Her presenterer vi en step-wise protokoll for spredning av nanomaterialer i vandige media med sanntid karakterisering å identifisere de optimale sonication, intensitet og varighet for forbedret stabilitet og ensartethet av hydrogenion dispersions uten at prøven integritet.
Sonication prosessen er vanlig for de agglomerating og spre nanomaterialer i vandig basert media, nødvendig å forbedre homogenitet og stabiliteten i suspensjon. I denne studien utføres en systematisk step-wise tilnærming til å identifisere optimal sonication betingelser for å oppnå en stabil spredning. Denne tilnærmingen har blitt vedtatt og vist seg å være egnet for flere nanomaterialer (cerium-oksid, sink oksid og Karbonnanorør) spredt i deionisert (DI) vann. Men med endringer i nanomaterial type eller spre medium må det være optimalisering av grunnleggende protokollen justere ulike faktorer som sonication tid, makt og sonicator samt temperaturøkning under prosessen. Tilnærmingen registrerer spredning prosessen i detalj. Dette er nødvendig for å identifisere tidspunkt så vel som andre nevnte forhold under sonication prosessen der det kan være uønskede endringer, for eksempel skade partikkel overflaten dermed påvirker overflateegenskaper. Vårt mål er å tilby en harmonisert tilnærming som kan kontrollere kvaliteten på siste, produsert spredning. Slike en retningslinje er instrumental i å sikre spredning kvalitet repeterbarhet i nanovitenskap samfunnet, spesielt innen nanotoxicology.
Sonication er prosessen med å generere cavitations, som innebærer etableringen, vekst, og kollaps bobler (ofte kalt aktiveringspunkt) dannet i væske på grunn av irradiation høy intensitet ultralyd1. I en laboratorium utføres sonication metoden ved hjelp av en sonicator. Det finnes ulike sonicators, alle har den generelle funksjonen til de agglomerating partikler, som sprer i en flytende medium som individuelle (eller primære) partikler. Ved å bruke sonication, kan prøve homogenitet forbedre, potensielt få et mye smalere partikkel størrelsesDistribusjon. Et viktig aspekt å vurdere i spredning prosessen er stabilitet av siste spredning. Her, er stabiliteten i suspensjon definert som der partikler ikke slå eller sediment ned i deres adspredte tilstand og gjennomsnittlig etter diameter mål ikke varierer med mer enn 10% mellom fem gjentatte målinger tatt under som tid (rundt 10 min)2,3. Det er flere måter å måle spredning stabilitet. Dette omfatter estimering av zeta potensielle (ZP) gjennom måling av electrophoretic mobilitet av partikler. En annen er å måle karakteristiske absorpsjon av nanopartikler i UV spectral utvalg4.
Innen nanotoxicology er ha kontroll over spredning kvalitet svært viktig, som spredning trinnet bestemmer mekanisk-egenskaper, for eksempel partikkel størrelse/størrelse distribusjon, form, aggregering/agglomeration, overflate lade, etc. dette i sin tur vil etter hvert påvirke samspillet av partikler med test media og utfallet av ulike i vitro og vivo eksperimenter, for å utlede det muligheter hazards av nanomaterialer.
Sonication er vanligvis utført ved hjelp av en målingstype (direkte) eller ultralydbad, eller ultralyd probe med en flaske diskanthøyttaler (indirekte sonication). Alle typer sonication er tilgjengelige i en rekke intensitet og utgang innstillinger, noen ganger tilpasset med en annen type sonotrode for bestemte prosesser eller krav, og er egnet for flytende volumer som spenner fra 2 til 250 mL. Selv om sonden ultrasonication er kjent for å gi bedre resultater enn bad sonication på grunn av lokaliserte høyintensitets5, er bad sonication ofte foretrukket over målingstype for utarbeidelse av toksikologiske test suspensjoner på grunn av mulige forurenses gjennom tipset, erosjon av Titan sonde tips etter langvarig bruk og sonde nedsenking dybde avvik. Tilsvarende er en ultralyd probe utstyrt med en flaske diskanthøyttaler en fordel over direkte sonden på grunn av ovennevnte risiko samt drift vennlighet av utstyret. Flere flasker er sonicated på samme tid og på samme intensitet. Dette ikke bare sparer tid, men sikrer at alle prøvene blir behandlet likt, som gjør resultatene blant prøver mer pålitelig og sammenlignbar. I sikkerhet forskning nanomaterialer, er forurensning alltid unngått. Men sonde sonicator passer ikke dette kravet og har ikke blitt testet. Sonden sonicators forårsaker noen uunngåelig bivirkninger som eksempel forurensning tips erosjon, samt redusert energi output fører til endringer av spredning, derfor at data reproduserbarhet6, 7 , 8. videre prøver vanligvis kjøres i avdekket beholdere fører til flytende tap på grunn av fordamping som støv deponering. For å unngå disse utilsiktede endringer, anbefaler nyere studier alternative indirekte sonicators basert på deres effektiv energi levering i tillegg til suspensjon renhet forsikring6.
