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Química

Nanopartikel-Tracking-Analyse von Gold-Nanopartikeln in wässrigen Medien durch einen interlaborativen Vergleich

Published: October 20, 2020
doi:
10.3791/61741
, , , , , , , , , , , , , ,
1School of Geography, Earth and Environmental Sciences,University of Birmingham, 2Malvern Panalytical, 3Department of Materials,University of Oxford, 4Wageningen Food Safety Research, 5UK Centre for Ecology & Hydrology, 6Institute for Next Generation Material Design,Hanyang University, 7Department of Chemistry, College of Natural Sciences,Hanyang University, 8UK Centre for Ecology & Hydrology

Summary

Das hier beschriebene Protokoll zielt darauf ab, den hydrodynamischen Durchmesser sphärischer Nanopartikel, genauer gesagt Gold-Nanopartikel, in wässrigen Medien mittels Nanopartikel-Tracking-Analyse (NTA) zu messen. Letzteres beinhaltet die Verfolgung der Bewegung von Teilchen aufgrund der Brownschen Bewegung und die Implementierung der Stokes-Einstein-Gleichung, um den hydrodynamischen Durchmesser zu erhalten.

Abstract

Im Bereich der Nanotechnologie spielt die analytische Charakterisierung eine entscheidende Rolle beim Verständnis des Verhaltens und der Toxizität von Nanomaterialien (NMs). Die Charakterisierung muss gründlich sein, und die gewählte Technik sollte gut für die zu bestimmende Eigenschaft, das zu analysierende Material und das Medium, in dem sie vorhanden ist, geeignet sein. Darüber hinaus müssen die Funktionsweise und Methodik des Instruments gut entwickelt und vom Benutzer klar verstanden werden, um Fehler bei der Datenerfassung zu vermeiden. Abweichungen in der angewandten Methode oder Vorgehensweise können zu Unterschieden und einer schlechten Reproduzierbarkeit der erhaltenen Daten führen. Dieses Papier zielt darauf ab, die Methode zur Messung des hydrodynamischen Durchmessers von Gold-Nanopartikeln mittels Nanopartikel-Tracking-Analyse (NTA) zu klären. Diese Studie wurde als Laborvergleich (ILC) zwischen sieben verschiedenen Laboratorien durchgeführt, um die Leistung und Reproduzierbarkeit des Standardbetriebsverfahrens zu validieren. Die Ergebnisse dieser ILC-Studie zeigen die Bedeutung und den Nutzen detaillierter Standard-Betriebsverfahren (SOPs), Best Practice-Updates, Benutzerwissen und Messautomatisierung.

Introduction

Nanomaterialien (NMs) können sowohl in physikalischen als auch in chemischen Eigenschaften variieren, die wiederum ihr Verhalten, ihre Stabilität und ihre Toxizität beeinflussen1,2,3,4,5. Eine der größten Schwierigkeiten bei der Entwicklung eines gründlichen Verständnisses der NM-Eigenschaften, -Gefahren und -Verhaltensweisen ist die Fähigkeit, reproduzierbare Informationen über physikalische und chemische Nanomaterialeigenschaften zu erhalten. Beispiele für solche physikalischen Eigenschaften sind Partikelgröße und Größenverteilung6,7,8. Dies sind wichtige Parameter, da sie ein Schlüsselaspekt der Definition des Begriffs “Nano”9durch die Europäische Kommission (EG) sind.

Die Erzielung präziser Partikelgrößenmessungen ist auch für viele verschiedene Industrie- und Forschungsanwendungen und -prozesse von entscheidender Bedeutung, zusätzlich zum Verständnis der Schicksals- und Toxizitätseffekte von NMs6,10. Es ist wichtig, über gut etablierte Methoden zu verfügen, die in der Lage sind, die Größe von NMs genau, zuverlässig und reproduzierbar zu messen. Darüber hinaus sollten die gemeldeten Informationen ein tiefes Verständnis der verwendeten Technik vermitteln, z. B. die Art des Größenparameters (z. B. tatsächliche Größe oder hydrodynamische Größe) sowie die Probenbedingung, z. B. das spezifische Medium, in dem das NM vorhanden ist, und für die Methode, die in verschiedenen Medien zuverlässig funktioniert. Um die Größe zu messen, können eine Reihe von Techniken eingesetzt werden, darunter Elektronenmikroskopie (EM), dynamische Lichtstreuung (DLS), einzelne partikelinduktiv gekoppelte Plasmamassenspektrometrie (spICP-MS), Differentialzentrifugalsedimentation (DCS), Scan-Sondenmikroskopie (SPM), Kleinwinkel-Röntgenstreuung (SAXS) und Nanopartikel-Tracking-Analyse (NTA).

