בפרט שפרוטוקול פיזור כרוכה בשימוש פיזי מלהיב או נמרצת רועדת. זה נכון עבור שני צינורות פחמן עם קירות רב (MWCNTs) נעשה שימוש במחקר זה. Micrographs TEM במקרה עבור מצמיגים לצבעים אמולסיוניים הן A106 והן A32 בוצעו 2 min ו- 15 דקות של מחזור sonication מוצגים באיור 11 ו- 12 איור, בהתאמה. העליה sonication זמן, התוצאות מראות שבירה של CNTs, והתוצאה לעיתים קרובות שינויים באורך. שינויים אלה אורך היו לכאורה במקרה של בדיקה והן sonication אולטראסוניות. התוצאות מראות כי A106 ואת A32 CNTs יכול להיות מספיק מפוזר לאחר טיפול 2 דקות אם החללית אולטרסאונד משמש. כאן מספיק פיזור פירושו הסף זמן קריטי sonication בהם כל חבילות פחמן nanotube (CNT) פתוח, צינורות בודדים הם מופרדים35. על הגברת הפעם sonication 6 דקות או 10 דקות, תוצאות מציינים שינוי של אורך ההפצה הרבה polydispersity גבוהה יותר. בסופו של דבר, עוצמת מופצים נתוני גודל DLS (איור 6a–b), ספקטרום הבליעה באמצעות UV-vis (איור 4a–b) גם לאשר כי CNT דיספרסיות רגישים מאוד sonication זמן ו אם נעשה שימוש בדיקה או אמבטיה. הן A106 והן A32 CNTs הצג של שיא ספיגת בין 253 ו- 310 ננומטר, האופייני MWCNTs36. שיא עוצמת ידוע להיות אינדיקטור טוב של פיזור השגה המרבי ב- פיזור מונחה sonication של MWCNTs. UV-קשת הצבעים של A106 והן A32 מציין 2 min ו- 15 דקות של sonication מחזור תהיה אופטימלית עבור ההשעיה. על sonication ממושך, מרחיב הפסגה עם שיא בעוצמה פחותה, כמו גם הרס מדגם שמציין את המשמרת ספיגת ספקטרום, צידוד ספקטרלי (היווצרות של שיא הכתפיים). איור 11. תמונות TEM של A106 CNTs הממחיש את השפעת sonication על מדגם homogeniety ועל יציבות. סרגל קנה מידה הוא 200 ננומטר עבור כל דגימה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת. איור 12. תמונות TEM של CNTs מכביש A32 הממחיש את השפעת sonication על מדגם homogeniety ועל יציבות. סרגל קנה מידה הוא 200 ננומטר עבור כל דגימה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת. לבסוף, יש מידה מסוימת של השוואות, הנתונים לעומת השעיה זמינים מסחרית של NPs Ag ציטראט התייצב (קוטר נומינלי של 10 ננומטר, 0.02 נקודות מ”ג/מ”ל). הצג נתונים אפיון כי הפיזור הוא מאוד מגובבים, מאוד polydisperse. DLS הנתונים מראים התפלגות עם מודאלים מרובים עם קוטר hydrodynamic של 72 ± 50 ננומטר, של PdI גבוהה של 0.46 ± 0.26 (איור 6 c). ניתוח מורפולוגי TEM (איור 13), שיא תהודה פלזמון השטח (SPR) רחב (קליטה-418 nm באזור גלוי) על-ידי UV-vis (איור 4 c) נוספת לאשר מדגם polydisperse מאוד. מעניין, לערוך טיפול באמבט אולטראסוני משפר את יציבות פיזור ואת PdI, אך; רק אם sonication ארוכה דיה תקופת הזמן הוא משמש זמן sonication 2 h יש צורך לגרום DLS גודל החלקיקים של 28 ננומטר ± 5 ו PdI 0.387 ± 0.015 (טבלה 1). עם זאת, אם החללית אולטרסאונד משמש במקום, הדגימה הומוגניות ויציבות במיוחד לשפר רק 2 דקות sonication זמן, ובעקבותיה DLS חלקיקים בגודל של 29 ± 1 ננומטר, PdI של 0.300 ± 0.025 ו-42 ± 3 מסוג ZP mV. שיפור זה באיכות נפיצה מתבטא גם עד sonication 10 דקות זמן הגדרה, שבו גודל החלקיקים DLS של 25 ± 2 ננומטר, PdI 0.251 ± 0.011 מסוג ZP-47.3 ± 1.4 mV נצפית. כאן, ב- 10 דקות של sonication באמצעות הטוויטר המבחנה, מקטין PdI ומגביר מסוג ZP. Micrographs TEM המתאימים בנקודות זמן בהתאמה כאלה אשר גם מדגם משופר הומוגניות לאחר החלת הפרוטוקולים sonication המתאים. יש שיפור מהיר מדגם הומוגניות, dispersity של חלקיקים בתמונות TEM. המדגם ב 2 דקות מציג כמה הצטברות לעומת החלקיקים בודדים sonicated 10 דקות באמצעות הטוויטר את הבקבוקון. איור 13. TEM תמונות של NPs Ag מסחרי הממחיש את השפעת sonication על מדגם homogeniety ועל יציבות. סרגל קנה מידה הוא 200 ננומטר עבור כל דגימה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת. גבוהה (mL) נמוך (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 טבלה 1. סוכרוז דחיסות צבע ערבוב עבור אמצעי האחסון הכולל מ ל 1.6. כאן. נסמן את הפתרון 8% סוכרוז כפתרון סוכרוז נמוך ו- 24% גבוה. הם מעורבים בכרכים הבאים (סה כ נפח 1.6 מ ל כל פעם), מוזרק דיס קונוס אחד אחד עד הדרגה נוצר.

