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

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Engineering

UV-Vis Spektroskopische Charakterisierung von Nanomaterialien in wässrigen Medien

Published: October 25, 2021

doi:

10.3791/61764

Summary

Diese Studie präsentiert die Benchmarking-Ergebnisse für einen Ringversuch (ILC), der entwickelt wurde, um das Standard Operating Procedure (SOP) zu testen, das für Gold (Au)-Kolloiddispersionen entwickelt wurde, die durch ultraviolett sichtbare Spektroskopie (UV-Vis) gekennzeichnet sind, unter sechs Partnern aus dem H2020 ACEnano-Projekt zur Probenvorbereitung, -messung und -analyse der Ergebnisse.

Abstract

Die physikalisch-chemische Charakterisierung von Nanomaterialien (NMs) ist aufgrund ihrer geringen Größe (mindestens eine Dimension im Nanobereich, d.h. 1–100 nm), ihrer dynamischen Natur und ihrer vielfältigen Eigenschaften oft eine analytische Herausforderung. Gleichzeitig ist eine zuverlässige und wiederholbare Charakterisierung von größter Bedeutung, um Sicherheit und Qualität bei der Herstellung von NM-lagernden Produkten zu gewährleisten. Es stehen mehrere Methoden zur Verfügung, um nanoskalige Eigenschaften zu überwachen und zuverlässig zu messen, ein Beispiel dafür ist die Ultraviolett-Sichtbare Spektroskopie (UV-Vis). Dies ist eine etablierte, einfache und kostengünstige Technik, die eine nicht-invasive und schnelle Echtzeit-Screening-Bewertung von NM-Größe, Konzentration und Aggregationszustand ermöglicht. Solche Eigenschaften machen UV-Vis zu einer idealen Methodik zur Bewertung der Eignungsprüfungsschemata (PTS) eines validierten Standardarbeitsverfahrens (SOP), mit dem die Leistung und Reproduzierbarkeit einer Charakterisierungsmethode bewertet werden soll. In diesem Beitrag wurden die PTS von sechs Partnerlaboren aus dem H2020-Projekt ACEnano durch einen Ringversuch (ILC) bewertet. Standard-Gold (Au)-Kolloidsuspensionen unterschiedlicher Größe (im Bereich 5–100 nm) wurden an den verschiedenen Institutionen durch UV-Vis charakterisiert, um ein implementierbares und robustes Protokoll für die NM-Größencharakterisierung zu entwickeln.

Introduction

Nanomaterialien (NMs) sind aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften im Nanobereich (1 bis 100 nm) populär geworden, die sich von den Eigenschaften ihrer Bulk-Gegenstücke unterscheiden, entweder aufgrund von größenbedingten oder Quanteneffekten (z. B. erhöhte spezifische Oberfläche nach Volumen) zusammen mit ausgeprägter Reaktivität, optischen, thermischen, elektrischen und magnetischen ^{Eigenschaften1,2} . Die potenziellen Anwendungen von NMs in der Gesellschaft sind vielfältig und weit verbreitet mit Bereichen wie Gesundheitswesen, Lebensmittelindustrie, Kosmetik, Farben, Beschichtungen ^und ^{Elektronik3,4,5} verbunden. Gold-Nanopartikel (AuNPs) werden häufig in der Nanotechnologie (z. B. im Gesundheitswesen, in der Kosmetik und in elektronischen Anwendungen) eingesetzt, hauptsächlich aufgrund ihrer einfachen Herstellung, größenabhängigen optischen Eigenschaften, des Oberflächenfunktionalisierungspotenzials und der physikalisch-chemischen Eigenschaften, die für viele Schlüsselanwendungen geeignet sein ^können6,7.