NTA ist eine relativ neue Technologie, die in den letzten Jahren weit fortgeschritten ist und nachweislich den hydrodynamischen Durchmesser sphärischer NMs in komplexen wässrigen Medien, wie z. B. Mit Umweltrelevanz, z. B. Süßwassersystemen, zuverlässig misst. Der hydrodynamische Durchmesser ist “die Größe einer hypothetischen harten Kugel, die auf die gleiche Weise diffundiert wie die des zu messenden Teilchens”11; in der Praxis und in wässrigen Medien beschreibt dies einen Durchmesser, der größer ist als der des Teilchens selbst, der auch eine Schicht von Molekülen (meist Wasser) umfasst, die durch schwache elektrostatische Kräfte an der Oberfläche des Teilchens gehalten werden. Der hydrodynamische Durchmesser eines Teilchens variiert in verschiedenen Medien und wird kleiner, wenn die Ionenstärke der Medien, in denen es gemessen wird, höher wird.

Ein weiteres wichtiges Merkmal der NTA-Technik ist, dass sie es dem Analytiker ermöglicht, zahlengewichtete Größenmessungen zu erreichen, die im Rahmen der EG-Nanomaterialdefinition erforderlich sind. Die analyse mit hoher Auflösung, Partikel für Partikel, macht diese Technik weniger anfällig für Interferenzen, die durch Agglomerate oder größere Partikel verursacht werden, wenn sie in einer heterogenen Testprobe mit einer hohen Partikeldurchsatzrate10,12vorhanden sind.

Das Messverfahren besteht in der Vorbereitung einer geeigneten Suspension der Probe, die oft eine Verdünnung der Probe erfordert, gefolgt von einer Videoaufzeichnung des Brownschen Bewegungsverhaltens der Teilchen und einer Videoanalyse. Aus der Probenkammer wird ein Laserstrahl übergeben und die Suspensionspartikel im Pfad des Laserstrahls streuen Licht, was zu ihrer Visualisierung mit einem optischen Mikroskop mit montierter Kamera führt. Die Kamera erfasst eine Videodatei des gestreuten Laserlichts von den Partikeln, die sich unter Brownian-Bewegung bewegen. Viele Teilchen können einzeln verfolgt werden, um ihre Diffusionskoeffizienten zu bestimmen, und ihre hydrodynamischen Durchmesser können mit der Stokes-Einstein-Gleichung berechnet werden: d = kT/3-D, wobei d der hydrodynamische Durchmesser ist, k ist die Boltzmann-Konstante, T ist die Temperatur, η ist die Viskosität und D ist der Diffusionskoeffizient10. NTA kann auch verwendet werden, um das Aggregationsverhalten von Partikeln zu verfolgen, die im Allgemeinen umgangssprachlich instabil sind (die Partikel müssen jedoch über die Messzeitskala hinweg kolloidal stabil sein)13,14. NTA ist eine absolute Methode und es ist keine Systemkalibrierung auf dem bei dieser Arbeit verwendeten Gerät erforderlich. Wenn Anwender die Systemleistung überprüfen möchten, kann dies einfach durch die Messung von Größenstandardmaterialien so häufig wie gewünscht erfolgen.

Das NTA-Instrument ist mit schneller Analysezeit (unter 10 min pro Probe) einfach zu bedienen. Bei qualitativ hochwertigen Messungen mit guter Datenwiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit sollten sowohl bei der Probenvorbereitung als auch im Gerätebetrieb eine Reihe von Faktoren berücksichtigt werden. Wenn solche Faktoren nicht sorgfältig berücksichtigt werden, können Messungen an demselben Material in verschiedenen Laboratorien und Betreibern unbekannten oder schlecht quantifizierten Unsicherheiten unterliegen. Während der NP-Charakterisierung garantiert die Verwendung von Best Practices im eigenen Haus entwickelte SOPs nicht immer die Konsistenz mit anderen Laboratorien, wie Roebben et al. für die DLS-Technik15zeigen.