Ikke-optimalisert sonication kan ha en skadelig effekt på resultatene. Det kan eventuelt endre de fysiske og kjemiske egenskapene av nanomaterialer som størrelse, størrelsesDistribusjon, morfologi og overflate kostnader2,9. Tidligere litteratur har rapportert slik svikt kontrollere sonication prosessen og innvirkning på partikkel parametere som nano-TiO25,10,11, nano-ZnO6og nano-kobber12 . Videre har tidligere studier vist at sonication prosessen ikke bare endrer partikkel egenskaper, men også regulerer utfallet av toksikologiske tester12,13.
For å ha kontroll over spredning prosessen, er det viktig å overvåke og forstå hvordan ulike faktorer som sonicator type, apparatet makt og varighet, volumer, etc., kan påvirke spredning kvalitet. Derfor er det behov for å ha en systematisk prosedyre å analysere mekanisk-kjennetegn fra partikler i spredning på ulike tidspunkt av sonication. Selv om slike hensyn er tatt i betraktning av noen forskere, er arbeid på dette området begrenset. Bihari et al. har studert spredning stabiliteten i ulike nanomaterial dispersions med forskjellige ultralyd energier med ulike spredning stabilisatorer14. En fersk gjennomgang av Hartmannn et al. fremhevet at selv om arbeidet er gjort for å forstå de ulike faktorene som påvirker nanomaterial spredning kvalitet eksempel, type sonicator brukes, sonication tid, etc., det er fortsatt ingen veldefinerte og universelt akseptert sonication prosedyre støtter som nanotoxicological tester og undersøkelser7,15.
Flere analytiske karakterisering teknikker brukes til å overvåke spredning kvalitet. Disse inkluderer bruk av: dynamisk lys spredning må platen sentrifugering, Electrophoretic lys spredning (ELS), UV-synlig (UV-vis) spektroskopi og overføring elektronmikroskop (TEM), som måler partikkel størrelse/størrelse distribusjon, Zeta potensial, spredning stabilitet og morfologi egenskaper, henholdsvis. DLS brukes ofte til å bestemme etter diameter (Z-gjennomsnitt) partikler og polydispersity indeks (PdI) på nanomaterial spredning. Hvis flere størrelsesDistribusjon av DLS, kan Z-gjennomsnittlig oppnådd ikke enig med intensitet-vektet størrelse distribusjon intensiteten. Som sådan, kan middelverdien intensitet-vektet størrelse bli sitert. PdI reflekterer broadness av størrelsesDistribusjon med en skala varierer fra 0 – 1, med 0 blir et monodispersed utvalg og 1 er en svært polydisperse sample16. Platen sentrifugering er en separasjon teknikken brukes til å bestemme partikkel størrelsesDistribusjon ved hjelp av sentrifugal sedimentering i en flytende medium. Partikler sediment innenfor en optisk klar og roterende plate og mengden lys spredt av partikler når de når kanten av platen registreres og konvertert til partikkel størrelsesDistribusjon bruker Stokes’ lov. For å løse multimodal partikkel distribusjon, er teknikker som platen sentrifuger mer egnet som de har en separasjon mekanisme element integrert i maskinen. Zeta potensielle (ζ –potensielle) partikler defineres som elektrisk potensial på deres skjær eller forsinkede fly, som er en pålydende grense i elektrisk dobbeltlag som skiller (healer) væsken viser tyktflytende normalt fra den Streng lag, et lag som hovedsakelig består av counter ioner og vurdert å gå med partikkel. Zeta potensialet er direkte relatert til overflaten beløpet av partikler og derfor elektrostatisk samspillet (dvs., frastøting/attraksjon) mellom partikler. Denne parameteren er derfor betraktet som en primærindikator for nanomaterial spredning stabilitet. Ved konvensjonen, zeta potensial verdi under -25 mV og over 25 mV anses stabil17,18. Konsentrasjonen og typen ioner som løsningen pH, påvirke sterkt zeta potensielle19. ELS brukes til å måle electrophoretic mobilitet av partikler i spredning og denne mobilitet er konvertert til zeta gjennom Henry ligningen og Smoluchowski eller Hückel modeller. UV-vis spektroskopi er en teknikk brukt om å kvantifisere lyset som er absorbert og spredt av et eksempel på en bestemt bølgelengde. Det er ofte brukt til å overvåke spredning stabilitet ved å måle karakteristiske absorpsjon av nanomaterialer i regionen UV. Endelig brukes TEM ofte til å visualisere og analysere størrelse, størrelsesDistribusjon, agglomeration og form av nanopartikler5,14,15,20.