Qualität und Reproduzierbarkeit bei der Synthese und Charakterisierung von NMs sind äußerst wichtig für die Qualitätssicherung, aber auch für die sichere Herstellung nanobasierter Produkte, insbesondere aufgrund der Reaktivität von NMs, insbesondere in komplexen Umgebungen, in denen NM-Eigenschaften wie Größenverteilung und Morphologie schnelle Veränderungen erfahren können⁸^,⁹. Zur Überwachung nanoskaliger Eigenschaften stehen zahlreiche Methoden zur Verfügung. Zum Beispiel sind Raster- / Transmissionselektronenmikroskopie (REM / TEM) Techniken, die verwendet werden, um hochauflösende (bis zu Sub-Nanometer) optische und kompositorische Informationen von NMs zu erhalten; Die Rasterkraftmikroskopie (AFM) bietet eine nanoskalige Auflösung in der vertikalen Dimension (z-Achse); und die Röntgenbeugung (XRD) liefert Informationen über die atomare Struktur von NMs; Alle diese Methoden können nur bei trockenen Proben (Pulvern) angewendet werden¹⁰^,¹¹. Zu den Techniken, die für die Charakterisierung von NMs in flüssigen Medien geeignet sind, gehört die Feldflussfraktionierung (FFF), die die Trennung großer Moleküle, Aggregate und Partikel basierend auf ihrer Größe ermöglicht; dynamische Lichtstreuung (DLS); und Nanopartikel-Tracking-Analyse (NTA) – zwei Methoden, die häufig verwendet werden, um das Größenverteilungsprofil von Partikeln unter Verwendung der Brownschen Bewegung zu bestimmen – und ultraviolett-sichtbare Spektrophotometrie (UV-Vis), die die Bewertung von NM-Eigenschaften wie Größe, Aggregationszustand und Brechungsindex durch eine einfache Absorptionsmessung ermöglicht¹¹^,¹²^,¹³. Obwohl alle diese Techniken eine NM-Charakterisierung ermöglichen, hängt ihre Leistung vom Geräteaufbau, den instrumentenbezogenen Unterschieden, der komplexen Methodik für die Probenvorbereitung und dem Kenntnisstand des Benutzers ab. Darüber hinaus ermöglichen die meisten Techniken keine Echtzeitüberwachung der NM-Größe, der Probenintegrität oder der Unterscheidung zwischen dispergierten oder aggregierten Partikeln.⁶. Die UV-Vis-Spektroskopie ist eine weit verbreitete Technik, die eine nicht-invasive und schnelle Echtzeitbewertung der NM-Größe, -Konzentration und des Aggregationszustands ermöglicht. Darüber hinaus ist es ein einfacher und kostengünstiger Prozess mit minimaler Probenvorbereitung, was diese Technik zu einem unverzichtbaren Werkzeug macht, das in zahlreichen Labors in vielen Disziplinen und Märkten umfassend eingesetzt wird.⁶^,¹²^,¹⁴. UV-Vis misst die Transmission elektromagnetischer Strahlung einer Wellenlänge zwischen 180 und 1100 nm durch eine flüssige Probe. Die UV- und VIS-Spektralbereiche decken den Wellenlängenbereich für ultraviolettes (170 nm bis 380 nm), sichtbares (380 nm bis 780 nm) und nahes Infrarot (780 nm bis 3300 nm) ab.⁴^,¹⁴. Die Wellenlänge des Lichts, das durch die Probenzelle fließt, wird gemessen; Die Intensität des in die Probe eintretenden Lichts wird als I bezeichnet₀, und die Intensität des auf der anderen Seite austretenden Lichts wird als I bezeichnet.₁¹⁴. Das Beer-Lambert-Gesetz spiegelt die Beziehung zwischen A (Absorption) als Funktion der Probenkonzentration C, dem Probenextinktionskoeffizienten ε und den beiden Intensitäten wider.¹⁴. Absorptionsmessungen können bei einer einzelnen Wellenlänge oder über einen erweiterten Spektralbereich gesammelt werden; Die gemessene Lichtdurchlässigkeit wird nach der Gleichung des Beer-Lambert-Gesetzes in eine Absorptionsmessung umgewandelt. Die Standardgleichung für die Absorption ist A = ɛlc, wobei (A) die Menge an Licht ist, die von der Probe für eine gegebene Wellenlänge absorbiert wird (ɛ) ist der molare Dämpfungskoeffizient (Absorption/(g/dm)³) (l) ist der Abstand, den das Licht durch die Lösung zurücklegt (cm), und (c) ist die Konzentration pro Volumeneinheit (g/dm)³). Die Absorption wird berechnet als das Verhältnis zwischen der Intensität einer Referenzprobe (I₀) und die unbekannte Probe (I), wie in der folgenden Gleichung beschrieben¹⁴:

Die Einfachheit von UV-Vis macht es zu einer idealen Technik, um PTS eines etablierten Messprotokolls zu vergleichen6,12,15. Ziel eines ILC oder PTS ist es, die Leistungsfähigkeit und Reproduzierbarkeit einer Methode mit einem ^SOP15 zu überprüfen. Dies wiederum bietet einen standardisierten Ansatz zur schnellen Charakterisierung von Nanopartikelsuspensionen für andere Anwender.

Um die Kompetenz, Konsistenz und Zuverlässigkeit der hier vorgestellten Methode zu bewerten, nahmen sechs Labore als Mitglieder des Horizon 2020 ACEnano-Projekts (https://cordis.europa.eu/project/id/720952) an einem ILC teil. Das ILC umfasste die UV-Vis-Charakterisierung von Standard-Au-Kolloiddispersionen unterschiedlicher Partikelgrößen (5–100 nm). Allen beteiligten Labors wurde ein SOP zur Verfügung gestellt, um die identische Vorbereitung von AuNP-Suspensionen, die Bewertung und die Berichterstattung über die Ergebnisse sicherzustellen und so zur Entwicklung eines implementierbaren und robusten mehrstufigen Ansatzes für die physikalisch-chemische Charakterisierung, Dateninterpretation und Verbesserung von Best-Practice-Protokollen für industrielle und regulatorische Anforderungen ^beizutragen8.