Tatsächlich zeigte eine frühe (erste Runde) NTA ILC zwischen verschiedenen Laboratorien, Anwendern und Instrumenten inkonsistente Ergebnisse. Eines der Hauptprobleme war die Verwendung verschiedener älterer Altinstrumente, die keine regelmäßigen Dienste oder Kalibrierungsprüfungen hatten, sowie Unterschiede in der Methodeninterpretation. Eine NTA ILC-Studie von Hole et al. fand heraus, dass die Variabilität zwischen Laboratorien auch bei relativ monodispersenProbengroß sein kann, da keine gemeinsamen Richtlinien für die Verwendung eines Systems und die Vorbereitung von Proben bestehen. Dies und die Ergebnisse der ersten Runde des ILC unterstreichen die Notwendigkeit einer guten Instrumentenwartung sowie Methodenschulungen und gut entwickelter Standardbetriebsverfahren (SOPs). Letztere dienen als ein leistungsfähiges Instrument, um die Einhaltung bewährter Verfahren zu beschreiben und zu dokumentieren. Bei detaillierten Angaben können Standard-Betriebsverfahren (SOPs) Klarheit, Erklärung, Verständnis, Standardisierung und Qualitätssicherung bieten.

Die Empfehlung für die Annahme einer ILC-Studie ist daher ideal für die Entwicklung und Prüfung von Protokollen16. Die ILC-Übung wirkte, um dieses spezifische NTA-SOP zu validieren und brachte somit Vertrauen und Klarheit in diese spezifische Nanomaterial-Risikobewertungsmethode ein. Es handelte sich um drei Runden. Runde 1 analysierte 60 nm Gold-Nanopartikel auf den eigenen Instrumenten jedes Teilnehmers vor dem Training. Runde 2 beinhaltete die Analyse von 100 nm Latex mit einem neuen Instrument mit gemeinsamer Konfiguration als einfachen Test, um festzustellen, ob das Instrument richtig eingerichtet war und die Benutzer gute Kenntnisse über die Verwendung des Instruments hatten. Runde 3 umfasste die Analyse von 60 nm Gold-Nanopartikeln am neuen Instrument mit gemeinsamer Konfiguration nach dem Training. Die Teilnehmer an der ILC kamen aus sieben verschiedenen Labors, alle Konsortiumsmitglieder des Horizon 2020 ACEnano Projekts17.

Ziel dieses Artikels ist es, die Methode und die Ergebnisse einer dritten Benchmarking-Runde für die NTA-Technologie zu diskutieren, bei der 60 nm Gold-NPs von sieben Partnern nach eingehender Schulung und SOP-Entwicklung neu analysiert wurden. Es werden auch Vergleiche und Verweise auf die Ergebnisse der ersten Runde des ILC vorgenommen. Alle Analysen aus Runde 3 von ILC wurden mit demselben Instrument (siehe Materialtabelle) mit identischer Konfiguration durchgeführt, die mit einem 405 nm Laser und einer hochempfindlichen sCMOS-Kamera geliefert wurde. Benchmarking bewertet die Leistung der Technologie auf Proben und führt daher zur Entwicklung von “Best-Practice”-Protokollen. So teilt und stellt dieser Artikel auch die NTA-Methode für das in diesem ILC verwendete Instrument für die wissenschaftliche Gemeinschaft zur Verfügung, da sie durch die Durchführung und Bewertung der ILCC nach internationalen Standards harmonisiert wurde.

