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

Дисперсия наноматериалов в средах: на пути к оптимизации протокола

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

Здесь мы представляем поэтапный протокол для рассеивания наноматериалов в средах с постоянной характеристикой для определения оптимального sonication условий, интенсивности и продолжительности для улучшения стабильности и однородности наночастиц дисперсии без ущерба целостности образца.

Abstract

Процесс sonication обычно используется для исключения агломерации и диспергирования наноматериалов в водной основе, необходимой для повышения однородности и стабильности подвески. В этом исследовании систематического поэтапного подхода осуществляется для определения оптимального sonication условия для достижения стабильной дисперсии. Этот подход был принят и показано, чтобы быть пригодным для нескольких наноматериалы (оксид цинка, оксид церия и углеродных нанотрубок) рассеяны в деионизированной воде (DI). Однако при любом изменении в Наноматериал типа или диспергирования среднего, там должно быть оптимизации основной протокол корректировки различных факторов, таких как время sonication, мощности и sonicator типа, а также повышение температуры во время процесса. Этот подход записывает дисперсии процесс в деталях. Это необходимо для идентификации моменты времени, а также других вышеупомянутых условий во время процесса sonication, в котором могут быть нежелательные изменения, такие как повреждения на поверхности частиц, влияя таким образом на свойства поверхности. Наша цель – предложить согласованный подход, который может контролировать качество окончательного, произведенных дисперсии. Такая рекомендация — важную роль в обеспечении качества повторяемости дисперсии в общине нанонауки, особенно в области нанотоксикология.

Introduction

Sonication — это процесс генерации кавитаций, который предполагает создание, рост и коллапс пузырей (часто называемых горячих точек) образована в жидкости из-за облучения высокой интенсивности ультразвука¹. В лабораторных условиях, метод sonication осуществляется с помощью sonicator. Существуют различные sonicators, все имея общее назначение де агломерация частицы, которые расходятся в жидкой среде как индивидуальных (или основной) частиц. Применяя sonication, может улучшить однородность образца, потенциально достижение гораздо более узкий гранулометрический состав. Важным аспектом для рассмотрения в процессе распыления является стабильность окончательного дисперсии. Здесь стабильность подвески определяется как где частицы не соглашайтесь или отложениях вниз в их рассеянных и средний диаметр гидродинамические измерения не зависят от более чем 10% между пяти повторные измерения, принятых в течение этого ²^,время (около 10 мин)³. Существует несколько способов измерить стабильность дисперсии. Это включает оценку потенциальных Зета (ZP) через измерение электрофоретическую подвижность частиц. Другой заключается в измерении характерные поглощения наночастиц в УФ диапазон спектра⁴.

В области нанотоксикология способность иметь контроль над качеством дисперсии очень важно, как шаг дисперсии будет определять ключевые физико-химических свойств, таких как распределение/размер частиц, форма, агрегации/агломерации, поверхности заряд, и т.д. это в свою очередь в конечном счете повлияет на взаимодействия частиц с испытаний средств массовой информации и итогов различных экспериментах in vitro и in vivo , чтобы вывести потенциальных опасностей наноматериалов.

Sonication обычно осуществляется с помощью зонда тип (прямой) или ультразвуковой ванне, или ультразвуковой зонд с флакона твитер (косвенные sonication). Все виды sonication доступны в диапазоне интенсивности и выходные параметры питания, иногда приспособлены с другой тип сонотрода для определенных процессов или требования и подходят для жидких томов, от 2 до 250 мл. Хотя зонд ultrasonication, как известно, работают лучше, чем ванна sonication из-за высокой интенсивности локализованных⁵, баня sonication предпочтительнее часто зонд тип для приготовления суспензий токсикологической тест из-за возможного риск загрязнения через наконечник, эрозии титана зонда отзыв после длительного использования и расхождения глубины погружения зонда. Аналогично ультразвуковой зонд, оснащены твитер флакон выгодно над прямой зонд из-за вышеупомянутых загрязнения рисков, а также дружелюбие эксплуатации оборудования. Несколько флаконов sonicated в то же время и на той же интенсивности. Это не только экономит время, но гарантирует, что все образцы обрабатываются одинаково, что делает результаты среди образцов более надежных и сопоставимых. В исследовании безопасности наноматериалов всегда избегать загрязнения. Однако sonicator зонд не соответствует этому требованию и не тестировалась. Зонд sonicators как известно, вызывают некоторые неизбежные побочные эффекты, такие как пример загрязнения вследствие эрозии Совет, а также снижение выходной энергии приводит к изменению условий дисперсии, поэтому ущерба для данных воспроизводимость⁶^, ⁷ ^, ⁸. Кроме того, образцы обычно запускаются в открытые контейнеры, ведущих к жидкой потери в результате испарения, а также осаждения пыли. Во избежание этих случайных изменений, недавние исследования рекомендовать альтернативные косвенные sonicators, основанный на их эффективной энергии доставки, а также гарантии чистоты подвеска⁶.

Неоптимизированные sonication может иметь отрицательное воздействие на результаты. Потенциально это может изменить ключевые физические и химические свойства наноматериалов, такие как размер, распределение по размерам, морфология и поверхности заряд²^,⁹. Предыдущие литература сообщает таких недостатков для контроля процесса sonication и их влияние на параметров частиц, таких как нано TiO₂⁵^,¹⁰^,¹¹, нано ZnO⁶и нано медь¹² . Кроме того последние исследования показали, что процесс sonication не только изменяет характеристики частицы, но также управляет итоги токсикологических тестов¹²^,¹³.

Чтобы иметь контроль над процессом распыления, важно контролировать и понять как различные факторы, такие, как sonicator типа, мощность инструмента и продолжительность, тома, и т.д., может повлиять на качество дисперсии. Следовательно существует необходимость систематической процедуры для анализа ключевых физико-химические характеристики частиц в дисперсии в разное время точках процесса sonication. Хотя такие соображения были приняты во внимание несколько исследователей, работа в этой области ограничены. Бихари et al. изучили стабильность дисперсии дисперсий различных Наноматериал, выполнены с использованием различных ультразвуковой энергии с различных стабилизаторов дисперсии¹⁴. Недавний обзор, Hartmannn et al. подчеркнула, что хотя проделана работа, чтобы понять различные факторы, влияющие на Наноматериал дисперсии качества например, тип sonicator используется, sonication время и т.д., существует до сих пор не процедура четко определенной и общепризнанной sonication, в настоящее время поддерживает nanotoxicological тестирования и расследований⁷^,¹⁵.