Protocol

1. Lieferung der AuNP-Muster: Bereiten Sie Aliquots aus 5 ml Au-Kolloiddispersionen mit Größen von 5, 20, 40, 60 und 100 nm vor, einschließlich einer 50 μg/ml-Probe “unbekannter Größe” (genauere Angaben zu den verwendeten Nanomaterialien finden Sie in der Materialtabelle ). Senden Sie die Proben in 7 mL Polystyrolbehältern mit Gelpackungen an jedes teilnehmende Labor, um während des Versands eine geeignete Temperatur aufrechtzuerhalten. Lagern Sie die Proben sofort bei 4 °C.ANMERKUNG: Die Stichprobe “unbekannte Größe” muss eine Größe von 80 nm aufweisen. Diese Informationen sollten dem Partner, der das Material verteilt, bekannt sein, aber den anderen Partnern nicht mitgeteilt werden. 2. Kalibrierung des Spektralphotometers: Schalten Sie das UV-Vis-Spektrometer für mindestens 20 Minuten ein, damit sich die Lampe aufheizen kann.HINWEIS: Das Modell und die Marke des verwendeten Spektralphotometers entnehmen Sie bitte der Materialtabelle. Wählen Sie in der Software im Modusfenster, in dem die Betriebsmodi angezeigt werden, die Option Spektrum-Scan . Passen Sie die Parametereinstellungen in instrument | Einstellungen und Parameter in der Software, bevor Sie mit den Messungen fortfahren: Messmodus | Spektrum-Scan, Datenmodus-| ABS, Startwellenlänge von 680 nm, Endwellenlänge von 380 nm, Scangeschwindigkeit von 400 nm/min, Abtastintervall von 0,5, Spaltbreite von 1,5 und Weglänge von 10. Nachdem die Parameter eingestellt wurden, füllen Sie zwei Küvetten (3 ml; Polystyrol) mit 1 ml Reinstwasser (UPW) (18,2 M·Ω·cm). Legen Sie die Küvetten in den Referenzzellhalter (rückseite) und den Probenzellenhalter (vorne), um den Lichtweg abzudecken (siehe Materialtabelle für die spezifische Marke und das Modell der verwendeten Küvetten).HINWEIS: Stellen Sie sicher, dass die Küvetten richtig positioniert und ausgerichtet sind, um den Rauscheffekt und andere Umgebungseffekte, die nicht probenbezogen sind, zu unterdrücken. Schließen Sie die UV-Vis-Instrumentenabdeckung und fahren Sie mit der Leerkalibrierung fort, indem Sie in der Befehlsleiste Leer auswählen. Die Baseline-Korrektur wird durchgeführt, indem eine Referenz ausgeführt wird, wobei die beiden Küvetten, die mit 1 ml UPW gefüllt sind, in die Probenhalter gelegt werden. Alternative Protokolle, die von anderen Partnern verwendet werden, finden Sie unter Ergänzende Informationen (SI). 3. Vorbereitung der Proben Nehmen Sie eine Teilstichprobe von 500 μL für jeden AuNP von 5, 20, 40, 60, 100 nm und der unbekannten Größe und bereiten Sie eine Verdünnung mit 500 μL UPW vor. Die verdünnten Suspensionen in 1 ml Küvetten geben; das Gesamtverdünnungsverhältnis sollte 1:1 und die Endkonzentration 25 μg/ml betragen.HINWEIS: Die verdünnte Probe muss unmittelbar vor der UV-Vis-Messung vorbereitet werden. 4. Messung der Nanopartikeldispersionen Nachdem die Blindkalibrierung durchgeführt und eine frische Probe vorbereitet wurde, ersetzen Sie eine der blinden Küvetten im Probenzellhalter (Vorderseite) durch die AuNP-Dispersionsprobe. die andere Referenzküvette, die mit 1 ml UPW gefüllt ist, muss unberührt bleiben.HINWEIS: Verwenden Sie eine neue Einwegküvette für verschiedene Proben, um Kreuzkontaminationen zwischen den Proben zu vermeiden. Wenn Sie Quarzküvetten verwenden, spülen Sie die Probenküvette zwischen den Proben mit UPW ab. Wählen Sie in der Befehlsleiste die Option Messen/Starten , um die Spektrumscans für jede verdünnte AuNP-Dispersion auszuführen. Für jede AuNP-Probe, einschließlich der Stichprobe unbekannter Größe, sollten drei Spektrum-Scanläufe erhalten werden.HINWEIS: Stellen Sie sicher, dass die leere Küvette im Referenzzellenhalter verbleibt, wenn Sie eine Messung durchführen. 5. Ergebnisse melden Extrahieren Sie die experimentellen Rohdaten für jede Messung in eine tabellenkalkulationskompatible Datei, indem Sie das Menü Datei auswählen und auf Bericht (*.csv) Datei exportieren klicken. Notieren Sie sich die maximale Absorptionswellenlänge (Absmax) und Lambda (λmax) für jeden der UV-Vis-Messwerte und notieren Sie sie in der bereitgestellten Vorlage.HINWEIS: Die vorgefertigte Vorlage wurde den ACEnano-Partnern zur Verfügung gestellt, um die durchschnittlichen Standardabweichungen der Wellenlängen automatisch zu berechnen, indem die entsprechende Berechnungsformel in der Arbeitsmappe festgelegt wird. Weitere Details und den Zugriff auf die Vorlage finden Sie unter Ergänzende Informationen (SI).. Zeichnen Sie in der Arbeitsmappe eine Kalibrierkurve mit dem Mittelwert der λmax (y-Achse) gegen die bekannte Nanopartikelgröße (nm) (5, 20, 40, 60 und 100 nm). Erstellen Sie beispielsweise in der Tabelle die Kalibrierkurve, indem Sie in der Befehlsleiste Daten | Diagramm einfügen | Streudiagramm-| Trendlinien-| hinzufügen Polynomkurve (Potenz 2).. Fügen Sie die Polynomgleichung für die Kalibrierkurve hinzu: Wählen Sie Trendlinienoptionen | Anzeigen der Formel im Diagramm über die Befehlsleiste (Abbildung 1). Um schließlich die unbekannte Größe der AuNP-Stichprobe zu berechnen, isolieren Sie die Polynomgleichung aus der Kalibrierkurve, um sie an den Mittelwert für die unbekannte λmax anzupassen, indem Sie eine Ableitung der quadratischen Formel verwenden (Abbildung 1). Die berechnete Größe kann in die Vorlage aufgenommen werden, um eine vollständige Zusammenfassung der Daten für Konsistenz, schnellere Interpretation und Auswertung der Ergebnisse zu vervollständigen (siehe SI). Abbildung 1: Kalibrierkurve zur Berechnung der Größe der unbekannten Probe. Das Diagramm stellt die Wellenlängen (λmax) und die Größe der AuNPs dar, die zum Aufzeichnen der Kalibrierung verwendet werden. Das Diagramm zeigt nur eine Kalibrierkurve von einem Partner. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Representative Results