Protocol

Die hier beschriebene Methodik wurde für die dritte Runde der Interlaborationsvergleiche verwendet. 1. Probenvorbereitung Filtern Sie Das Wasser durch einen Spritzenfilter von 0,02 m. Die Wasserfiltration ist notwendig, um Kontaminationspartikel zu entfernen, bevor sie zur Probenverdünnung verwendet werden. Um eine frisch zubereitete Probe zu analysieren, verdünnen Sie eine Probe von 60 nm Goldkolloiddispersion volumentrisch um den Faktor 50 in gefiltertem Reinstwasser. Die empfohlene Konzentration für die NTA-Analyse beträgt 1 x 107 – 1 x 109 Partikel pro ml. 2. Durchführung der Messung Einschalten des Systems Schließen Sie das NTA-Instrument, die Spritzenpumpe und den Computer an. Schalten Sie die Hardware und Software ein. Die zugehörige Software (siehe Tabelle der Materialien) stellt sicher, dass die gesamte Hardwarekommunikation ausgeführt wird und eine Live-Temperaturanzeige angezeigt wird. Entfernen Sie das Lasermodul aus dem NTA und trocknen Sie mit einem Gewebe und Druckluft die Glasoberflächen und die internen Kanäle, Schläuche und Fluidanschlüsse der Low Volume Flow Cell (LVFC) vollständig. Grundieren der Schläuche Spülen Sie die Einlass-Fluidrohre mit reinem Reinstwasser, um Partikel zu entfernen und die Wahrscheinlichkeit von Luftblasen zu verringern, die die Messungen stören würden. Zum Spülen wird das Ende des Einlassschlauches im Gerätegehäuse in einen Abfallbehälter gelegt. Legen Sie eine 1 ml Spritze (ohne Nadel) gefilterten Wassers in den Luer-Anschluss ein und schieben Sie die Flüssigkeit so schnell wie es der Gegendruck zulässt, mit einer Flüssigkeit von 900 l durch den Einlassschlauch. Lassen Sie die Spritze mit der restlichen Flüssigkeit anhängen, um ein Absaugen zu verhindern. Spritzenpumpenschlauchanschluss Montieren Sie die LVFC auf das Lasermodul, um die Probenkammer zu erstellen, wie in Abbildung 1dargestellt. Befestigen Sie den Auslassschlauch am rechten Seitenanschluss des LVFC.HINWEIS: Die Ein- und Auslassschläuche unterscheiden sich in den Durchmessern, wobei der Einlass kleiner ist als der Auslass. Das Tauschen der Einlass-Auslass-Schlauchverbindung kann dazu führen, dass die Durchflusszelle unter Druck gesetzt und und undundicht wird. Trennen Sie die Spritze vom Einlassschlauch und tauschen Sie eine neue Spritze mit 1 ml gefiltertem Wasser aus, um einen Flüssigkeits-zu-Flüssigkeits-Kontakt zu gewährleisten. Schließen Sie den Einlassschlauch an den linken Port der LVFC an. Führen Sie langsam 500 l Flüssigkeit in die Probenkammer ein. Achten Sie darauf, dass während des Ladens keine Luftblasen entstehen. Die endgültige Rohrkonfiguration ist in Abbildung 2dargestellt. Abbildung 1: Low Volume Flow Cell-Baugruppe, die auf einem Lasermodul montiert ist.  Abbildung 2: Konfiguration von Rohren mit geringem Volumendurchfluss. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Lasermodulbeladung und Systemprüfung Setzen Sie das Lasermodul mit dem mit Wasser gefüllten LVFC in das Gerät ein und verriegeln Sie es. Legen Sie die Spritze in die Spritzenpumpe Wiege und sichern. Initialisieren Sie die Kamera, indem Sie in der Software-Oberfläche auf Kamera starten klicken. Klicken Sie auf der Registerkarte Hardware der Schnittstelle auf Streuung, um die Referenzposition zu verschieben. Stellen Sie den Kamerapegel auf 16 ein, und passen Sie den Fokus manuell an, um das Verdünnungselement auf Partikel zu überprüfen. Passen Sie die Position des Ansichtsfelds an, indem Sie mit der linken Maustaste auf das Hauptanzeigefenster klicken und mit der Maus nach oben und unten ziehen, um nach Partikeln zu suchen. Wenn sich mehr als drei Partikel im Sichtfeld befinden, bedeutet dies ein Problem mit der Wasserreinheit oder dem Reinigungsprozess, und daher muss der Reinigungsprozess wiederholt oder das Wasser ersetzt oder gefiltert werden. Entfernen Sie das Lasermodul aus dem Gerät. Trennen Sie die Spritze vom Einlassschlauch und ersetzen Sie sie nur durch eine Spritze voller Luft. Führen Sie die Luft langsam in die Probenkammer ein, um die Flüssigkeit im Inneren zu entfernen. Entfernen Sie die LVFC aus dem Lasermodul und trennen Sie die Schläuche. Reinigen Sie die Glasoberflächen des LVFC und das optische Glas des Lasermoduls mit Wasser und trocknen Sie mit Gewebe und Druckluft. Trocknen Sie die Schläuche mit Druckluft. Montieren Sie den LVFC wieder auf das Lasermodul und schließen Sie den Schlauch an, bereit für die Probenbeladung.HINWEIS: Dieser Schritt ist nicht immer erforderlich, wurde jedoch in diesem Fall als zusätzliche Vorsichtsmaßnahme hinzugefügt, um mögliche Abweichungen weiter zu reduzieren. Ladeprobe Wiederholen Sie Schritt 2.2.2. Schließen Sie eine Spritze mit 1 ml der 60 nm Gold-Nanopartikeldispersion in Schritt 1.1 an den Luer-Port an. Injizieren Sie langsam 750 l der Probe in die LVFC über den Einlassschlauch mit dem Lasermodul, das außerhalb des Instruments betrachtet wird, um sicherzustellen, dass keine Blasen eingeführt werden. Laden Sie das Lasermodul zurück zum NTA-Instrument und initialisieren Sie die Kamera, indem Sie in der Software-Schnittstelle auf Kamera starten klicken. Klicken Sie auf der Registerkarte