Denna studie presenterar benchmarkingresultaten för en interlaboratory jämförelse (ILC) utformad för att testa standarddriftsförfarandet (SOP) som utvecklats för guld (Au) kolloiddispersioner som kännetecknas av ultraviolett synlig spektroskopi (UV-Vis), bland sex partners från H2020 ACEnano-projektet för provberedning, mätning och analys av resultaten.
Den fysikalisk-kemiska karakteriseringen av nanomaterial (NMs) är ofta en analytisk utmaning på grund av deras lilla storlek (minst en dimension i nanoskalan, dvs. 1–100 nm), dynamisk natur och olika egenskaper. Samtidigt är tillförlitlig och repeterbar karakterisering av största vikt för att säkerställa säkerhet och kvalitet vid tillverkning av NM-bärande produkter. Det finns flera metoder tillgängliga för att övervaka och uppnå tillförlitlig mätning av nanoskalerelaterade egenskaper, varav ett exempel är Ultraviolet-Visible Spectroscopy (UV-Vis). Detta är en väletablerad, enkel och billig teknik som ger icke-invasiv och snabb screeningutvärdering i realtid av NM-storlek, koncentration och aggregeringstillstånd. Sådana egenskaper gör UV-Vis till en idealisk metod för att bedöma kompetenstestsystemen (PTS) för ett validerat standardförfarande (SOP) som är avsett att utvärdera prestanda och reproducerbarhet för en karakteriseringsmetod. I detta dokument bedömdes PTS för sex partnerlaboratorier från H2020-projektet ACEnano genom en interlaboratorisk jämförelse (ILC). Standardguld (Au) kolloidala suspensioner av olika storlekar (5-100 nm) kännetecknades av UV-Vis vid de olika institutionerna för att utveckla ett implementerat och robust protokoll för NM-storlekskarakterisering.
Nanomaterial (NMs) har blivit populära på grund av deras unika egenskaper i nanoskalan (1 till 100 nm), som skiljer sig från egenskaperna hos deras bulkmotsvarigheter, antingen på grund av storleksrelaterade eller kvanteffekter (t.ex. ökad specifik yta i volym) tillsammans med distinkt reaktivitet, optisk, termisk, elektrisk och magnetisk egenskaper1,2 . De potentiella tillämpningarna av NMs i samhället är olika och är allmänt relaterade till områden som hälso- och sjukvård, livsmedelsindustri, kosmetika, färger, beläggningar och elektronik3,4,5. Guldnanopartiklar (AuNPs) används i stor utsträckning inom nanoteknik (t.ex. inom hälso- och sjukvård, kosmetika och elektroniska applikationer), främst på grund av deras enkla tillverkning, storleksberoende optiska egenskaper, ytfunktionaliseringspotential och fysikalisk-kemiska egenskaper, som kan vara lämpliga för många viktiga tillämpningar6,7.