UV-Vis ist eine der beliebtesten Techniken zur Charakterisierung von Nanopartikeln, da es dem Anwender eine präzise Analyse der Eigenschaften von NMs wie Absmax und λmax6,12 ermöglicht. Die Ergebnisse der vorliegenden Studie stellen die UV-Vis-Charakterisierung von AuNP-Dispersionen durch eine ILC zwischen sechs teilnehmenden Labors dar. Abbildung 2: Lambda- und Absorptionsergebnisse. Die Abbildungen zeigen die Diagramme für die ergebnisse, die von jedem Labor für verschiedene AuNP-Größen gemeldet wurden. A) Lambda max-Ergebnisse. B) Maximale Absorptionsergebnisse. Labor 5 war aufgrund von Probenkontamination nicht in der Lage, Daten für 100 nm zu melden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Die Ergebnisse für die λmax-Wellenlängen zeigten eine enge Wiederholbarkeit bei den Partnern (Abbildung 2A). Dies galt auch für den berechneten Bereich, der zur Beurteilung der Differenz zwischen den Werten herangezogen wurde und für die meisten AuNP-Größen kleine Unterschiede zwischen 1,00 und 2,40 (λmax) aufwies (Tabelle 1). Der λmax-Gesamtmittelwert , der unter Verwendung des aufgezeichneten Mittelwerts für jedes Labor für jede AuNP-Größe berechnet wurde, zeigte für die meisten Größen ebenfalls geringe Standardabweichungen. Die Größe von 100 nm war die einzige Ausnahme, da sie einen hohen Variationsbereich (4,66 λmax) zwischen den Partnern aufwies, was zu einer größeren Standardabweichung (572 ± 2,00 nm) im Vergleich zu anderen AuNP-Größen führte (Tabelle 1). Es ist wichtig zu erwähnen, dass Labor 5 aufgrund von Kontaminationsproblemen, die die Wiederholbarkeit der Ergebnisse beeinträchtigt haben könnten, keine Messungen für die Partikel der Größe von 100 nm durchführen konnte. Im Gegensatz dazu zeigten absorptionsergebnisse (Absmax) einen verstreuteren Bereich von Datenwerten (Abbildung 2B) im Vergleich zu λmax-Ergebnissen . Trotz der offensichtlich höheren Variabilität dieser Ergebnisse zwischen den Laboren zeigte die Analyse Gesamtmittelwerte mit geringeren Standardabweichungen und unerwartet niedrigeren Variationsbereichen (0,11–0,21 Absmax) zwischen den Labors im Vergleich zu den λmax-Ergebnissen (Tabelle 1). Wert AuNP (nm) 5 20 40 60 100 Unbekannt Bereich λmax 1.45 1.00 3.00 2.00 4.66 2.40 Sortiment Aumax 0.12 0.11 0.13 0.13 0.12 0.21 Mittlere λmax 517,7 ± 0,59 524,6 ± 0,45 527,8 ± 1,13 535,3 ± 0,74 572 ± 2,00 549,7 ± 0,85 Mittlere 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 Tabelle 1: Lambda und Absorption berechneter Bereich und Mittelwert. Der Bereich und der Gesamtmittelwert und die Standardabweichung für jede AuNP-Größe werden angezeigt. Die Ergebnisse wurden unter Verwendung des angegebenen Mittelwerts für Lambda und Absorption für jedes Labor (sechs Messungen) berechnet, mit Ausnahme der Größe von 100 nm, für die nur 5 Messungen zur Berechnung der Werte aufgrund einer vom Labor 5 gemeldeten Probenkontamination verwendet wurden. Die Z-Score-Werte wurden ebenfalls berechnet, um den Abstand der einzelnen Werte vom Gesamtmittelwert zu erfassen. Die Analyse der Z-Scores lieferte Informationen über die Konfidenz der ILC-Ergebnisse, da die Scores in direktem Zusammenhang mit der Populationsverteilung stehen, indem sie in einer Reihe von Standardabweichungen anzeigen, wie weit ein Datenpunkt vom Mittelwert entfernt ist16. In den Ergebnissen zeigten die meisten Labore positive Z-Score-Werte von 0,01-1,93 für λmax, was darauf hindeutet, dass die meisten Ergebnisse nahe am Mittelwert lagen und eine Normalverteilungskurve aufwiesen, da Z-Scores, die größer als der absolute Wert von 2 und -2 sind, als Werte betrachtet werden, die vom Mittelwert entfernt sind und keine Normalverteilung aufweisen16. Der höchste Z-Score für Absmax wurde für die von Labor 1 gemeldete 40-nm-Größe mit einem Wert von 1,93 und einem Absmax-Durchschnitt von 530 ± 0 aufgezeichnet, verglichen mit dem Gesamtmittelwert von 527,82 ± 1,13 (Abbildung 3A). Der maximale Z-Score-Wert von 1,23 für λmax wurde von Labor 3 zusammen mit einer berichteten λmax von 0,454 ± 0 für 5 nm AuNP-Größe im Vergleich zum Gesamtmittelwert von 0,395 ± 0,04 berichtet. Es folgte der 60 nm AuNP mit einem Z-Score von 1,18 und einem λmax-Mittelwert von 0,754 ± 0 im Vergleich zum Gesamtdurchschnitt von 0,689 ± 0,05. In den übrigen Größen wurden Z-Score-Werte von -0,04 bis -1,23 angezeigt (Abbildung 3B). Abbildung 3: Lambda- und Absorptions-Z-Scores. Die Z-Scores wurden anhand der von jedem Labor gemeldeten Ergebnisse gegen den Gesamtmittelwert berechnet. A) Berechnete Lambda max Z-Scores. B) Berechnete Absorption max Z-Scores. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Die Ergebnisse für die unbekannte Probe zeigten, dass die meisten Partner die Größe auf 76–80 nm berechneten. Der Mittelwert der Laboratorien 1-4 und 6 wurde mit 78,02 ± 1,36 nm erfasst. Labor 5 berichtete über eine größere Größe von 109 nm, was den Gesamtdurchschnitt und die Standardabweichung auf 83,18 ± 12,70 nm ausweitete, was darauf hindeutet, dass dieser Wert ein Ausreißer war (Abbildung 4A). Die Z-Scores wurden für alle Labore mit -0,25 bis -0,56 berechnet; Die einzige Ausnahme war die unbekannte Größe, die von Labor 6 gemeldet wurde, das den höchsten positiven Z-Score (2,03) im Vergleich zu allen Messungen aufwies, der als ein Vom Mittelwert entfernter Wert betrachtet werden kann (Abbildung 4B). Abbildung 4: Unbekannte Stichprobengröße und Z-Scores. A) Gemeldete Größe für jedes Labor für die bereitgestellte unbekannte Probe. B) Berechnete Z-Scores für jedes einzelne Ergebnis gegen den Gesamtmittelwert von 83,18 ± 12,70 nm. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Ergänzende Informationen (SI): Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Discussion