Hardware der Schnittstelle auf Streuung, um zur Referenzfokusposition zu wechseln, und überprüfen Sie, ob diese Einstellung korrekt ist, um ein klares Bild der Partikel zu erhalten. Prüfen Sie, ob das Sichtfeld zentral in Bezug auf die Laserstrahlposition eingestellt ist. Passen Sie entsprechend an, indem Sie mit der linken Maustaste auf das Hauptfenster in der Software klicken und die Maus nach oben und unten ziehen. Führen Sie die AutoSetup-Funktion aus, um den Fokus und die Kameraebene automatisch zu optimieren, um sicherzustellen, dass die optimale Bildqualität erreicht wird.HINWEIS: Die automatischen Kamera- und Fokusparameter ermöglichen mehr Konsistenz zwischen den verschiedenen Labors, da dies benutzerunabhängig ist. Beispielanalyse Erstellen Sie ein Messskript in Standardmessung, SOP-Registerkarte, um 5 Wiederholungsvideos von 60 s unter langsam (Partikel sollten von einer Seite des Bildschirms auf die andere in etwa 10 s) und konstanten Fluss(Ergänzungsdatei 1)zu erhalten.HINWEIS: Es wird empfohlen, eine bessere Darstellung der Gesamtprobe für die Messung zu gewährleisten. Präzision und Wiederholbarkeit von Konzentrationsmessungen werden deutlich verbessert, wenn ein langsamer Durchfluss auf die Probe gebracht wird, um sicherzustellen, dass eine größere Anzahl neuer Partikel durch die Messzone fließt und während eines Experiments analysiert wird. Die Videolänge hängt von der Profilverteilung und der enzwertisieren der Analysezeit ab. 5 Videos von 60 s gelten als typische Messdauer. Legen Sie den Namen und speicherort der Experimentdatei für die Daten fest, und starten Sie die Ausführung. Die Analyse nach dem beschriebenen Verfahren wurde von den sieben Laboratorien des Projekts Horizont 2020 ACEnano17durchgeführt. 3. Datenanalyse HINWEIS: Alle Datenanalysen wurden innerhalb der V 3.4-Software durchgeführt (siehe Materialtabelle), es werden keine zusätzlichen manuellen Konvertierungen oder Berechnungen verwendet. Die Partikelgrößendaten werden in Rohform als Histogrammverteilung dargestellt und aus der gemessenen Positionsänderung des Teilchens mit der Stokes-Einstein-Gleichung berechnet. Die Software bestimmt die durchschnittliche Entfernung, die von jedem Teilchen in der x- und y-Ebene bewegt wird. Mit diesem Wert kann der Partikeldiffusionskoeffizient (D) bestimmt werden, aus dem, wenn die Probentemperatur T und die Lösungsmittelviskosität η bekannt sind, der entsprechende kugelförmige hydrodynamische Radius, RH, der Partikel berechnet werden kann. Die Temperatur der Probe wird automatisch vom NTA aufgezeichnet. Die von der Software verwendete Standard-Probenviskosität ist für Wasser und ist in dem oben gezeigten Messskript enthalten, obwohl die Viskosität vom Benutzer geändert werden kann, wenn verschiedene Probenverdünnungsmittel verwendet werden, entweder vor oder nach der Messung. Legen Sie den Erkennungsschwellenwert (DT) fest, indem Sie den Schieberegler ziehen oder auf die Schaltflächen + und – in der Software unter Erkennungsschwellenwertklicken, der Analyseparameter für eine optimale Verfolgung der visualisierten Partikel zwischen 2 und 20 ist. Stellen Sie sicher, dass der gewählte DT-Wert so viele sichtbare Partikel wie möglich identifiziert und nachverfolgt (automatisch als rote Kreuze auf dem Softwarebildbildschirm markiert). Als Richtschnur für die Festlegung des Nachweisschwellenwerts sollte die Anzahl der identifizierten Partikel in einem Bild im Bereich von etwa 30-80 liegen, wobei nicht mehr als 10 rote Kreuze Standorten entsprechen sollten, die vom Beobachter nicht als Teilchen betrachtet werden. Es sollten nicht mehr als 5 blaue Kreuze (Lärm) beobachtet werden. Abbildung 3: Beobachtungen zur Schwellenwerteinstellung. Eine schlechte (links) und gute (rechte) Erkennungsschwelle Einstellung Beobachtung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Verarbeiten Sie die Partikelverfolgungsanalysevideos automatisch, indem Sie die Process-Taste in der Software drücken. Belassen Sie alle Verarbeitungsparameter, die auf automatisch eingestellt sind, und exportieren Sie die Daten als .csv-Format-Ergebnisdatei mit der vollständigen Partikelgrößenverteilung und zusätzlichen Metadaten, die die Messeinrichtung beschreiben. Um die Messqualität zu überprüfen, sehen Sie sich die Registerkarte Analysieren in der Software an, oder überprüfen Sie die .csv Ausgabedatei auf Warnungen oder Warnungen. Ein Beispiel für den PDF-Ergebnisbericht ist in der Ergänzenden Datei 2 dargestellt. Lesen Sie die Ergebnisse der Modusgröße und die zugehörige Standardabweichung vom PDF-Bericht.ANMERKUNG: Die Ergebnisse der Modusgröße wurden verwendet, um die Größen der sieben Laboratorien zu vergleichen und werden in Abschnitt 5 dargestellt und erörtert. 4. Reinigung und Trocknung Nach Gebrauch das System gründlich mit sauberem Wasser spülen, um alle Probenspuren von den Schläuchen und optischen Oberflächen zu entfernen. Die Reinigungswirkung kann durch Beobachtung der Partikelmenge im Sichtfeld überwacht werden. Entfernen Sie das Lasermodul aus dem NTA-Instrument. Laden Sie eine Spritze Luft durch das System, um den Schlauch und den LVFC zu entleeren.