Discussion

המטרה הסופית של המחקר היא לפתח אסטרטגיה שתאפשר זיהוי sonication אופטימלית תנאים כדי להפוך דיספרסיות סטירול של מספר נבחר של ננו-חומרים במים. ניסיון כאן לתעד בקפידה את פרוטוקול צעדים והפרמטרים במהלך sonication כדי למלא את הפערים זוהו בעבר הדעת גם באשר את ההמלצות שנעשו בעבר¹⁵. התנאים פיזור אופטימלי מזוהים על ידי אפיון של דיספרסיות סטירול לאחר כל מחזור sonication ובדיקת יציבות מדגם ואחידות. השפעת הליכי sonication ומצב יציבות שקובעת בהתבסס על שינויים אופייניים במאפייני physicochemical מפתח של ננו-חומרים, כפי שנקבע על ידי טכניקות אנליטיות שונות: DLS, ELS, UV-vis, TEM. בפרוטוקול הנוכחי הוא מתודולוגיה מותאם עבור הפיזור של ננו-חומרים מן הספרות האחרונות אחרים מחקר פרויקטים²¹^,²²^,³⁷^,³⁸^,³⁹ עם כמה שינויים, ליטושים מיעון הפערים מפתח צעדים, ישימות שלהם כדי ננו רחב יותר של משטח דומה פרופיל⁷. עם זאת, נדרשות התאמות זהירות ביחס שלהם sonication זמן, כוח, סוג עבור ויישומם ננו-חומרים אחרים. כמו כן, נדרשת עבודה נוספת להקים מתאם בין sonication שגרת פעילות ביולוגית של ננו-חומרים. 6 סוגים שונים של nanomaterial דיספרסיות מוערכים, יחסית, בעיקר למען היציבות שלהם, תוך שימוש באמבט אולטרא של בדיקה אולטראסאונד מצויד הטוויטר המבחנה בנקודות זמן מוגדרת. כדי לשמור על טוהר ההשעיה, שינויים לא מכוונות שנגרם עקב זיהום, בדיקה sonication נמנעת כאן. ב הטוויטר המבחנה, הבקבוקונים יכולים להישאר סגורות. פעולה זו מבטלת כל זיהום צולב של הדגימות.