Kvalitet och reproducerbarhet vid syntes och karakterisering av NMs är oerhört viktigt för kvalitetssäkring, men också för säker tillverkning av nanobaserade produkter, särskilt på grund av reaktiviteten hos NMs, särskilt i komplexa miljöer, där NM-egenskaper, såsom storleksfördelning och morfologi, kan genomgå snabba förändringar8,9. Många metoder finns tillgängliga för att övervaka nanoskalarelaterade egenskaper. Scanning/transmissionselektronmikroskopi (SEM/TEM) är till exempel tekniker som används för att erhålla optisk och kompositionsinformation om NMs med hög upplösning (ner till subnanometer). Atomkraftmikroskopi (AFM) ger upplösning i nanoskala i den vertikala (z-axeln) dimensionen. och röntgendiffraktion (XRD) ger information om atomstrukturen hos NMs. alla dessa metoder kan endast användas på torra prover (pulver)10,11. Tekniker som är lämpliga för karakterisering av NMs i flytande medier inkluderar fältflödesfraktionering (FFF), vilket gör det möjligt att separera stora molekyler, aggregat och partiklar baserat på deras storlek. Dynamisk ljusspridning (DLS); och nanopartikelspårningsanalys (NTA) – två metoder som ofta används för att bestämma storleksfördelningsprofilen för partiklar med hjälp av brownsk rörelse – och ultraviolett synlig spektrofotometri (UV-Vis), vilket gör det möjligt att bedöma NM-egenskaper som storlek, aggregeringstillstånd och brytningsindex genom en enkel absorptionsmätning11,12,13. Även om alla dessa tekniker tillåter NM-karakterisering är deras prestanda beroende av instrumentinställning, instrumentrelaterade skillnader, komplex metodik för provberedning och användarens kompetensnivå. Dessutom tillåter de flesta av teknikerna inte realtidsövervakning av NM-storlek, provintegritet eller differentiering mellan spridda eller aggregerade partiklar6. UV-Vis spektroskopi är en allmänt använd teknik som ger icke-invasiv och snabb realtidsutvärdering av NM-storlek, koncentration och aggregeringstillstånd. Dessutom är det en enkel och billig process med minimal provberedning, vilket gör denna teknik till ett viktigt verktyg som används i stor utsträckning i många laboratorier inom många discipliner och marknader6,12,14. UV-Vis verkar genom att mäta överföringen av elektromagnetisk strålning av en våglängd mellan 180 och 1100 nm genom ett flytande prov. UV- och VIS-spektralintervallen täcker våglängdsområdet för ultraviolett (170 nm till 380 nm), synliga (380 nm till 780 nm) och nära infraröd (780 nm till 3300 nm)4,14. Våglängden av ljus som passerar genom provcellen mäts. intensiteten av det ljus som kommer in i provet kallas I0, och intensiteten i det ljus som uppstår på andra sidan betecknas som I114. Beer-Lambert-lagen återspeglar förhållandet mellan A (absorbans) som en funktion av provkoncentration C, provutrotningskoefficienten ε och de två intensiteterna14. Absorptionsmätningar kan samlas in vid en enda våglängd eller över ett utökat spektralområde. den uppmätta ljusöverföringen omvandlas till en absorbansmätning genom att följa Beer-Lamberts lagekvation. Standardekvationen för absorbans är A = ľlc, där (A) är den mängd ljus som absorberas av provet för en given våglängd (ľ) är molardämpningskoefficienten (absorbans/(g/dm) är molardämpningskoefficienten (absorbans/(g/dm) är molardämpningskoefficienten (absorbans/(g/dm) är molardämpningskoefficienten (absorbans/(g/dm) är molardämpningskoefficienten (absorbans/(g/dm) är molardämpningskoefficienten (absorbans/(g/dm) är molardämpningskoefficienten (absorbans/(g/dm) är moladämpningskoefficienten (absorbans/(g/dm) är molardämpningskoefficienten (absorbans/3) l) är det avstånd som ljuset färdas genom lösningen (cm) och c) är koncentrationen per enhetsvolym (g/dm3). Absorbansen beräknas som förhållandet mellan ett referensprovs intensitet (I0) och det okända provet (I), enligt beskrivningen i följande ekvation14:
Enkelheten i UV-Vis gör det till en idealisk teknik för att jämföra PTS av ett etablerat mätprotokoll6,12,15. Syftet med en ILC eller PTS är att verifiera prestanda och reproducerbarhet för en metod med hjälp av en SOP15. Detta ger i sin tur ett standardiserat tillvägagångssätt för snabb karakterisering av nanopartikelupphängningar för andra användare.
För att bedöma färdigheten, konsekvensen och tillförlitligheten hos den metod som presenteras här deltog sex laboratorier i ett ILC som medlemmar i Horizon 2020 ACEnano-projektet (https://cordis.europa.eu/project/id/720952). ILC involverade UV-Vis karakterisering av standard Au kolloid dispersioner av olika partikelstorlekar (5-100 nm). En SOP tillhandahölls alla berörda laboratorier för att säkerställa identisk förberedelse av AuNP-avstängningar, utvärdering och rapportering av resultat för att bidra till utvecklingen av en genomförbar och robust nivåindelad metod inom NM-fysikalisk-kemiska karakterisering, datatolkning och förbättring av protokoll för bästa praxis för industriella och regulatoriska behov8.