Несколько аналитических характеристик методов используются для мониторинга качества дисперсии. Они включают в себя использование: динамического рассеяния света (DLS), диск центрифугирования, электрофоретической рассеяния света (ЭЛС), видимых ультрафиолетов (UV-vis) спектроскопия и передачи электронной микроскопии (ТЕА), которые измеряют размер/размер частиц, Зета потенциал, стабильность дисперсии и морфология характеристик, соответственно. DLS часто используется для определения гидродинамические диаметр (Z-средняя) частиц и индекс (PdI) полиизопрена Наноматериал дисперсии. В случае смешанных размер распределения по РСО Z-среднем получил не может согласиться с интенсивностью распределение интенсивности взвешенный размер. Таким образом среднее распределение интенсивности взвешенный размер может быть процитированы. PdI отражает широты распределения по размерам с шкалы начиная от 0 – 1, с 0 образец монодисперсными и 1, будучи весьма полидисперсных образец¹⁶. Центрифугирование диск является разделение метод, используемый для определения распределения частиц по размерам с использованием центробежных седиментации в жидкой среде. Частицы отложений внутри оптически ясно и вращающийся диск и количество света, рассеянного частицами, когда они достигают края диска записывается и преобразованы в распределение по размеру частицы, используя закон Стокса. Чтобы разрешить распределение мульти-модальных частиц, такие методы, как диск центрифуги являются более подходящими, как они имеют элемент механизма разделения, интегрированы в рамках инструмента. Зета потенциальных (ζ –потенциальных) частиц определяется как электрический потенциал их сдвига или скольжения плоскость, которая представляет собой условную границу в электрических двойной слой, отделяющий показаны нормальное поведение вязкой из жидкости (навал) Кормовой слой, слой, который преимущественно состоит из счетчика ионов и считается двигаться с частицы. Зета потенциал напрямую связана с поверхности заряда частиц, и поэтому электростатического взаимодействия (например, привлечение/отталкивания) между частицами. Поэтому этот параметр считается основным показателем стабильности Наноматериал дисперсии. По соглашению, Зета потенциал значение ниже -25 МВ и выше 25 мВ считаются стабильной¹⁷^,¹⁸. Концентрация и тип ионов, а также рН раствора, сильно влияют на Зета потенциальных¹⁹. ELS используется для измерения электрофоретической подвижности частиц в дисперсии и это мобильность преобразуется в Зета потенциала через уравнения Генри и Смолуховский или Хюккеля модели. Спектроскопия UV-vis — это метод, используемый для количественного определения свет, который поглощается и разбросанных в образце на определенной длине волны. Он часто используется для наблюдения за стабильность дисперсии путем измерения характерные поглощения наноматериалов в регионе УФ. Наконец ТЕА часто используется для визуализации и анализа размер, распределение по размерам, агломерации и форма наночастиц⁵^,¹⁴^,¹⁵^,²⁰.

Мы представляем сравнительное исследование шести различных Наноматериал дисперсий, сделанные с использованием ультразвуковой ванне и ультразвуковой зонд с флакона твитер. Концентрации частиц, температура, sonicator тип и параметры, используемые в исследовании указываются в протоколе, таким образом, что экспериментальные параметры для подобных датчиков и ультразвуковые ванны может быть выведен. Используются следующие наноматериалы: серебра (Ag), оксид церия (₂CeO), оксид цинка (ZnO, NM110-гидрофильное и NM111-гидрофобная) и наноматериалы на основе углерода например, углеродных нанотрубок (A32 и A106, смотрите Таблицу материалы).

Оценка дисперсии качества в разное время точках вдоль sonication процесс производится с использованием различных характеристик методов, а именно DLS для распределения/размер частиц, центрифугирование диск для распределения размеров, ELS для потенциальных, Зета Спектроскопия UV-vis для стабильности и ТЕА форма частиц и однородности. Оцениваются целый ряд различных наноматериалов, начиная от оксидов металлов-на основе углерода. Для сравнения коммерческие водная суспензия наночастиц серебра (Ag NPs) стабилизировалась с укупорки цитрат используется параллельно, вывести ожидаемый долгосрочной стабильности соответствующих коммерчески доступных подвеска. Очевидно эта модель Ag NPs не связана напрямую с любой из процедур дисперсии, но исключительно акты указывают на необходимость заново sonicate или повторно стабилизации суспензий после некоторое время хранения, как изменения, такие как повторное агломерации связаны происходят во время хранения. Подвеска хранится в холодильнике на два месяца. В этот период характеризуется дисперсии для выявления потенциальных агломерации частиц. Первые результаты показывают нестабильной подвеска (как описано в разделе результаты ). Впоследствии эта дисперсия далее подвергается лечения различных sonication, похож на другие наноматериалов, используемые в исследовании. Цель исследования заключается в том, чтобы подтвердить, что мы можем де агломерат подвеска через один и тот же протокол sonication. Ag NPs модель таким образом может быть связан как ориентир для долгосрочных исследований, представляющие повторного дисперсии частиц в оптимизированной форме.

Дисперсия протоколы, представленные здесь разделяют сходство тех, опубликованные в предыдущих литературе и включает некоторые из несколько вынесенных ранее прошлых рабочих⁷^,²¹^,²²^,²³ ^,²⁴^,²⁵. В этом исследовании систематического и поэтапного подхода используется для контроля за качеством дисперсии всей дисперсии протокол. Этот подход обязуется в реальном времени характеристики дисперсий Наноматериал, с тем чтобы определить оптимальные дисперсия экспериментальных условий (рис. 1).

Рисунок 1. Блок-схема, схема и поэтапный последовательность протокола дисперсии. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Protocol