Representative Results

Die ROUND 1 ILC-Ergebnisse mit verschiedenen NTA-Instrumentenkonfigurationen sind in Abbildung 4dargestellt. Mit Ausnahme von Lab 6 war die Wiederholbarkeit zwischen den 5 Aufnahmewiederholungen gut, aber mehrere Labore verzeichneten eine Modusgröße, die höher als erwartet war. Die Ergebnisse von Lab 6 zeigten eine schlechte Wiederholbarkeit und eine viel höhere Modusgröße, gemessen. Nach der Untersuchung wurde festgestellt, dass die Systeme, die die größten Größenschwankungen meldeten, entweder nicht wie empfohlen beibehalten wurden oder dass die Analyse durch Inkonsistenzen bei der Probenvorbereitung beeinflusst wurde, wobei der Verdünnungsschritt zu Abweichungen führen kann, die durch unterschiedliche Pipettiergeräte, Benutzerbedienung und -technik verursacht werden können, und/oder Die Messung eingerichtet wurde, einschließlich der nicht sauberen Durchflusszelle, der falschen Kameraebene, der verwendeten Kameraebene, der nicht ordnungsgemäß fokussierten Bild und der falschen Einstellung des Analyse-Erkennungsschwellenwerts. Abbildung 4: Ergebnisse der ILC Round 1-Modusgröße. Die Modusgröße ergibt sich aus allen NTA-Benchmarking-Partnern für die Nanopartikeldispersion von Rund 1 60 nm, die auf verschiedenen NTA-Instrumenten durchgeführt wird (wie in der x-Achse abgekürzt). Die NTA-Ergebnisgenauigkeit aus Runde 3 wurde durch alle Laboratorien verbessert, die die gleichen SOP- und Instrumenteneinstellungen implementierten. Die für diese ILC-Runde 3 erzielten Modusgrößenergebnisse sind in Abbildung 5zu sehen. Der durchschnittliche Modus in allen Labors betrug 62,02 ± 1,97 nm. Alle gemessenen Ergebnisse aus Runde 3 waren konsistenter als die Ergebnisse der ersten Stufe, wobei die Ergebnisse deutlich unter 10 % der vom Hersteller angegebenen mittleren Größe von 60,5 nm für die Charge lagen. Der vom Hersteller angegebene Variationskoeffizient für die Goldproben betrug ≤8 %. Abbildung 5: Ergebnisse der ILC Round 3-Modusgröße. Die Modusgröße ergibt sich von allen NTA-Benchmarking-Partnern für 60 nm Gold ILC Round 3, die auf demselben NTA-Instrument analysiert wurden. Der durchschnittliche Modus in allen Labors betrug 62,02 ± 1,97 nm. Zur Überprüfung der Partikelgröße, wie vom Hersteller angegeben, wurde eine kleine Anzahl (N=82) von Partikeln durch Transmission Electron Microscopy (TEM) analysiert. Etwa 10 l der unverdünnten Dispersion wurden auf einem kohlenstoffbeschichteten Cu TEM-Gitter abgeworfen und in der Luft getrocknet, bevor sie in einem analytischen TEM bei 200 kV gezwitschert wurde. Bilder wie Zusatzabbildung 1 wurden aus Bereichen mit minimaler Partikelüberlappung aufgenommen und mit einem halbautomatischen Bildanalyseprozess analysiert. Eine automatische Wasserscheidemethode wurde auf separate Partikel und Artefakte dieses Prozesses sowie auf Randpartikel18angewendet. Der mittlere Durchmesser wurde entweder als Mittelwert aus der Haupt- und Nebenachse (61 ± 7 nm) oder als Umwandlung aus der gemessenen Fläche (62 ± 6 nm) unter der Annahme sphärischer Partikel berechnet. Partikel scheinen meist kugelförmig mit einem durchschnittlichen Seitenverhältnis von 1,1 zu sein. Die TEM-Ergebnisse zeigen einen etwas höheren Durchmesser als der Herstellerwert (60,5 nm), liegen aber innerhalb der Toleranzstufe. Darüber hinaus gibt es eine sehr gute Übereinstimmung mit dem von NTA abgeleiteten Wert des hydrodynamischen Durchmessers. Ergänzende Abbildung 1: TEM-Bild von 60 nm Gold-Nanopartikeln. Bitte klicken Sie hier, um diese Abbildung herunterzuladen. Ergänzende Datei 1: Messskript. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen. Ergänzende Datei 2: Beispiel für PDF-Ergebnisbericht. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Discussion