Für die Charakterisierung nanoskaliger Eigenschaften stehen mehrere Methoden zur Verfügung (z. B. analytische Ultrazentrifugation (AUC), Rasterelektronenmikroskopie/Transmissionselektronenmikroskopie (REM/TEM) und dynamische Lichtstreuung (DLS)^10,11). Diesen Techniken fehlt jedoch die Einfachheit von UV-Vis, um primäre Ergebnisse bei der Charakterisierung von ^NMs12,13 zu erhalten. UV-Vis ist auch in nicht so gut ausgestatteten Laboren ein gängiges Instrument und damit ein unschlagbares Werkzeug für die Charakterisierung von NMs6. Bei der Charakterisierung von NMs ist es wichtig, die Einschränkungen, Stärken und Schwächen der anzuwendenden Techniken zu berücksichtigen. Im UV-Vis-Spektrometer durchdringt der Lichtstrahl das Probenkompartiment, was zu Absorptionswerten führt; Infolgedessen können externe Vibrationen, Außenlicht, Verunreinigungen und die Leistung des Benutzers die Messung und die Ergebnisse ^{beeinträchtigen4,12}. Ebenso ist es beim Zeichnen einer Kalibrierkurve zur Bestimmung der Größe einer unbekannten Probe wichtig, alle Messungen zu registrieren, die für die Erstellung der Kalibrierung erforderlich sind, da fehlende Faktoren zu Variationen zwischen Messungen und Benutzern beitragen können.