Примечание: Все химические вещества используются как получил без дальнейшей очистки. Используйте ультрачистая вода на протяжении всего исследования с удельным сопротивлением 18 MΩ·cm. Все подготовленные дисперсий обычно хранятся на 5 ° C в темноте для любых дальнейших характеристик или исследования будущей стабильности, но это может варьироваться в зависимости от материального состава и другие связанные с ними свойства как растворение. К примеру Ag NPs целом стабильной на некоторое время, если хранящиеся между 2-5 ° C вдали от солнечного света; Однако динамические изменения связаны происходить внутри суспензий и дисперсии будет повторно агломерат тем не менее и известны отложений вниз с течением времени. Анализ этих материалов с использованием DLS, UV-vis и ТЕА для проверки качества прежде чем биологического тестирования4,5,13,14. Для анализа ниже используется в концентрации 0,02 мг/мл. Концентрация образца подходит для анализа с помощью DLS, UV-vis, диск центрифуги, Зета потенциал расчеты и анализ ТЕА. 1. Калибровка поставки мощности по Sonicators Примечание: Эффективной акустической мощности доставлен sonicated подвеска является важным параметром для получения воспроизводимых дисперсий. Это отличается от электрического ввода или выходная мощность генератора, указанных заводом-изготовителем, как это реальная сила, что конечный результат для приостановки во время sonication26. Среди многих методов для расчета эффективной поставки мощности наиболее часто используемым методом является калориметрии26. Это известно быть простой и эффективный способ для прямого измерения эффективной мощности для подвески7. В этом методе увеличение температуры жидкости на данной sonicator параметр записывается со временем и эффективной мощности рассчитывается с помощью следующего уравнения:где P-поставленный акустическая мощность (W), T-температура (K), t соответствует времени (s), CP — удельная теплоемкость жидкости (4.18 J/g· K для воды), а M — масса жидкости (g). Калибровка поставленный власти ультразвуковой зонд с флакона твитерПримечание: Метод приспособлен от Taurozzi и др. рекомендуется 7 и следующие шаги. Поместите пустой пластиковый флакон на микровзвешивания и тарных баланс. Заполнить ампулу с 1,5 мл воды ди (резистивность 18 MΩ·cm) и запись массы жидкости с помощью баланса. Флакон в одном из шести флакон отверстий в высокой интенсивности части флакона твитер и погружать датчик температуры, подключенных к цифровой термометр с помощью зажима. Убедитесь, что зонд не касайтесь стен флакона и приблизительно в 2 см ниже уровня жидкости. Установите параметр твитер флакона на 24 кГц и 10 Вт (регулировка амплитуды на 50%) и работают в непрерывном режиме.Примечание: Другие изменения амплитуды испытания здесь являются 70%, 90% и 100%. Запись увеличение температуры воды для первоначальных 5 мин с интервалом 30 s и убедитесь, что флакон или настройки не сдвиг позиции. Создайте температуры по сравнению с время граф в таблицу программного обеспечения и получить лучший линейный подходят для кривой с помощью регрессии методом наименьших квадратов. Получить на склоне графа (который является повышение температуры с течением времени) и рассчитать мощность с использованием уравнения 1. Повторить эксперимент в три раза и получить среднее значение. Повторите процедуру от шагов 1.1.1 – 1.1.4 для 70%, 90% и 100% амплитуды параметров. Значение мощности, полученные с помощью этой процедуры сообщается во время процедуры дисперсии. Калибровка поставляемой энергии в ультразвуковой ванне Поместите пустой пластиковый флакон на микровзвешивания и тарных баланс. Заполнить ампулу с 1,5 мл воды ди (резистивность 18 MΩ·cm) и запись массы жидкости с помощью баланса. Поместите ампулу в середине ультразвуковой ванне, что половина смоченной в воде и закрепите его зажимом. Погружайте датчик температуры, подключенных к цифровой термометр с помощью зажима. Убедитесь, что зонд не касайтесь стен флакона и приблизительно в 2 см ниже уровня жидкости. Установки ультразвуковой ванны на 40 кГц и 80 W и работают в непрерывном режиме. Запись увеличение температуры воды для первоначальных 5 мин с интервалом 30 s и убедитесь, что флакон или настройки не сдвиг позиции. Создание температуры по сравнению с время графа в excel и получить лучший линейный подходят для кривой с помощью регрессии методом наименьших квадратов. Получить на склоне графе в таблицы программного обеспечения, (который является повышение температуры с течением времени) и рассчитать мощность с использованием уравнения 1. Повторить эксперимент в три раза и получить среднее значение. Значение мощности, полученные с помощью этой процедуры сообщается во время процедуры дисперсии. 2. дисперсия процедура в водной среде с использованием ультразвуковой зонд с флакона твитер Весят 2 мг каждой из требуемых нанопорошков, с использованием чистой лопаткой в три чистых стеклянных флаконах. Обозначить их как флаконы 1, 2 и 3. Пипетка, 1 мл ди воды и добавить вдоль стен каждого флакона. Густой пасты с помощью чистой тонкой стеклянной палочкой, а затем добавить остальные воды, чтобы сделать окончательный концентрации 0,2 мг/мл. В случае гидрофобные образец, выполните предварительное смачивание с использованием 1 мл 0,5% vol/vol этанола и добавить воду ди чтобы до требуемой концентрации окончательный. Уплотнение каждого флакона с его крышкой и хорошо взболтать в горизонтальной круговое движение к передвигать Нанопорошок прилипание к стенкам флакона. Поместите три флаконов в ультразвуковой зонд с флакона твитер и применять первый sonication лечения на 2 мин на 1,1 W в импульсном режиме (1 s/1 s, который означает 1 s на и 1 s выкл). Это даст повышение температуры около 4 ° C в дисперсии. Возьмите флакон 1 и пипетки, подходящее количество Алиготе из верхней части флакона, разбавить его водой ди к концентрации 0,02 мг/мл. Характеризовать разреженных дисперсия для размера, распределение частиц по размерам, форме, агломерации и Зета потенциал с помощью ряда бесплатные методы, такие как DLS, ТЕА, UV-vis и ELS (обсуждается в разделе 4). Запись и документирование измерений точно. Пауза для 10 мин от шаг 2.4 охлаждения образца позволяют и избежать каких-либо резких температуры в системе. Применить второй sonication лечения для флаконов, 2 и 3 на 4 мин на те же параметры амплитуды и импульсном режиме. Вынуть пузырек 2, повторите шаг 2,5 и документ показания после 6 мин sonication. Паузы в течение 10 мин, применять третьего sonication обращения к флакон 3 для еще 4 мин и затем выполните шаг 2,5. Запись и документирование измерений в 10 мин sonication (обсуждается в разделе 4).Примечание: Лаборатории пальто, перчатки и защитные очки должны носить при обработке суспензий наночастиц. Sonicator должны быть помещены в акустических корпус во время больше экспериментов, и высокий уровень защиты халявы уха должны носить при работе ближе к источнику УЗИ. 3. дисперсия процедура в водной среде с использованием ультразвуковой ванне Весят 2 мг каждой из требуемых нанопорошков, с использованием чистой лопаткой в четырех чистого стекла флаконы и обозначить их как флаконы, 4, 5, 6 и 7. Пипетка, несколько капель воды ди и добавить вдоль стен каждого флакона, а сделать густую пасту с помощью чистой тонкой стеклянной палочкой. Затем добавьте остальные воды, чтобы сделать окончательный концентрации 0,2 мг/мл в каждом флаконе.Примечание: В случае гидрофобные образца, предварительное смачивание осуществляется с использованием 1 мл 0,5% vol/vol этанола и затем добавляется вода ди чтобы до требуемой концентрации окончательный. Уплотнение каждого флакона с его крышкой и хорошо взболтать в горизонтальной круговое движение, чтобы удалить любые нанопорошков прилипание к стенкам флакона. Поместите четыре флаконов в середине Ультразвуковая ванна с флаконов, которые половину смоченной в воде и применять первый sonication лечения на 80 W 15 мин при комнатной температуре. Это дало бы повышение температуры около 3 ° C в дисперсии. Вынуть пузырек 4 ультразвуковой ванне Пипетка, подходящее количество Алиготе от верхней части флакона, разбавить его водой ди к концентрации 0,02 мг/мл и характеризуют образца для размер, распределение частиц по размерам, форме, агломерации и Зета потенциал, используя широкий спектр бесплатные методы, такие как DLS, ТЕА, UV-vis и ELS (обсуждается в разделе 4). Запись и документирование измерений. Менять воду в ультразвуковой ванне и применить второй sonication лечения для ампул 5, 6 и 7 для еще 15 мин на те же параметры (80 Вт). Удаление флаконе 5, выполните шаг 3.5 для характеризации и документировать чтений в 30 мин sonication. Менять воду в ультразвуковой ванне (чтобы избежать любого дальнейшего повышения температуры) и применять третьего sonication лечения еще 30 минут для флаконов 6 и 7 на те же параметры с небольшой паузой изменения воды снова на 15 мин удалить флаконе 6 и следуйте шаг 3.5. Запись и документирование измерений на 1 ч sonication. Менять воду снова в ультразвуковой ванне каждые 15 мин и применить четвертый лечение sonication к флакон 7 еще час, сохраняя параметры константа. Вынуть пузырек 7 и следовать шаг 3.5 для полной характеристики и записывать измерения на 2 ч sonication. 