כיול של sonicators הוא גורם מפתח מאז מגוון של sonicators הינם זמינים עם תדרים שונים, משרעת של הכוחות. כדי לקבוע את האנרגיה אקוסטי יעיל להעביר את המתלים, כיול של sonicators מתבצעת באמצעות calorimetry. הכוח האקוסטי נמסר כי 70% משרעת הגדרת הטוויטר המבחנה וכן זה עבור ההגדרה באמבט אולטרא 100% מחושבת להיות < 1 W (± ± 0.04 W ו- 0.093 0.75 0.04 W, בהתאמה). עם זאת, התוצרים כוח המצוין על-ידי היצרנים עבור המבחנה הטוויטר, sonicator אמבט הם 200 W ו- 80 W, בהתאמה. אפשרות זו מציינת כי למרות מקור מתח גבוה, רוב האנרגיה מתנתק במהלך הדור של בועות cavitational, רק חלק קטן מועבר למעשה הפיזור תחת טיפול²⁶. המחקרים האחרונים הדגישו את חשיבות המדידה cavitational שליטה לעומת הכוח קלט sonicator עבור פקד פיזור טוב יותר במהלך sonication⁸. המתודולוגיה מופיע מבטיח פיזור מבוקר של ננו שברירית מאוד כגון CNTs, מומלצת מחקרים עתידיים.

כל טכניקה השתמשו במחקר מבוסס על עקרונות אחרים, עם כל המגבלות. DLS אינה טכניקה אידיאלית שאינה כדורית המתלים כמו גם מאוד מערכות polydisperse. בתנאים כאלה, DCS מומלצת בשל ברזולוציה גבוהה, דיוק, דיוק⁴⁰. בקרי קבוצת מחשבים יכול להפריד לגמרי פסגות התפלגות גודל צר מאוד שונים אצל קטנה כמו 3%. TEM מספק תמונות חזותי ישיר של חלקיקים, הוא כלי נהדר עבור הקביעה של צבירת, פיזור, גודל, צורה של החלקיקים, אך הטכניקה דורש דגימה ייבוש אשר עלול להוביל חפצים⁴¹. זה ניתן לסלק ע י שטיפת הרשתות עם הנדסה גנטית מים כפי שמתואר בשלב 4.5.3.

בין השאר, המתודולוגיה מדגיש כמה צעדים קריטיים כגון סוג בקבוקונים המשמשים את הפרוטוקול, עומק טבילה, והמיקום של הבקבוקונים האמבט אולטראסוניות, כמו גם את הטוויטר המבחנה. בקרת טמפרטורה של המערכת במהלך עצבנות היא פרמטר חשוב. מים תכופות לשינויים באמבט אולטרא ומצב פעמו להפעיל במקרה של המבחנה הטוויטר מומלץ להימנע כל הצטברות חום במהלך sonication, וכך להימנע שינויים הדגימה. הצעד הרטבה מראש עבור דגימות הידרופובי כגון תחמוצת אבץ עוזר ב הפיזור של חלקיקים אך זה עשוי לגרום שינויים לא רצויים. Sonication הזמן והאנרגיה צריך להיות גבוה מספיק כדי לבטל את agglomerate החלקיקים אבל לא יותר מדי כי זה שובר את החלקיקים. התוצאות מצביעות על שבירה אגלומרט תלויה בסוג של חלקיקים.