Beispielsweise könnte die hohe Variation des Absmax-Gesamtmittelwerts der unbekannten Probe mit Unterschieden zwischen den Laboratorien aufgrund der Abhängigkeit zwischen der Strahlintensität, der Position und dem Instrument selbst ^{zusammenhängen17,18}. Darüber hinaus können die fehlenden Daten für die 100 nm Größe aus Labor 5 aufgrund eines Kontaminationsproblems auch zu den hohen Unterschieden zwischen den Ergebnissen beitragen, da die fehlenden Daten die Kalibrierkurve und die geplottete Polynomgleichung beeinflusst haben könnten, die zur Berechnung der Größe der unbekannten AuNP-Suspension verwendet wurde. Sicherlich kann die Reproduzierbarkeit zwischen Protokollen und Labors kompliziert sein, da viele Faktoren zur mangelnden Konsistenz der Laboraktivitäten beitragen können, was dazu führt, dass Forscher gelegentlich nicht in der Lage sind, Ergebnisse aus anderen Labors zu reproduzieren, was zu langsamerem wissenschaftlichem Fortschritt, Verschwendeter Zeit, Geld und Ressourcen führen ^kann19. Die erfolgreiche Charakterisierung der physikalisch-chemischen Eigenschaften von NMs, insbesondere der Größe, erfordert eine von allen beteiligten Labors leicht auszuführende Methode, die meist durch eine systematische und konzeptionelle Replikation angegangen werden kann, wie z.B. die Erstellung einer SOP, Instrumentenschulung und die Vermeidung der Verwendung falsch identifizierter oder kreuzkontaminierter ^Proben15,19.

In ähnlicher Weise sind die Qualität und Stabilität der Kolloidsuspension ebenfalls wichtige Faktoren, die berücksichtigt werden müssen, da Änderungen ihrer physikalisch-chemischen Eigenschaften zu unterschiedlichen Ergebnissen führen können. Um ihre Stabilität über längere Zeiträume zu gewährleisten, sollten Nanopartikelsuspensionen daher im Dunkeln bei 4 °C gelagert werden. Ebenso sollten die aliquoterten Proben während des Versandprozesses kalt gehalten werden, da lange Zeiträume bei Raumtemperatur zu einer signifikanten Aggregation führen ^können20. Um Fehler bei der NM-Charakterisierung zu überwinden, ist es außerdem notwendig, Zugang zu den Originaldaten, Protokollen und wichtigen Forschungsmaterialien zwischen den kooperierenden Labors zu gewähren, insbesondere bei der Bewertung der Kompetenz, Konsistenz und Zuverlässigkeit durch einen ^ILC15. Diese Faktoren klar und zugänglich zu machen, ist der Schlüssel zu einer erfolgreichen NM-Charakterisierung durch jedes Labor oder Gerät. Die Missachtung dieser Aspekte kann zu einem Mangel an Reproduzierbarkeit, Genauigkeit und irreführenden oder fehlerhaften Ergebnissen ^führen15. Obwohl sich die UV-Vis-Spektroskopie als Goldstandard in der NM-Charakterisierung erwiesen hat, kann sie in vielen anderen Bereichen genutzt werden, da sie die quantitative Bestimmung eines erweiterten dynamikreichen Lösungsbereichs sowohl in anorganischen als auch in organischen Verbindungen ^{ermöglicht6,21}.