4. характеристика дисперсной образцов в различное время Характеристика размер с помощью DLS 27 Откройте программное обеспечение DLS. Создайте файл измерения размер, который может быть индивидуализированы для конкретного Наноматериал, (в том числе один стандарт) с использованием значения преломления от Малверн руководства. Кроме того, введите любые другие данные, как того требует программного обеспечения, такие как значения поглощения и вязкость и также тип диспергаторов. Введите в условиях эксперимента для образца, такие как время уравновешивания 2 мин, температура 20 ° C, кювет типа как низкий объем одноразовых кювет и эксперимент, работает в автоматическом режиме. Нажмите файл | Сохранить (за исключением с желаемое имя). Нажмите «файл | Откройте новые измерения» и запустить тест проверки DLS, используя стандартные латексные шарики с номинальным размером 100 Нм для получения производительности инструмента Используйте низкий объем одноразовые кюветы. Придать 1 мл образца с помощью шприца или пипетки, чтобы избежать каких-либо воздушных пузырьков.Примечание: Очистите кюветы с этанолом и DI воды перед использованием. Вставьте кювета в машину. Нажмите на кнопку «Пуск» на панели измерений файла. Обратите внимание, что это будет сбалансировать образца для 2 мин и проводить измерения при 20 ° C.Примечание: Если образцы ранее хранились в холодильнике, позволяют им достичь комнатной температуре перед использованием. Собрать по меньшей мере пять измерений в автоматическом режиме и взять среднее из измерений сообщить размер, выбрав все измерения и нажав «средний» на верхней панели. Экспорт данных в excel для дальнейшего анализа. Доклад гидродинамические диаметр как Z-среднее, с шириной PdI, представляющий стандартное отклонение Z-средний в случае распространения monomodal28. В случае значительных расхождений между Z-среднее и среднее распределения интенсивности взвешенный размер, который свидетельствует о полиизопрена или агломерации, значит в результате распределения интенсивности взвешенный размер котируется с комментарием на Пример статуса. Повторите шаг 4.1.3 для нового измерения.Примечание: DLS это не подходящий метод для анализа проб, не идеал. Под этим мы подразумеваем образцов, которые являются несферические частицы высокой полиизопрена, обширной аггломерации, седиментации и т.д. повторные измерения может привести к неточной чтений из-за оседания/урегулирования частиц. В таких случаях другие бесплатные методы рекомендуются как диск центрифугирования, который может использоваться для оценки дисперсии на качественной основе. Распределение размеров центрифугированием диск Откройте программное обеспечение CPS. Выберите «Определение процедуры», положить в названии СОП образца в верхней и заполнить образец параметров, таких как минимальный и максимальный диаметр, плотность частиц, преломления, поглощения и не шарообразности фактор29. Например, наночастиц ZnO, введите 0,1 мкм и 1,0 мкм на вкладках минимальный и максимальный диаметр, соответственно, в плотности частиц, 2.1 в разделе преломления, 0,001 в поглощения частиц и 1 в не шарообразность введите 5.61 г/мл раздел. Заполните калибровки стандартных деталей, основанные на стандарте ПВХ пик диаметр 0,377 мкм с плотностью частиц 1.385 г/мл. Также заполнить параметров жидкости (сахароза, плотность жидкости 1,04 г/мл и жидкости преломления 1,35) и имя и сохраните процедуру. Выбрал выбранной процедуры (СОП, сохраненные на шаге 4.2.1) и залить первый уровень градиента, 1,6 мл сахарозы (24%) в отверстие через диск и нажмите «Пуск».Примечание: Роль сахарозы здесь заключается в создании градиент плотности внутри диска при вращении с постоянной скоростью. Это автоматически рассчитывается скорость диска в зависимости от диапазона размеров. Подождите, пока программа достигает автоматически вычисляемые об/мин (оборотов в минуту). Стабилизировать осаждения путем инъекций градиент сахарозы (низкой плотности 8% и 24% высокой плотности, см. таблицу 1), 1,6 мл общий объем каждый раз, начиная с высокой плотностью и заканчивая с низкой плотности раствора.Примечание: Здесь мы отмечаем 8% раствор сахарозы как низкий и 24% раствора сахарозы как высокий. Они смешиваются в следующих объемах (общий объем 1,6 мл каждый раз) и вводят в диск один за другим, пока не образуется градиент. После этого придать 1.0 мл жидкости Додекан колпачок, который помогает сохранить градиент внутри диска не менее 6 ч. разрешить центрифуги диск чтобы сбалансировать за 1 ч. Выберите «Эксплуатация анализатора» и ввести идентификатор образца и нажмите кнопку Старт. Придать 0,2 мл стандарта с 1 мл шприц в диск и нажмите пробел, в то же время. Затем придать 0,2 мл образца и нажмите пробел, в то же время. Подождите, для измерения до конца и нажмите на следующий пример. Используйте программное обеспечение системы управления центрифуг диска для получения и обработки данных. Для этого нажмите «восстановить распределение» и нажмите на имя образца; Это открывает график распределения размера для образца. Экспортируйте данные в электронную таблицу менеджер. Исследование стабильности дисперсии с использованием спектроскопия UV-visПримечание: Спектроскопия UV-vis часто используется для понимания подвеска стабильности и агрегации, внимательно наблюдая за изменения в пика интенсивности, спектральный коэффициент асимметрии, спектральные форму а также волны сдвига в спектр поглощения4. Подробные шаги заключаются в следующем. Откройте программное обеспечение Спектрофотометр UV-vis и нажмите «сканирование спектра»30. Используйте стандартные кварцевые кюветы (полу microrectangular кварц ячейка 100 мм, 190-2700 Нм). Придать 2-3 мл образца с помощью пипетки. Перед использованием мыть кюветы с 50% азотной кислоты 10 мин и затем смывают три раза с очищенной водой. Затем смыть с помощью ацетона, удалить избыток и воздух сухой. Заданный диапазон установки инструмента до 700 Нм до 200 Нм длины волны от волны вкладку, нажав «Инструмент» в верхней части панели программного обеспечения и нажав кнопку «задать волны». Нажмите кнопку «базовый». Фон вычесть каждый спектра, используя соответствующий «пробел» т.е., кювета заполнены только диспергирование среда, которая в данном случае является вода.Примечание: В случае гидрофобные образцы, аналогичные соотношения этанола: воды используется как средство диспергирования. Собрать по меньшей мере три отдельных спектров на каждый образец, нажав «инструмент | Собственности» и введите ‘3’ в число спектров. Возьмите средних значений для анализа. Сохраните данные и экспортировать данные для дальнейшего анализа. Измерение потенциала Зета с помощью ELS Откройте программное обеспечение DLS. Создайте Зета потенциальных измерения файл, который может быть индивидуализирован в конкретных Наноматериал, с использованием значения преломления от Малверн руководства. Введите другие сведения, которые могут быть подключены к программного обеспечения например, поглощение, вязкость и тип диспергаторов как найти в закладке Настройка образца нажмите «файл | Сохранять» и с желаемое имя. Нажмите кнопку «файл | Откройте новые измерения» и проверить производительность инструмента, с помощью ссылки на стандарт DTS 1235 (Зета потенциал стандарта). Это вспененный латекс стандарта в водный буфера при pH 9 и имеет потенциал Зета – 42 МВ ± 4,2. Подготовка образца в шприц объемом по крайней мере 1 мл. Используйте одноразовые сложенном капилляра клетки оснащены электрода на каждой стороне для потенциальных измерений Зета. Тщательно inject образца в капилляра клетки через один из портов на проверку капилляра клетки, которые есть никаких пузырей. Как только образец начинает появляться на другом конце, вставьте пробки и удалить любую жидкость, которая может пролита на электроды. Очистите кюветы с тщательно этанол и вода ди. Вставьте сложенном капилляра клетки в машину. Сбалансировать 2 мин и приобрести измерения при температуре 200 ° C, если не указано. Если дисперсия образцы ранее хранились в холодильнике, позволяют дисперсии образцы достичь комнатной температуре перед использованием. Собрать по меньшей мере пять измерений в автоматическом режиме и сообщить потенциальную ценность усредненной Зета. Экспортировать данные, анализировать17,18 (как правило, Зета потенциальную ценность ниже -25 МВ и выше 25 мВ считается стабильной) и интерпретировать онлайн или в автономном режиме. Морфологическая характеристика, используя ТЕА Использование сетки (300 mesh) Холи углеродных пленок для пробоподготовки. Капнуть каплю дисперсии выборки (около 0,1 мл, 0,02 мг/мл) на чистой сетке. Разрешить образец воздуха сухой в условиях окружающей среды, пока держащ сетки, накрыть, чтобы предотвратить загрязнение воздуха. Вымойте решетки с ультра-чистой водой, чтобы удалить любые сушки эффекты и при условии изображений ТЕА.Примечание: Добавлением дисперсии падение на сетке увеличивает концентрацию частиц на поверхности сетки, что приводит к привлекательной межчастичных сил. Неравномерного высыхания может привести к артефактам. Маленький полоскания с ультра-чистой водой устраняет этот риск и полезно для единообразного сушки сетки31. Получение изображений в формате дм3 и позднее изучить их вне сети ТЕА программного обеспечения.Примечание: Изображения может использоваться вывести дополнительную информацию окружающих гранулометрический состав, структуру и форму. Файлы преобразуются в tiff, в которой может осуществляться количественная оценка на свойства, такие как формы и размера.