הממצאים שלנו להדגיש את החשיבות של הצורך פרוטוקול פיזור נתונים היסטוריים, כמו התוצאות מראות כי מאפייני הכימי פיזיקלי מפתח פוטנציאלית יכולים להשתנות במהלך תהליך sonication, לפי גורמים כגון סוג sonicator, משך sonication זמן, כוח פלט. התוצאות הראו כי שלמות הדגימה נפרצת פוטנציאלי-עצבנות בעוצמה גבוהה יותר. התוצאות מראות כי CNTs רגישים מאוד עצבנות, אז ששבירה מאוד צפויים להופיע כאשר משך sonication והעוצמה משתנים. ליד הגדרות אופטימלי הפיזור של CNTs הם בין 2-15 דקות באמבט אולטראסוני רק 2 דקות באמצעות החללית אולטרסאונד. עם זאת, ultrasonication עדיין ייתכן שהגורם כמה ננו-צינורית לתוך, אשר לא יכול להיות מדויק לכמת כאן. DLS לא יכול להיות טכניקה אידיאלית עבור אפיון CNTs אבל זה עדיין יכול לספק קוטר hydrodynamic עבור צינורות ונתונים הזה יכול להיות אינפורמטיבי של הבדלי אורך הפצות CNTs בין שונים דוגמאות¹⁶^, ⁴²^,⁴³. מחקרים שנעשו בעבר להדגים כי הפרוטוקול פיזור של CNTs יכול להיות שיפור משמעותי על ידי התוספת של פיתחה כמו שהמולקולות חומרים פעילי שטח נספגים על טפט nanotube, ובכך מספק מחסום שבירה בשל sonication³⁵^, ⁴⁴. עם זאת, זה לא יכול להיות לעומת ישירות בפרוטוקול הנוכחי כפי פיתחה לא מעורבים במקרה זה. חשוב לציין כי הבטחת התפלגות גודל אורך במקרה של CNTs הוא מאוד חשוב, כפי יחס הגובה-רוחב קשורה לעיתים קרובות עם התגובה רעילות מסוימות. לעומת זאת, מנכ ל₂ נתן תוצאות שונות בהשוואה CNTs, באילו sonication ממושך פעמים באמבט אולטרא או בדיקה באמצעות, להוביל להיווצרותם של חלקיקים העיקרי. ההבדל בין ממצאים בין המקרים CNT ו CeO2 מדגיש את החשיבות שיש להתאים פיזור פרוטוקולים למשל, לייעל sonication זמן ואנרגיה פלט, בהתאם החל חומר כלומר, סוג של אבקות nanomaterial. כל סוג הדגימה של אבקת nanomaterial שונה, מכיוון שיהיה מידה שונה של הצטברות בתוך האבקה עצמה. במקרים מסוימים, תהליך הצטברות והתבקשתי בהצלחה הביא דה-הצטברות עד לרמת החלקיקים הראשית, כפי שיתבקש על ידי הופעתם של חלקיקים בצורת אחרים של תמונות TEM, אשר לא היה גלוי לפני השלב sonication. Sonication ממושך הביא שבירת רציפה agglomerates תחמוצת צריום בזוויות שונות, ובכך מוביל חלקיקים ומגובש.

במקרה קניתי מסחרית מדגם מימית של Ag NPs דיספרסיות אקריל, הממצאים שלנו גם מדגישים את הצורך יציבות לטווח ארוך והערכה אחידות. יש צורך להבטיח כי דיספרסיות סטירול כבר מספיק מאפינים מוקדמת לשימוש, במיוחד במקרים של אחסון לטווח ארוך. אולם, ננו-חומרים יש חיי מדף קצרים מאוד. גיל עם הזמן והם עשויים לנהוג אחרת לאחר אחסון לטווח ארוך לעומת פיזור המוכנים באופן טרי.

התוצאות כאן מדגישות את הצורך אסטרטגיה harmonized לזהות פרוטוקול ממוטב עבור ננו-חומרים שונים. האסטרטגיה המוצעת הציג היא לנהל וריאציות שונות בשיטה sonication וכדי להבטיח דיספרסיות בנקודות זמן שונות מספיק מאופיינים באמצעות שיטות אנליטיות משלימים. כבר הדגישה את החשיבות על השימוש בגישה שיטת רב כדי לאפיין ולפקח על איכות פיזור בזמן, תנאים ניסויים שונים על ידי העובדים בעבר⁴⁵. למרות שיטות שונות עבור sonication הוצגו כדי לשרת nanomaterial ספציפי פיזור במחקר, פוטנציאל הם יכולים לשמש כבסיס לפיזור אחרים ננו תחמוצת מתכת, מתכת (של מאפייני משטח דומה) במים. עם זאת, יש לי עודף של nanomaterial או בינוני סוג או נוזל דורש את הצורך לייעל את פרוטוקול בסיסי, ניתן לעשות זאת על ידי התאמת זהיר שונים גורמים למשל, sonication זמן, כוח וסוג sonicator. מה הפרוטוקול שבחרת ומזוהה אופטימלית, שם הוא תמיד צורך לקיים דו ח מפורט על ערכת ועל רצף צעד חכם של ההליך פיזור sonication. זה חשוב לשפר את interpretability ואת comparability. אחד היישומים של פרוטוקול זה נועד להקל על נתונים comparability בין מעבדות נוספות המוביל בגישה המתואמת ולא מתוקנן עבור מחקרים עתידיים. הפרמטרים מתודולוגיה ושליטה הנוכחי יכול להיות מנוצל עבור מדיומים אחרים לפיזור מלבד מים, השוואות ניתן להסיק על בסיס מקרה לגופו.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