Flera metoder finns tillgängliga för karakterisering av nanoskalerelaterade egenskaper (t.ex. analytisk ultracentrifugation (AUC), scanningelektronmikroskopi/transmissionselektronmikroskopi (SEM/TEM) och Dynamic Light Scattering (DLS)10,11). Dessa tekniker saknar dock enkelheten i UV-Vis för att få primära resultat i karakteriseringen av NMs12,13. UV-Vis är ett vanligt instrument även i inte så välutrustade laboratorier, vilket gör det till ett oslagbart verktyg för karakterisering av NMs6. När du karakteriserar NMs är det viktigt att ta hänsyn till begränsningarna, styrkorna och svagheterna i de tekniker som ska tillämpas. I UV-Vis-spektrometern passerar ljusstrålen genom provutrymmet vilket resulterar i absorptionsvärden. Till följd av detta kan yttre vibrationer, yttre ljus, föroreningar och användarens prestanda störa mätningen och resultaten4,12. På samma sätt är det viktigt att registrera alla mätningar som behövs för att konstruera kalibreringen när man ritar en kalibreringskurva för att bestämma storleken på ett okänt prov, eftersom saknade faktorer kan bidra till variationer mellan mätningar och användare.
Till exempel kan den stora variationen i det totala Absmax-medelvärdet av det okända provet vara kopplad till skillnader mellan laboratorierna på grund av beroendet mellan strålintensiteten, positionen och själva instrumentet17,18. Dessutom kan de saknade uppgifterna för storleken 100 nm från laboratorium 5, på grund av ett föroreningsproblem, också bidra till de stora skillnaderna mellan resultaten, eftersom de saknade uppgifterna kan ha påverkat kalibreringskurvan och den ritade polynomekvationen som används för att beräkna storleken på den okända AuNP-suspensionen. Visst kan reproducerbarhet mellan protokoll och laboratorier vara komplicerad, eftersom många faktorer kan bidra till bristen på konsekvens i laboratorieaktiviteter, vilket resulterar i att forskare ibland inte kan reproducera resultat från andra laboratorier, vilket kan leda till långsammare vetenskapliga framsteg, bortkastad tid, pengar och resurser19. Den framgångsrika karakteriseringen av fysikalisk-kemiska egenskaper hos NMs, särskilt storlek, kräver en lätt att utföra metod av alla deltagande laboratorier, som mestadels kan åtgärdas genom att följa en systematisk och konceptuell replikering, såsom skapandet av en SOP, instrumentutbildning och undvika användning av felidentifierade eller korsförorenade prover15,19.
På samma sätt är kvaliteten och stabiliteten hos kolloid suspensionen också viktiga faktorer att tänka på, eftersom förändringar i deras fysikalisk-kemiska egenskaper kan leda till olika resultat. För att säkerställa deras stabilitet under längre perioder bör därför nanopartiklar förvaras i mörker vid 4 °C. På samma sätt bör de alikvoterade proverna hållas kalla under leveransprocessen, eftersom långa perioder vid rumstemperatur kan leda till betydande aggregering20. För att övervinna fel i NM-karakterisering är det dessutom nödvändigt att ge åtkomst till de ursprungliga data, protokoll och viktiga forsknings material mellan samarbetande labb, särskilt när du bedömer färdigheter, konsekvens och tillförlitlighet genom en ILC15. Att göra dessa faktorer tydliga och tillgängliga är nyckeln till att uppnå en framgångsrik NM-karakterisering av alla laboratorier eller utrustning. Om man bortser från dessa aspekter kan det leda till brist på reproducerbarhet, noggrannhet och vilseledande eller felaktiga resultat15. Även om UV-Vis spektroskopi har visat sig vara guldstandarden i NM-karakterisering, kan den utnyttjas inom många andra områden eftersom det möjliggör kvantitativ bestämning av ett utökat dynamiskt utbud av lösningar i både oorganiska och organiska föreningar6,21.