Die inkonsistenten Ergebnisse der 1. Runde des ILC zeigten die Notwendigkeit von Instrumentenzustandsprüfungen für ältere Systeme sowie die Entwicklung eines detaillierteren SOP, die Notwendigkeit einer praktischen Schulung und ein besseres Verständnis der Mess- und Analyseeinstellungen, um konsistentere Ergebnisse in den verschiedenen Labors zu gewährleisten. Tatsächlich stellten Hole et al. fest, dass das Fehlen gemeinsamer Leitlinien für die Verwendung eines NTA-Systems und die Vorbereitung von Proben selbst bei relativ monodispersen Proben zu einer Variabilität zwischen Laboratorien führte16. Daher nahmen alle ILC-Teilnehmer an einem Schulungsworkshop teil, der die Best Practices für den Systembetrieb und die Messbedingungen sowie die Reinigungs- und Wartungsberatung für das spezifische NTA-Instrument umfasste. Alle Teilnehmer führten auch Messungen am selben Instrument in ihren eigenen Laboren für die nachfolgenden ILC-Runden durch. Das Verfahren umfasste zunächst eine Runde, in der das System lokal in jedem Labor getestet wurde, indem ein ILC auf Latex-Standardproben (ILC Round 2) ausgeführt wurde, bevor es von den Partnern zur Wiederholung der Goldmessungen verwendet wurde (ILC Round 3). Ziel der Messung dieser Goldproben mit Hilfe von NTA war es, Vertrauen und Klarheit in die Methoden und Verfahren zur Risikobewertung von Nanomaterial zu bringen, die erforderlich sind, um die Leitlinien für die Nanosicherheit zu beeinflussen.

NTA ist eine Technik, die den hydrodynamischen kugelförmigen Äquivalentdurchmesser von Partikeln messen kann und für Partikel nach Partikeln, visuelle Echtzeitanalysen von polydispergierten Systemen von 10 nm – 50 nm bis zu einer Größe von ca. 1000 nm (abhängig von den Probeneigenschaften und der Instrumentenkonfiguration) verwendet werden kann. Eine minimale Probenvorbereitung ist erforderlich. Trotz minimaler Probenvorbereitung ist dieser Schritt entscheidend für das Protokoll und es sollte bei der Verdünnung einer Probe und der Wahl eines Verdünnungsmittels große Vorsicht walten. Die Form kann ein begrenzender Faktor in Bezug auf NTA sein, da kugelförmige Äquivalentgrößenmessungen erhalten werden und nicht-sphärische Partikel einen weniger genauen Größenwert aufweisen.