Vi presenterer en sammenlignende studie av seks ulike nanomaterial dispersions med ultralydbad og en ultralyd probe utstyrt med en flaske tweeter. Partikkel konsentrasjon, temperatur, sonicator type og innstillinger brukt i studien er angitt i protokollen, slik at eksperimentelle innstillingene for lignende sonder og ultralyd bad kan konkluderes. De følgende nanomaterialer brukes: sølv (Ag), cerium-oksid (CeO2), sink oksid (ZnO, NM110-hydrophylic og NM111-hydrofobe) og Karbonbaserte nanomaterialer som Karbonnanorør (A32 og A106, se Tabellen for materiale).
Vurdering av spredning kvalitet på forskjellige tidspunkt langs sonication prosessen er laget ved hjelp av ulike karakterisering teknikker, nemlig DLS for partikkel størrelse/størrelse distribusjon, plate sentrifugering for størrelsesDistribusjon, ELS for zeta potensial, UV-vis spektroskopi for stabilitet og TEM for partikkel formen og homogenitet. En rekke forskjellige nanomaterialer mellom metalloksider Karbonbaserte evalueres. Til sammenligning brukes kommersielle vandig suspensjon av silver nanopartikler (Ag NPs) stabilisert med citrate capping parallelt, utlede forventet langsiktig stabilitet av en relevant kommersielt tilgjengelig suspensjon. Selvfølgelig denne Ag NPs-modellen er ikke direkte relatert til noen av spredning prosedyrene men fungerer kun for å angi behovet for å sonicate eller å stabilisere av suspensjon etter en tid lagringsplass endringer re agglomeration er bundet å oppstå under lagring. Suspensjon oppbevares i kjøleskapet i to måneder. I denne perioden kjennetegnes spredning for å identifisere potensielle agglomeration av partikler. Resultatene viser en ustabil suspensjon (som beskrevet under resultater ). Deretter er denne spredningen mer utsatt for forskjellige sonication behandlinger, lik den andre nanomaterialer brukes i studien. Formålet med undersøkelsen er å bekrefte at vi kan de agglomerate suspensjon gjennom den samme sonication-protokollen. Ag NPs modellen kan dermed knyttes som målestokk for langsiktige studier som representerer re spredning av partikler i optimalisert form.
Dispersjon protokollene presenteres her har noen likhetstrekk til dem utgitt i tidligere litteratur og inneholder noen av noen anbefalinger tidligere fra siste arbeidere7,21,22,23 ,24,25. I denne studien, en systematisk og step-wise tilnærming til å overvåke spredning kvalitet i spredning protokollen. Denne tilnærmingen forplikter sanntid karakterisering av nanomaterial-dispersions for å identifisere optimal eksperimentelle spredning forhold (figur 1).