Representative Results

Калориметрический данные, показывающие увеличение температуры со временем во время обоих типов sonication показано на рисунке 2. Эффективной акустической мощности доставлен дисперсии в ультразвуковой зонд с флакона твитер (источник питания 200 Вт) рассчитывается как 0,55 ± 0,05 W на 50% амплитуды, 0,75 ± 0,04 Вт на 70% амплитуды, 1.09 ± 0,05 W на 90% амплитуды и 1,15 ± 0,05 W на 50% amplit UDE, тогда как для ультразвуковой ванны (источник питания 80 W), оно вычисляется 0,093 ± 0,04 Вт на 100% настройки. Нахождение похож на ранее опубликованные работы, которая демонстрирует, что отображается на sonicators Выходная мощность намного меньше, чем доставлены подвесы под лечение32,,3334. Рисунок 2. Калориметрический данные, показывающие увеличение температуры со временем во время sonication с помощью (A) и ультразвуковой зонд оснащены флакон твитер и (B) ультразвуковой ванне. Эффективной акустической мощности доставлен дисперсии в ультразвуковой зонд с флакона твитер (источник питания 200 Вт) рассчитывается как 0,55 ± 0,05 W на 50% амплитуды, 0,75 ± 0,04 Вт на 70% амплитуды, 1.09 ± 0,05 W на 90% амплитуды и 1,15 ± 0,05 W на 50% amplit UDE, тогда как для ультразвуковой ванны (источник питания 80 W), оно вычисляется 0,093 ± 0,04 Вт на 100% настройки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. В таблице 2резюмируются выводы, связанные с различных наноматериалов дисперсий, производимых различными протоколами. Результаты показывают изменчивость дисперсии качества (как измеряется DLS, ELS и ТЕА) связанные с дисперсий различных наноматериалов, производится с использованием различных sonication условий. Как и ожидалось, изменчивость данных регулируется таких факторов, как тип Наноматериал, sonication период времени, и использовать ли зонд или в ультразвуковой ванне в протоколе. Спектр UV-vis, полученные для каждого Наноматериал показан на рис. 3 и рис. 4 и DLS результаты показаны на рисунке 5 и Рисунок 6. Таблица 2 предназначен не только показать степень изменчивости данных, но и чтобы позволить идентификации оптимизированного рассеивания протокола для данного Наноматериал дисперсии. Если таких дисперсий были использованы как часть метода испытания nanotoxicological, то идеальным является наличие стабильной дисперсии (предпочтительно величины в наименее ± 30 МВ), небольшой PdI, указав более узкий гранулометрический состав (желательно с PdI 0,2 или меньше) и маленький средний DLS размер частиц, чтобы указать распада крупных агломератов. Здесь, Z-среднее определяется как интенсивность основе средний размер наночастиц и ДПИ является мерой ширины общий размер распределения (описанные выше в введении). НМ Пример кода Sonication время Размер DLS (Нм) Полиизопрена индекс (PdI) Дзета потенциальных (mV) Оксид церия CeO2_powder 0 396±130 0.763±0.100 17.2±0.4 CeO2_B_15min 15 мин 128±4 0.231±0.015 39.2±1.0 CeO2_B_30min 30 мин. 117±5 0.210±0.008 38.1±0.5 CeO2_B_1h 1 ч 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 мин 126±7 0.218±0.005 28.8±0.7 CeO2_P_6min 6 мин 131±2 0.209±0.014 40.5±0.7 CeO2_P_10min 10 мин 122±1 0.184±0.014 44.4±1.3 Окись цинка (гидрофильных) ZnO_NM110 порошок 0 1410±120 0.786±0.150 17.1±0.5 ZnO_NM110_B 15 мин 239±2 0.130±0.024 25.4±1.0 _15min ZnO_NM110_B 30 мин. 251±2 0.166±0.020 21.6±0.3 _30min ZnO_NM110_B 1 ч 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 мин 377±20 0.267±0.025 21.7±0.4 _2min ZnO_NM110_P 6 мин 885±70 0.276±0.023 8.6±0.6 _6min ZnO_NM110_P 10 мин 1074±88 0.673±0.058 11.2±1.4 _10min Окись цинка (гидрофобные) ZnO_NM111_ 0 758±86 0.823±0.006 -14.6±0.7 порошок ZnO_NM111_ 15 мин 384±95 0.399±0.074 -17.5±1.0 B_15min ZnO_NM111_ 30 мин. 282±35 0.361±0.009 -22.4±0.5 B_30min ZnO_NM111_ 1 ч 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 мин 227±9 0.402±0.032 19.8±0.8 P_2min ZnO_NM111_ 6 мин 340±58 0.477±0.026 -21.1±0.2 P_6min ZnO_NM111_ 10 мин 370±72 0.626±0.065 -21.8±0.8 P_10min НКТ A32_powder 2 мин 306±5 0.279±0.029 -23.7±0.5 A32_B_15min 15 мин 250±3 0.200±0.007 -18.0±0.4 A32_B_30min 30 мин. 255±2 0.282±0.036 -20.2±1.1 A32_B_1hr 1 ч 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 мин 255±4 0.217±0.011 -22.5±0.4 A32_P_6min 6 мин 245±9 0.328±0.029 -23.6±0.8 A32_P_10min 10 мин 254±4 0.313±0.029 -23.6±0.5 НКТ A106_powder 2 мин 580±18 0.305±0.070 -35.9±1.0 A106_B_15min 15 мин 573±18 0.404±0.016 -29.5±1.0 A106_B_30min 30 мин. 479±11 0.363±0.013 -28.8±1.4 A106_B_1hr 1 ч 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 мин 300±58 0.473±0.053 -29.8±1.0 A106_P_6min 6 мин 390±10 0.359±0.022 -40.7±0.5 A106_P_10min 10 мин 300±85 0.511±0.134 -24.5±0.7 Серебро Ag_cit 0 72±50 0.462±0.258 -38.7±1.3 Ag_B_15min 15 мин 25±1 0.489±0.008 -39.8±2.2 Ag_B_30min 30 мин. 25±1 0.532±0.036 -30.7±2.8 Ag_B_1hr 1 ч 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 мин 29±1 0.300±0.025 -42.0±2.9 Ag_P_6min 6 мин 26±2 0.263±0.017 -40.4±1.5 Ag_P_10min 10 мин 25±2 0.251±0.011 -47.3±1.4 В таблице 2. Краткое изложение результатов Нм дисперсия в воде. «P» в образце коды указывают дисперсии осуществляется с использованием ультразвуковой зонд с флакона твитер и «B» в образце кода указывается дисперсия осуществляется с использованием ультразвуковой ванне. Все измерения проводились на 0,02 мг/мл. Sonication на время 0 означает не sonicated подвеска т.е., просто фирма встряхивания и перемешивания без какой-либо другой помощи. УНТ, которые полностью нерастворимы и недисперсной ди воды на физической пожимая были sonicated для первоначального 2 мин в sonicator баня и также сообщили. Рисунок 3. UV-vis спектры (A) Генеральный директор2, ZnO NM110 (B) и (C) ZnO NM111 дисперсия в воде. Спектроскопия UV-vis используется для того, чтобы понять, подвеска стабильности и агрегации, тщательно наблюдая изменения пиковой интенсивности, спектральный коэффициент асимметрии, спектральный также форме волны сдвига в спектрах поглощения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Рисунок 4. UV-vis спектры A106 нанотрубок (A), (B) CNTs A32 и (C) Ag_citrate дисперсия в воде. Спектроскопия UV-vis используется чтобы понять, что подвеска стабильности и агрегации, тщательно наблюдая изменения пиковой интенсивности, спектральный коэффициент асимметрии, спектральный также форме волны сдвига в спектрах поглощения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Рисунок 5. Размер распределения по интенсивности для (A) Генеральный директор2, ZnO NM110 (B) и (C) ZnO NM111 дисперсия в воде, полученные с DLS. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Рисунок 6. Размер распределения по интенсивности для A106 нанотрубок (A), (B) CNTs A32 и (C) Ag_citrate дисперсия в воде, полученные с DLS. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. В случае Генеральный директор2 Наноматериал подвеска использование sonication привело к общее уменьшение размера частиц и PDI значения. Без каких-либо sonication результаты показывают распределение смешанных интенсивности с Z-средний (396 ± 130 Нм) и очень высоким значением PdI 0.763 ± 0.100 (Таблица 2). Кроме того дисперсии показывает Зета потенциальную ценность 17.2 ± 0,4 мВ. Следует отметить, что PdI ≥0.5 свидетельствует о весьма полидисперсных подвеска. Таким образом образец был подвергнут диск центрифугирования, и полученные данные распределения размера также подтвердил неоднородной и неоднородных образца (рис. 7a). Морфология и размер анализа проб по ТЕА далее подтвердил, что частицы в дисперсии действительно высоко полидисперсных (рис. 8). После распыления порошка, с использованием ультразвуковой ванне 15 мин, результаты показали улучшение общего качества дисперсии. В частности улучшение общей стабильности (как отметил потенциальную ценность его соответствующего Зета) и монодисперсность. Увеличение времени sonication до 2 ч привела к значительно улучшенную стабильность и узкий гранулометрический состав (Таблица 2). Ясно, что существует постепенное улучшение качества дисперсии если используется больше времени sonication Ванна, как видно, постепенное снижение гидродинамического диаметр и ДПИ. Аналогичные результаты были получены, если дисперсия процедура была проведена с использованием ультразвуковой зонд вместо. В целом был достигнут более стабильной и однородное состояние агломерации, с помощью зонда, что подтверждается DLS и ТЕА данных. Интересно Ультразвуковая ванна, оказался лучшим вариантом, чем использование зонда, как намного меньший размер средней частиц и гораздо выше Зета потенциальную ценность может быть достигнуто с помощью ванны, вместо того, чтобы зонд. Он отметил, что в обеих процедурах sonication микроскопии ТЕА подтвердили наличие различных первичных частиц включить: сферах, кубики и многогранники. Рисунок 7. Размер распределения полученного с центрифугированием диск для (А) Генеральный директор2_powder и (B) ZnO NM110_powder дисперсия в воде при 0 мин Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Рисунок 8. ТЕА образы Генеральный директор2 демонстрирует влияние sonication на примере homogeniety и стабильность. Панель масштаб равен 100 Нм для каждого образца. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. В случае ZnO, используются два типа ZnO в дисперсии т.е., ZnO наноматериалов различных профилей поверхностей, (NM110) гидрофильные и гидрофобные (NM111). Результаты указывают на аналогичные выводы между двумя типами ЗНО. Как показывают, что с не sonication, дисперсия качества указывали на средний размер частиц большой и высокий полиизопрена. NM110 имеет Z-среднем 1,410 ± 120 Нм и ДПИ 0.786 ± 0.150 Нм; NM111 имеет Z-среднем 758 Нм ± 86 и ДПИ 0.823 ± 0,006. Размер распределения данных, полученных для NM110 от диска центрифугирования также подтверждают примеры полиизопрена и неоднородности (рис. 7b). Размер и полиизопрена sonicated NM110 представляется уменьшить с лечением 15 мин в ультразвуковой ванне и достичь оптимального сокращения плато в sonication время 30 мин. Более длительное время sonication показывает общее увеличение частиц размер данных, потенциально частиц повторно агломерация после будучи исключения из агломерированного первоначально в. С другой стороны NM110 показывает однородных и стабильной дисперсии после 2 минут лечения ультразвуковой зонд. Однако больше циклов 6 мин и 10 мин также свидетельствуют об увеличении размера частиц и PdI значений, указывающее повторного агломерации частиц. ТЕА (рис. 9 и 10) и UV-vis (рис. 3Б–c) результаты дальнейшего подтверждения состояния такого качества дисперсии. Интересно, что очень похожие результаты наблюдаются в случае NM111 когда обращаются с ультразвуковой зонд. Опять же систематический подход показывает, что лучший дисперсия была достигнута в 2 мин, как возможного повторного агломерации может быть связан с соответствующим делам 6 мин и 10 мин. Когда вместо этого используется ультразвуковой ванне, размер частиц дисперсия достигли плато после 30 мин sonication; После того, что никаких дальнейших увеличение или уменьшение значения размера или полиизопрена наблюдается. Кроме того ТЕА микроскопии, полученные для гидрофобных NM111 указывают на наличие различных артефактов и других сушки воздействие на сетке ТЕА (Рисунок 10). Это показывает, что предварительное смачивание с этанолом или других органических растворителей могут быть полезны при подготовке водных дисперсий, но там были проблемы после иммобилизации гидрофобные Наноматериал образцы на сетках углерода. В целом если определен протокол оптимальное рассеивание и регламентируется законом минимальный соответствующее значение PDI, то это соответствует ZnO_NM110_B1 h и ZnO_Nm111_B30 мин для гидрофильных NM110 и гидрофобные Нм 111 случаев, соответственно. Рисунок 9. ТЕА изображения ZnO NM110 демонстрирует влияние sonication на примере homogeniety и стабильность. Линейки шкалы равен 100 Нм для каждого образца. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Рисунок 10. ТЕА изображения ZnO NM111 демонстрирует влияние sonication на примере homogeniety и стабильность. Линейки-0,1 мкм для ZnO_NM111_B_15 мин, h ZnO_NM111_B_1 и ZnO_NM111_P_2 мин и 0,2 мкм для остальной части образцов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. В случае углеродных нанотрубок (УНТ) результаты показывают, что такие наноматериалов не легко рассасывания в воде, в частности что дисперсия протокол предполагает использование физической перемешивания или интенсивное встряхивания. Это верно для обеих многостенные углеродные нанотрубки (MWCNTs), используемые в данном исследовании. ТЕА микроскопии в случае для A106 и А32 дисперсий, осуществляется на 2 мин и 15 мин sonication цикла показаны на рисунке 11 и Рисунок 12, соответственно. При возрастании sonication время, результаты показывают обрыв CNTs, часто приводит к модификации длины. Такие изменения длины были очевидны в случае зонд и ультразвуковой sonication. Результаты показывают, что A106 и А32 CNTs может быть достаточно разошлись после лечения 2 мин если используется ультразвуковой зонд. Здесь достаточно дисперсии означает, что время порог критической sonication где открыты все связок углеродных нанотрубок (УНТ) и отдельные трубы отделены35. При возрастании sonication время 6 минут или 10 мин, результаты показывают изменения распределения длины и гораздо выше полиизопрена. Наконец, интенсивность распределенных данных размер от DLS (рис. 6a–b) и спектров поглощения через UV-vis (рис. 4a–b) также подтверждают, что НКТ дисперсий очень чувствительны к sonication времени и используется ли зонд или ванна. A106 и А32 CNTs показывают пик поглощения между 253 и 310 Нм, который является типичным MWCNTs36. Пика интенсивности известно для быть хорошим индикатором максимально достижимые рассеивания в sonication-driven дисперсии MWCNTs. УФ спектре A106 и А32 указывает, что 2 мин и 15 мин sonication цикла быть оптимальной для подвески. После длительного sonication пик расширяет с меньшей максимальной интенсивности, а также разрушения образцов обозначается сдвиг в спектре поглощения и спектральный коэффициент асимметрии (формирование плечи пик). Рисунок 11. ТЕА изображения CNTs A106 демонстрирует влияние sonication на примере homogeniety и стабильность. В баре шкалы составляет 200 Нм для каждого образца. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Рисунок 12. ТЕА изображения CNTs A32 демонстрирует влияние sonication на примере homogeniety и стабильность. В баре шкалы составляет 200 Нм для каждого образца. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Наконец, чтобы иметь определенную степень сравнения, данные сравниваются с коммерчески доступных подвеска цитрат стабилизировалась Ag ЯИЭ (номинальный диаметр 10 Нм, 0,02 мг/мл). Характеристика данные показывают, что дисперсия высокой агломерированная и высоко полидисперсных. DLS данные показывают смешанных распределение с гидродинамическим диаметром 72 ± 50 Нм и высокий PdI 0,46 ± 0,26 (рис. 6 c). Морфологический анализ ТЕА (рис. 13) и широкий резонанс Plasmon поверхности (СРП) пик (поглощение на 418 Нм в видимой области), UV-vis (рис. 4 c) далее подтверждают весьма полидисперсных образца. Интересно Ультразвуковая ванна лечения улучшает стабильность дисперсии и ДПИ, но используется только если достаточно длительный sonication период времени; 2 часа sonication времени необходимо привести размер частиц DLS 28 ± 5 Нм и PdI 0,387 ± 0.015 (Таблица 1). Однако если вместо этого используется ультразвуковой зонд, образец однородности и стабильности удивительно улучшить во время всего 2 мин sonication, что приводит к размер частиц DLS 29 ± 1 Нм, PdI 0,300 ± 0,025 и ZP – 42 ± 3 МВ. Это улучшение качества дисперсии является также очевидным до 10 мин sonication время установки, в котором размер частиц DLS 25 ± 2 Нм, PdI 0,251 ± 0,011 и ZP-47.3 мВ ± 1.4 наблюдается. Здесь в 10 мин sonication с помощью флакона твитер, PdI уменьшается и ZP увеличивается. Соответствующие микроскопии ТЕА в таких точках соответствующих времени также подтверждают улучшены примеры однородности после того, как применяются соответствующие sonication протоколы. Есть быстрое улучшение в образце однородности и дисперсности частиц в ТЕА изображений. В примере некоторые агломерации по сравнению с индивидуальных частиц, sonicated за 10 мин, с использованием флакон твитер в 2 мин. Рисунок 13. ТЕА изображения коммерческих Ag ЯИЭ, демонстрируя влияние sonication на примере homogeniety и стабильность. В баре шкалы составляет 200 Нм для каждого образца. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Высокий (мл) Низкая (мл) 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 Таблицы 1. Градиент плотности сахарозы, смешивания для всего 1,6 мл тома. Здесь мы отмечаем решение 8% сахарозы как низкий и 24% сахарозы как высокий. Они смешиваются в следующих объемах (общий объем 1,6 мл каждый раз) и вводят в дис конуса один за другим, пока не образуется градиент.