Dessutom kan UV-Vis enkelt kombineras med andra verktyg för att mäta ett stort antal attribut, vilket förbättrar kvaliteten på alla analyser22. Baserat på dessa egenskaper används UV-Vis i stor utsträckning inom många områden, t.ex. inom det biofarmaceutiska området genom att mäta UV-Vis-spektra i proteinlösningar med hög koncentration, i miljökontroll när man jämför likheter mellan föroreningar och deras produktrelaterade föroreningar i realtid, i industriella avloppsreningsverk som en del av reglerna för bestämning av avloppsvattenfärg och acceptansnivå22, 23. Visst, när tekniken fortskrider och mer avancerade funktioner och erfarenheter blir tillgängliga i spektrofotometri, kommer ytterligare breddning av applikationer och parametrar som kan mätas med denna teknik att ske22. Till exempel, i fältapplikationer, on-line UV-Vis spektrometri är ett värdefullt verktyg för övervakning av många parametrar i realtid och i olika typer av vätskor, vilket är en exceptionell egenskap bland online sensorsystem22.
ILC som beskrivs här utformades som ett test av SOP utvecklat för UV-Vis bland sex deltagande laboratorier involverade i H2020 ACEnano-projektet. Analysen av resultaten visade att en ILC ger värdefull information för att möjliggöra tekniskt förtroende för en intern metod för NM-karakterisering av varje deltagarlaboratorium. Datainsamling i en etablerad mall bekräftade konsekvens och snabbare tolkning av resultaten och gav en modell för uppskattning av storleken på ett okänt AuNP-prov, som också visade repeterbarhet mellan resultaten när tillräckliga punkter i kalibreringskurvan inkluderades. Dessutom validerade resultaten effektiviteten av UV-Vis för NM-karakterisering samt vikten av att skapa protokoll för bästa praxis. Ett sådant tillvägagångssätt ger ytterligare en möjlighet för det genomförda förfarandet att bidra till utvecklingen av en rättslig ram genom reproducerbara nmkarakteriseringsprotokoll baserade på metodval och datatolkning som är relevanta för ackrediteringstillsynsmyndigheter och forskningsförvaltningsorgan.
The authors have nothing to disclose.
ACQ vill tacka National Council for Science and Technology (CONACyT) i Mexiko för att ha finansierat hennes doktorandstudier. Alla författare bekräftar stöd från Europeiska unionens Horisont 2020-program (H2020) inom ramen för bidragsavtal no 720952, projekt ACEnano (ring NMBP-26-2016).
Absorption Ultra-Micro-cuvette, 200 µL | Hellma | 105.201-QS | |
Cary 5000 spectrophotometer (Spectrophotometer C) | Agilent | Cary 5000 | |
Gold nanoparticles 5 nm | BBI solutions | EM.GC5 | |
Gold nanoparticles 20 nm | BBI solutions | EM.GC20 | |
Gold nanoparticles 40 nm | BBI solutions | EM.GC40 | |
Gold nanoparticles 60 nm | BBI solutions | EM.GC60 | |
Gold nanoparticles 80 nm | BBI solutions | EM.GC80 | |
Gold nanoparticles 100 nm | BBI solutions | EM.GC100 | |
Agilent / HP 8453 (Spectrophotometer E) | |||
Jenway 6800 spectrophotometer (Spectrophotometer A) | Jenway | UV6800 | |
Polystyrene cuvette, 1.5 mL, micro 10 mm pathlength | Sigma | 759015 | |
Polystyrene cuvette, 3 mL (10 mm x 10 mm x 45 mm) | Sarstedt Inc | 67.742 | |
Semi-micro quartz cuvette, 1mL (1 mm x 10 mm x 45 mm) | Agilent | 6610001 | |
Ultrapure water (UPW) (18.2 MΩcm). | / | / | |
UV-1800 spectrophotometer (Spectrophotometer B) | Shimadzu | UV1800 | |
Varian Cary 50 spectrophotometer (Spectrophotometer D) | Agilent | Cary 50 |