Figur 1. Flytskjema som viser ordningen og step-wise rekkefølgen av spredning protokollen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Det endelige målet med undersøkelsen er å utvikle en strategi som ville tillate identifikasjon av optimale sonication forutsetninger for at dispersions av et valgt antall nanomaterialer i vann. Forsøkt her å nøye dokumentere protokollen trinnene og parametere under sonication for å oppfylle hullene tidligere identifisert i vurderinger også om følge anbefalingene er gjort i de siste15. Optimal spredning betingelsene identifiseres karakterisere dispersions etter hver sonication syklus og utvalg stabilitet og ensartethet. Virkningen av sonication prosedyrer og stabilitet status vurderes basert på de karakteristiske endringene i mekanisk-nøkkelegenskaper for nanomaterialer, som bestemmes av ulike analytiske teknikker: DLS, ELS, UV-vis og TEM. Gjeldende protokollen er en tilpasset metodikk for spredning av nanomaterialer fra siste litteraturen og andre forskning prosjekter21,22,37,38,39 med noen endringer og forbedringer nøkkel hull, skritt og deres anvendbarhet til bredere nanomaterialer av lignende overflate profil7. Forsiktig justeringer er imidlertid nødvendig med hensyn til deres sonication tid, styrke og type for sin søknad til andre nanomaterialer. Videre arbeid må også etablere en sammenheng mellom sonication prosedyre og biologiske aktivitet nanomaterialer. Seks forskjellige typer nanomaterial dispersions evalueres og forhold, hovedsakelig for sin stabilitet, bruker ultralydbad og en ultralyd probe utstyrt med en flaske diskanthøyttaler på angitt tidspunkt. For å opprettholde suspensjon renhet og noen utilsiktede endringer forårsaket på grunn av forurensning, unngås sonde sonication her. I hetteglass diskant holdes hetteglass lukket. Dette eliminerer eventuelle krysskontaminering av prøvene.
Kalibrering av sonicators er en nøkkelfaktor siden det finnes en rekke sonicators med forskjellige frekvenser, amplitude og krefter. For å bestemme effektiv akustisk energi levert til suspensjon, utføres kalibrering av sonicators ved hjelp av calorimetry. Akustisk kraften leveres for 70% amplituden innstillingen for medisinglass diskant og som for 100% ultralydbad innstillingen er beregnet til < 1 W (0,75 ± 0,04 W og 0.093 ± 0,04 W, henholdsvis). Men ytelser angitt av produsentene for medisinglass diskant og bad sonicator er 200 W og 80 W, henholdsvis. Dette angir at til tross for den høye strømkilden, mesteparten av energien som går tapt ved generering av cavitational bobler og bare en liten brøkdel faktisk leveres til spredning under behandling26. Nyere studier har understreket viktigheten av cavitational Målestyring sammenlignet med inngangseffekt av sonicator for en bedre spredning kontroll under sonication8. Metodene vises lovende for kontrollert spredning av svært delikat nanomaterialer som CNTs og anbefales for framtidige studier.
Hver teknikk som brukes i studien er basert på en annen måte med begrensninger til alle. Distribusjonslister er ikke en ideell teknikk for ikke-sfærisk suspensjoner som svært polydisperse systemer. Under slike forhold anbefales DCS på grunn av høy oppløsning, nøyaktighet og presisjon40. DCS kan helt skille svært smale størrelse distribusjon topper som avviker ved så lite som 3%. TEM gir direkte bilder av nanopartikler og er et flott verktøy for fastsettelse av aggregering, spredning, størrelsen og formen på partikler, men teknikken krever eksempel tørking som kan føre til gjenstander41. Dette kan fjernes ved å vaske rutenett med ultrapure vann som omtalt i trinn 4.5.3.
Blant andre fremhever metodikken noen avgjørende skritt som type ampuller brukes i protokollen, nedsenking dybde og plasseringen av ampullene i ultralydbad samt medisinglass diskant. Temperaturkontroll av systemet under omrøring er en viktig parameter. Hyppige vannbytter i ultralydbad og pulserende modus kjører i hetteglass diskanthøyttaler anbefales å unngå noen heten bygge under sonication, og dermed unngår noen eksempel endringer. Pre wetting trinnet for hydrofobe prøver som sink oksid bidrar til spredning av partikler, men dette kan forårsake noen uønskede endringer. Sonication tid og energi som bør være høyt nok til å fjerner agglomerate partikler, men ikke for mye at det bryter partikler. Resultatene indikerer at samlingen av planeter brudd er avhengig partikkel type.