Bei der NTA-Technologie ist immer mit einer gewissen Ergebnisvariation zu rechnen, da nur eine repräsentative Stichprobe aus der gesamten Stichprobe beobachtet wird. Unabhängig davon erfüllen alle Ergebnisse den ISO 19430-Standard für die Partikelgrößen). Die optimale Konzentration liegt in der Regel bei etwa 108 Partikeln/ml innerhalb einer 30-60-Sekunden-Analysezeit. Für Proben mit niedrigeren Partikelkonzentrationen sind längere Analysezeiten erforderlich, um reproduzierbare Ergebnisse zu gewährleisten. Bei Proben mit einer Konzentration von Partikeln von mehr als 109 Partikeln/ml ist die Wahrscheinlichkeit, Probleme zu verfolgen, größer, und Proben müssen bis zu einem geeigneten Bereich für Die NTA-Messung verdünnt werden.

Insgesamt zeigen die Ergebnisse der3. Runde ILC eine gute Reproduzierbarkeit von Gold-Nanopartikelmessungen mit NTA mit erhöhter Genauigkeit und Wiederholbarkeit. Alle NTA-Messungen wurden mit den automatischen Kamerapegel- und Fokuseinstellungen durchgeführt, um das Bild anzupassen, wie es durch die Auto-Setup-Funktion in der Software ausgewählt wurde. Der von der Software festgelegte Kamerapegel war sehr konsistent, wobei in allen Fällen eine Kamerastufe von 10 oder 11 eingestellt wurde, die zeigt, dass wie erwartet, je mehr Automatisierung ein Prozess beinhaltet, desto mehr Konsistenz erreicht wird. Die Größenangaben waren vergleichbar mit denen des Herstellers mittels TEM, was darauf hindeutet, dass die Ergebnisse reproduzierbar waren, jedoch sind von verschiedenen Techniken minimale Unterschiede zu erwarten, da TEM den hydrodynamischen Durchmesser nicht bestimmt. Die signifikante Verbesserung der Konsistenz der Ergebnisse zeigt die Bedeutung und die Vorteile der Gerätewartung, detaillierter SOPs, Best Practice-Updates, Benutzerwissen und angewandter Messautomatisierung für NTA. Abschließend bestätigte die ILC dieses spezifische NTA-SOP und brachte damit Vertrauen und Klarheit in diese spezifische Nanomaterial-Risikobewertungsmethode ein.

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Die Autoren würdigen die finanzielle Unterstützung aus dem von H2020 geförderten Projekt ACEnano (Grant Agreement No 720952). Diese Arbeit wurde teilweise auch durch das vom Ministerium für Handel, Industrie und Energie Koreas finanzierte Internationale Kooperative S&E-Programm (Grant-Nummer N053100009, “Horizon2020 Kor-EU kollaborative R&BD on ACEnano Toolbox”) unterstützt, das die Teilnahme der koreanischen Partner am Konsortium des Horizon 2020 ACEnano-Projekts ermöglichte.

Materials

60 nm gold colloid dispersion BBI Solutions OEM Ltd. Product EM. GC60, Batch number 024650
0.02 µm syringe filter – Whatman Anotop 25 Sterile Syringe Filters Sigma Aldrich WHA68092102
NanoSight Malvern Panalytical Ltd. NS300
NanoSight NTA Software v3.4 Malvern Panalytical Ltd. v3.4
Syringe PP/PE without needle luer slip tip, centered, capacity 1 mL, graduated, 0.01 mL, sterile Sigma Aldrich Z230723
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Referências

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Nanoparticle Tracking AnalysisGold NanoparticlesAqueous MediaInter-laboratory ComparisonHydrodynamic DiameterParticle SizeSample PreparationNTA InstrumentLVFCSyringe PumpCleaningSample LoadingData Acquisition

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Briffa, S. M., Sullivan, J., Siupa, A., Carnell-Morris, P., Carboni, M., Jurkschat, K., Peters, R. J. B., Schultz, C., Seol, K. H., Kwon, S., Park, S., Yoon, T. H., Johnston, C., Lofts, S., Valsami-Jones, E. Nanoparticle Tracking Analysis of Gold Nanoparticles in Aqueous Media through an Inter-Laboratory Comparison. J. Vis. Exp. (164), e61741, doi:10.3791/61741 (2020).
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