Discussion

Конечная цель исследования заключается в разработке стратегии, которая позволила бы выявление условий оптимального sonication сделать дисперсии выбранное количество наноматериалов в воде. Здесь тщательно документировать протокол шаги и параметры во время sonication для того чтобы выполнить ранее пробелы в обзорах, а также выполнить рекомендации, сделанные в последние¹⁵предпринята попытка. В условиях оптимального рассеивания идентифицируются характеризующие дисперсий после каждого цикла sonication и проверки образец стабильности и однородности. Влияние sonication процедур и стабильности статус оценивается на основании характерных изменений в основных физико-химических свойств наноматериалов, как определяется различных аналитических методов: DLS, ELS, UV-vis и ТЕА. Текущий протокол-это адаптированные методологии для рассеивания наноматериалов из последних литературы и других исследовательских проектов²¹^,²²^,³⁷^,³⁸^,³⁹ с некоторыми изменения и уточнения ключевых пробелов, шаги, и их применимости к широкой наноматериалов аналогичные поверхности профиля⁷. Однако тщательной корректировки необходимы в отношении их sonication время, силы и тип для их применения в других наноматериалов. Кроме того необходима дальнейшая работа для установления корреляции между sonication процедура и биологической активности наноматериалов. Шесть различных типов Наноматериал дисперсий оцениваются и сопоставляются, главным образом для их стабильности, используя ультразвуковой ванне и ультразвуковой зонд с флакона твитер в моменты времени. Для поддержания чистоты подвеска и любые непредвиденные изменения, вследствие загрязнения, зонд sonication избегается здесь. В флаконе твитер флаконов может оставаться закрытыми. Это исключает любые загрязнения образцов.