Våre funn markere betydningen av har en detaljert spredning protokoll, som resultatene viser at fysikalsk-kjemiske egenskaper kan potensielt endres under sonication prosessen, som regulert av faktorer som sonicator type sonication varighet tid og power output. Resultatene har vist at prøven integritet er potensielt kompromittert på høyere intensitet agitasjon. Resultatene viser at CNTs er svært følsomme for omrøring, så skader er svært sannsynlig når sonication varighet og styrke er endret. Nær optimale innstillingene for spredning av CNTs er mellom 2-15 min med ultralydbad og bare 2 minutter med den ultralyd proben. Men kan ultrasonication fremdeles ha forårsaket noen nanotube shortenings, som ikke kan kvantifiseres nøyaktig her. Distribusjonslister kan ikke være en ideell teknikk for karakterisering av CNTs men det fortsatt kan gi etter diameter for nanorør og disse dataene kan være informativ av forskjellene i lengden distribusjoner av CNTs blant ulike eksempler16, 42,43. Tidligere studier viser at spredning protokollen for CNTs kan forbedres ved tilsetning av tensider som surfactant molekyler absorberes på nanotube monolayer, noe som gir en barriere for brudd på grunn av sonication35, 44. men dette kan ikke sammenlignes direkte til stede protokollen som ingen tensider er involvert i dette tilfellet. Det er viktig å merke seg at sikre lengde størrelsesDistribusjon ved CNTs er svært viktig, som størrelsesforholdet er ofte forbundet med visse toksikologiske svar. I kontrast, CeO2 ga enn CNTs, i som langvarig sonication ganger ultralydbad eller sonde, føre til dannelse av primære partikler. Forskjellen i funn mellom CNT og CeO2 fremhever betydningen å skreddersy spredning protokoller f.eks, optimalisere sonication tid og strøm utgang, i henhold til starter materiale dvs, type nanomaterial pulver. Hver nanomaterial pulver prøven er forskjellig, som det vil være forskjellige grader av agglomeration innen pulveret seg. I visse tilfeller resultert de agglomeration prosessen har i den de agglomeration opp primære partikler nivå, som tydelig av fremveksten av andre formet partikler i TEM bilder, som ikke var synlig før sonication trinnet. Langvarig sonication resulterte i kontinuerlig bryte cerium-oksid agglomerates i forskjellige vinkler dermed fører til mangesidig partikler.
Når det gjelder kommersielt kjøpte vandig utvalg av Ag NPs dispersions understreke våre funn også behovet for langsiktig stabilitet og ensartethet vurdering. Det er en nød å sikre at dispersions har vært tilstrekkelig preget før å bruke, spesielt i tilfeller av langsiktig lagring. Imidlertid har nanomaterialer kort holdbarhet. De alder med tid og oppføre seg annerledes etter langtidslagring sammenlignet med en nylaget spredning.
Resultater her fremheve behovet for en harmonisert strategi for å identifisere en optimalisert protokoll for ulike nanomaterialer. Presentert foreslåtte strategien er å utføre forskjellige varianter i metoden sonication og å sikre at dispersions på ulike tidspunkt kjennetegnes tilstrekkelig med komplementære analytiske metoder. Vekt på bruk av en multi-metoden tilnærming til karakterisere og overvåke spredning kvalitet gjennom tid og annen eksperimentelle forhold har blitt fremhevet av siste arbeidere45. Selv om ulike metoder for sonication har blitt presentert for å imøtekomme til bestemte nanomaterial spredning i studien, kan potensielt de brukes som grunnlag til å spre andre metall og metall oksid nanomaterialer (av lignende overflate egenskaper) i vann. Men krever har noen endring i enten nanomaterial type eller flytende medium behovet for å optimalisere den grunnleggende protokollen, som kan gjøres med forsiktig justering av ulike faktorer f.ekssonication tid, styrke og sonicator type. Uansett hva protokoll er valgt og identifisert som optimalt, det er alltid har en detaljert rapport på ordningen og step-wise rekke prosedyren sonication spredning. Dette er viktig å forbedre interpretability og sammenlignbarhet. Et av programmene i denne protokollen er å forenkle data sammenlignbarhet blant andre laboratorier fører til en harmonisert og standardisert tilnærming for fremtidige studier. Parameterne for gjeldende metodikk og kontroll kan benyttes for andre dispersing medier fra vann og sammenligninger kan trekkes på et enkelt tilfelle.
The authors have nothing to disclose.
Forskningen førte til disse resultatene har mottatt finansiering fra NE/J010783/1. Prosjektet NanoValid har fått støtte fra EUs syvende Program for forskning og teknologisk utvikling demonstrasjon under grant avtalen nr. 263147.
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 |