המחקר שהוביל את התוצאות הללו קיבלה מימון NE/J010783/1. הפרויקט NanoValid קיבלה מימון התוכנית השביעית של האיחוד האירופי למחקר, פיתוח טכנולוגי של הפגנה תחת גרנט הסכם מס 263147.

Materials

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

References

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).
Mandzy, N., Grulke, E., Druffel, T. Breakage of TiO2 agglomerates in electrostatically stabilized aqueous dispersions. Powder Technol. 160, (2005).
Nickel, C., et al. Dynamic light-scattering measurement comparability of nanomaterial suspensions. J Nanopart Res. 16 (2), 12 (2014).
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).
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).
Wu, W., et al. Dispersion Method for Safety Research on Manufactured Nanomaterials. Industrial Health. 52 (1), 54-65 (2014).
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).
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).
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).
Mandzy, N., Grulke, E., Druffel, T. Breakage of TiO2 agglomerates in electrostatically stabilized aqueous dispersions. Powder Technol. 160 (2), 121-126 (2005).
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).
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).
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).
Bihari, P., et al. Optimized dispersion of nanoparticles for biological in vitro and in vivo studies. Particle Fibre Toxicol. 5 (1), 1-14 (2008).
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).
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).
Hunter, R. J. . Zeta Potential in Colloid Science: Principles and Applications. , (1981).
Lyklema, J. . Fundamentals of Interface and Colloid Science. , (1991).
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).
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).
Taurozzi, J. S., Hackley, V. A., Weisner, M. R. . NIST Special Publication. Vol. 1200-1. , (2012).
Taurozzi, J. S., Hackley, V. A., Weisner, M. R. . NIST Special Publication. Vol. 1200-2. , (2012).
Taurozzi, J. S., Hackley, V. A., Weisner, M. R. . NIST Special Publication. Vol. 1200-3. , (2012).
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).
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).
Maxit, B. . Particle size measurements of dark and concentrated dispersions by dynamic light scattering. , (2010).
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).
Mejia, J., Lucas, S. . Protocol for the particle determination of a given MNM by the centrifuge liquid sedimentation (CLS) technique. , (2015).
Jenway. . Model 6305 Spectrophotometer. , (2014).
Michen, B., et al. Avoiding drying-artifacts in transmission electron microscopy: Characterizing the size and colloidal state of nanoparticles. Sci Rep. 5, 9793 (2015).
Contamine, R. F., Wilhelm, A. M., Berlan, J., Delmas, H. Power measurement in sonochemistry. Ultrason Sonochem. 2 (1), S43-S47 (1995).
Kimura, T., et al. Standardization of ultrasonic power for sonochemical reaction. Ultrason Sonochem. 3 (3), S157-S161 (1996).
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).
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).
Jiang, L., Gao, L., Sun, J. Production of aqueous colloidal dispersions of carbon nanotubes. J Colloid Interface Sci. 260 (1), 89-94 (2003).
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).
Jacobsen, N. R., Pojano, G., Wallin, H., Jensen, K. A. Nanomaterial dispersion protocol for toxicological studies in ENPRA. Internal ENPRA Project Report. , (2010).
PROSPEcT. . Protocol for nanoparticle dispersion. , (2010).
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).
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).
Cheng, X., et al. Characterization of Multiwalled Carbon Nanotubes Dispersing in Water and Association with Biological Effects. J Nanomat. 2011, 12 (2011).
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).
Domingos, R. F., et al. Characterizing Manufactured Nanoparticles in the Environment: Multimethod Determination of Particle Sizes. Environ Sci Technol. 43 (19), 7277-7284 (2009).

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite This Article

Kaur, I., Ellis, L., 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).