Darüber hinaus kann UV-Vis leicht mit anderen Werkzeugen kombiniert werden, um eine Vielzahl von Attributen zu messen, wodurch die Qualität jeder Analyse ^{verbessert wird22}. Basierend auf diesen Eigenschaften wird UV-Vis in vielen Bereichen weit verbreitet eingesetzt, z. B. im biopharmazeutischen Bereich durch Messung von UV-Vis-Spektren in hochkonzentrierten Proteinlösungen, in der Umweltkontrolle beim Vergleich von Ähnlichkeiten zwischen Schadstoffen und ihren produktbedingten Verunreinigungen in Echtzeit, in industriellen Kläranlagen im Rahmen von Vorschriften zur Bestimmung der Abwasserfarbe und –^akzeptanz22^,^{23. Auflage}. Mit fortschreitender Technologie und der Verfügbarkeit fortschrittlicherer Funktionen und Erfahrungen in der Spektrophotometrie wird es sicherlich zu einer weiteren Erweiterung der Anwendungen und Parameter kommen, die mit dieser Technik gemessen werden ^können22. In Feldanwendungen beispielsweise ist die Online-UV-Vis-Spektrometrie ein wertvolles Werkzeug zur Überwachung zahlreicher Parameter in Echtzeit und in verschiedenen Arten von Flüssigkeiten, was eine Besonderheit unter den Online-Sensorsystemen ^ist22.

Das hier beschriebene ILC wurde als Test der für UV-Vis entwickelten SOP unter sechs teilnehmenden Laboren konzipiert, die am H2020 ACEnano-Projekt beteiligt sind. Die Analyse der Ergebnisse zeigte, dass ein ILC wertvolle Informationen liefert, um technisches Vertrauen in eine interne Methode zur NM-Charakterisierung durch jedes teilnehmende Labor zu ermöglichen. Die Datenerhebung in einer etablierten Vorlage bestätigte die Konsistenz und schnellere Interpretation der Ergebnisse und lieferte ein Modell für die Schätzung der Größe einer unbekannten AuNP-Probe, das auch eine Wiederholbarkeit zwischen den Ergebnissen zeigte, wenn genügend Punkte in der Kalibrierkurve einbezogen wurden. Darüber hinaus bestätigten die Ergebnisse die Wirksamkeit von UV-Vis für die NM-Charakterisierung sowie die Bedeutung der Erstellung von Best-Practice-Protokollen. Ein solcher Ansatz bietet ferner die Möglichkeit, dass das implementierte Verfahren zur Entwicklung eines Rechtsrahmens durch reproduzierbare NM-Charakterisierungsprotokolle auf der Grundlage von Methodenauswahl und Dateninterpretation beiträgt, die für Akkreditierungsregulierungsbehörden und Forschungsmanagementorgane relevant sind.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

ACQ möchte dem Nationalen Rat für Wissenschaft und Technologie (CONACyT) in Mexiko für die Finanzierung ihres PhD-Studiums danken. Alle Autoren erkennen die Unterstützung durch das Horizon 2020-Programm (H2020) der Europäischen Union im Rahmen der Finanzhilfevereinbarung ^no 720952, Projekt ACEnano (NMBP-26-2016) an.

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

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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).

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