Калибровка sonicators является ключевым фактором, поскольку целый ряд sonicators доступны с разной частоты, амплитуды и полномочия. Для определения эффективной акустической энергии доставлены к приостановлению, калибровка sonicators осуществляется с помощью калориметрии. Акустическая мощность доставлены для 70% амплитуды параметр для твитера флакона, а также для параметра 100% ультразвуковой ванне рассчитывается как < 1 Вт (0,75 ± 0,04 Вт и 0.093 ± 0,04 Вт, соответственно). Однако выходов власти указали производителями для флакона твитер и ванна sonicator 200 Вт и 80 W, соответственно. Это означает, что несмотря на высокой мощности источника, большая часть энергии теряется во время генерации кавитационные пузырьки и только малая часть фактически передан дисперсии под лечение²⁶. Недавние исследования показали важность контроля кавитационной измерений по сравнению с входной мощности sonicator для лучшего рассеивания контроля во время sonication⁸. Методология представляется перспективным для контролируемых дисперсии весьма деликатный наноматериалы как CNTs и рекомендуется для будущих исследований.

Каждый метод, используемый в исследовании основано на различных принципах с ограничениями для всех. DLS не является идеальным методом для несферические суспензий, а также весьма полидисперсных систем. В таких условиях из-за высокого разрешения, точности и точности⁴⁰рекомендуется DCS. DCS может полностью отделить очень узкий размер распределения вершин, которые отличаются от всего лишь 3%. ТЕА обеспечивает прямые визуальные образы наночастиц и представляет собой прекрасный инструмент для определения агрегации, дисперсия, размера и формы частиц, но техника требует образца, сушки, которые могут привести к артефакты⁴¹. Это могут быть устранены путем промывки сеток с ультрачистая вода, как описано в шаге 4.5.3.

Среди прочего методологии освещаются некоторые важнейшие шаги, такие как тип флаконов, используемые в протоколе, глубина погружения и положение флаконов в ультразвуковой ванне, а также твитер флакон. Контроль температуры системы во время агитации является важным параметром. Изменения часто воды в ультразвуковой ванне и импульсном режиме запуска в случае флакон твитер рекомендуется избегать любой накопления тепла во время sonication, таким образом избегая каких-либо изменений образца. Предварительное смачивание шаг для гидрофобных образцов, таких как оксид цинка помогает в дисперсии частиц, но это может вызвать некоторые нежелательные изменения. Sonication время и энергию, должна быть высокой достаточно, чтобы снять агломерат частицы, но не слишком много, что она нарушает частицы. Результаты показывают, что агломерат поломки зависит от типа частиц.

Наши выводы подчеркивают важность наличия подробной дисперсии протокол, как результаты показывают, что основные физико химические свойства потенциально могут быть изменены во время процесса sonication, как регулируются такие факторы, как тип sonicator, продолжительность sonication времени и мощности производства. Результаты показали, что потенциально нарушения целостности образца на более высокой интенсивности агитации. Результаты показывают, что CNTs очень чувствительны к агитации, поэтому обрывы весьма вероятным при изменении sonication продолжительность и сила. Недалеко от оптимальные настройки для рассеивания CNTs находятся между 2-15 мин в ультразвуковой ванне и только 2 мин, с использованием ультразвуковой зонд. Однако ultrasonication все еще может быть причиной некоторых нанотрубок сокращений, которые не могут быть количественно точно здесь. DLS не может быть идеальной техникой для характеризации нанотрубок, но он все еще может предоставить гидродинамических диаметра нанотрубок и эти данные может быть информативным различия в длину распределений CNTs среди различных образцов¹⁶^, ⁴²^,⁴³. Последние исследования показывают, что дисперсия протокол CNTs может быть значительно повышена путем добавления ПАВ, как молекулы поверхностно-активного вещества поглощаются на нанотрубке монослоя, обеспечивая тем самым барьер для обрыва связи sonication³⁵^, ⁴⁴. Однако это нельзя сравнивать непосредственно к настоящему Протоколу, как в этом случае участвуют не ПАВ. Важно отметить, что обеспечение распределения размеров длины в случае CNTs очень важна, как соотношение часто соотносится с определенным токсикологические ответ. Напротив, Генеральный директор₂ дали разные результаты, по сравнению с CNTs, в котором длительное sonication раз с помощью ультразвуковой ванне или зонд, приводят к формированию первичных частиц. Разница в результатах между УНТ и CeO2 случаев подчеркивается важное значение дисперсии протоколы напримерпортной, оптимизировать sonication время и мощность, в соответствии с исходного материала например, тип Наноматериал порошков. Каждый тип пробы порошок Наноматериал отличается, как там будет разной степени агломерации в порошок сам. В некоторых случаях процесс агломерации де успешно привело к де агломерации до уровня первичных частиц, как свидетельствует появление других формы частиц в ТЕА изображений, который не был виден до sonication шаг. Длительное sonication привело к непрерывной взлома агломератов оксида церия под разными углами, что приводит к многогранной частиц.

В случае коммерчески купил водный образец Ag NPs дисперсий наши выводы подчеркивают необходимость долгосрочной стабильности и однородности оценки. Существует необходимость обеспечить, что дисперсии характеризовались достаточно до использования, особенно в случае долгосрочного хранения. Однако наноматериалы имеют очень короткий срок годности. Они возраст со временем и могут вести себя по-разному после длительного хранения по сравнению с свежеприготовленные дисперсии.

Результаты здесь подчеркнуть необходимость согласованной стратегии для выявления оптимизированный протокол для различных наноматериалов. Представлена предлагаемая стратегия заключается в проведении различных вариаций в методе sonication и обеспечить, что дисперсии в разное время точках характеризуются достаточно с помощью дополнительных аналитических методов. Была подчеркнута важность использования Multi-метод подхода к характеризуют и контролировать качество распыления через различные экспериментальные условия и время прошлых рабочих⁴⁵. Хотя для удовлетворения конкретных Наноматериал дисперсии в исследовании были представлены различные методы для sonication, потенциально они может использоваться как основа для разгона других металлов и оксидов наноматериалы (из аналогичных свойств поверхности) в воде. Однако имея какие-либо изменения в любом Наноматериал типа или жидкие среды требует необходимость оптимизации основной протокол, который может быть сделано путем тщательной корректировки различных факторов например, sonication время, силы и sonicator типа. Любой протокол выбирается и определены как оптимальный, там необходимо всегда иметь подробный доклад о схеме и поэтапный последовательность sonication дисперсии процедуры. Это имеет важное значение для повышения интерпретируемости и сопоставимости. Одним из применений этого протокола заключается в содействии сопоставимости данных среди других лабораториях, ведущих к согласованной и стандартизированный подход для будущих исследований. Нынешней методологии и контроля параметров могут быть использованы для других диспергирования средах помимо воды и сравнения можно сделать на индивидуальной основе.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Исследований, приведших к эти результаты получил финансирование от NE/J010783/1. Проект NanoValid получил финансирование от Европейского союза седьмой программы для научных исследований, технологического развития и демонстрации под Грант соглашение № 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).