فحص الكمية والنوعية من التفاعلات الجسيمات الجسيمات الغروية عن طريق مسبار Nanoscopy

Summary

Colloidal probe nanoscopy can be used within a variety of fields to gain insight into the physical stability and coagulation kinetics of colloidal systems and aid in drug discovery and formulation sciences using biological systems. The method described within provides a quantitative and qualitative means to study such systems.

Abstract

Colloidal Probe Nanoscopy (CPN), the study of the nano-scale interactive forces between a specifically prepared colloidal probe and any chosen substrate using the Atomic Force Microscope (AFM), can provide key insights into physical interactions present within colloidal systems. Colloidal systems are widely existent in several applications including, pharmaceuticals, foods, paints, paper, soil and minerals, detergents, printing and much more.^1-3 Furthermore, colloids can exist in many states such as emulsions, foams and suspensions. Using colloidal probe nanoscopy one can obtain key information on the adhesive properties, binding energies and even gain insight into the physical stability and coagulation kinetics of the colloids present within. Additionally, colloidal probe nanoscopy can be used with biological cells to aid in drug discovery and formulation development. In this paper we describe a method for conducting colloidal probe nanoscopy, discuss key factors that are important to consider during the measurement, and show that both quantitative and qualitative data that can be obtained from such measurements.

Introduction

قوة ذرية المجهر (فؤاد) هو الاسلوب الذي يتيح التصوير النوعية والكمية وسبر لسطح المادة. ^4-6 تقليديا، يتم استخدام فؤاد لتقييم تضاريس السطح، مورفولوجيا وهيكل من المواد المتعددة طوري. فؤاد لديها القدرة على تقييم كمي التفاعلات نانو النطاق، مثل تهمة، والجذب، والتنافر بين القوات التصاق مسبار محددة والركيزة في كل من الهواء ووسائل الإعلام السائلة. ^7،8 فؤاد وضعت أصلا من قبل Binning، Quate وجربر ⁹ الاستخدامات مسبار من المعروف / حساسية العزم والربيع المستمر للاقتراب و / أو مسح العينة. بسبب التفاعلات الفيزيائية بين التحقيق والعينة، وتهرب ناتئ خلال الاتصال أو القرب وتبعا لطريقة عملها، وهذا انحراف يمكن ترجمتها للحصول على تضاريس العينة أو تدبير القوات الموجودة بين التحقيق وعينة. تعديلات على TECHNI فؤادكيو، مثل التحقيق الغروية nanoscopy، ¹⁰ وقد سمح العلماء لتقييم مباشرة التفاعلات نانو القوة بين اثنين من مواد موجودة في نظام الغروية من الفائدة.

في الغروية التحقيق nanoscopy، ويرد جسيمات كروية من خيار لقمة ناتئ، لتحل محل المخروطية والهرمية نصائح التقليدية. A الجسيمات كروية مثالية للسماح بالمقارنة مع النماذج النظرية مثل جونسون، كندال، روبرتس (JKR) ¹¹ وDerjaguin، لانداو، Vervwey، Overbeek (DLVO) ^12-14 النظريات والتقليل من تأثير خشونة السطح على القياس. ¹⁵ وتستخدم هذه النظريات لتحديد اليات الاتصال والقوات المشتركة بين الجسيمات المتوقع ضمن نظام الغروية. نظرية DLVO يجمع بين جاذبية قوى فان دير فال وقوات كهرباء مثير للاشمئزاز (بسبب الطبقات المزدوجة الكهربائية) لشرح كميا سلوك تجميع الأنظمة الغروية المائية، في حين أن Jيتضمن نظرية KR تأثير الضغط الاتصال والتصاق لنموذج اتصال مرنة بين عنصرين. مرة واحدة يتم إنتاج التحقيق المناسبة، ويتم استخدامه للاقتراب أي مادة / الجسيمات الأخرى لتقييم القوى بين العنصرين. وباستخدام معيار تصنيعها طرف واحد يكون قادرا على قياس قوات التفاعلية بين هذا الطرف والمادة المفضلة، ولكن الفائدة من استخدام مسبار الغروية العرف يسمح بقياس القوات الموجودة بين المواد موجودة داخل منظومة دراستها. وتشمل التفاعلات قابلة للقياس:. لاصقة، جذابة، مثيرة للاشمئزاز، وتهمة، وحتى القوات الكهروستاتيكية الحالية بين الجسيمات ¹⁶ بالإضافة إلى ذلك، فإن تقنية التحقيق الغروية يمكن استخدامها لاستكشاف قوات عرضية الحالية بين الجسيمات ومرونة المواد ^17،18

القدرة على إجراء القياسات في مختلف وسائل الإعلام هي واحدة من أهم مزايا الغروية التحقيق nanoscopy. الظروف المحيطة، السائل مالقانونين، أو الظروف التي تسيطر عليها الرطوبة يمكن أن تستخدم كل لتقليد الظروف البيئية لمنظومة دراستها. القدرة على إجراء القياسات في بيئة السائل تمكن من دراسة النظم الغروية في بيئة أنه يحدث بشكل طبيعي؛ بالتالي، أن تكون قادرة على الحصول على البيانات التي يتم تحويلها مباشرة إلى النظام في حالته الطبيعية من الناحية الكمية. على سبيل المثال، وتفاعلات الجسيمات الموجودة داخل أجهزة الاستنشاق بالجرعات المقننة (MDI) يمكن دراستها باستخدام نموذج بالوقود السائل مع خصائص مشابهة لالداسر المستخدمة في أجهزة الاستنشاق بالجرعات المقننة. ان نفس التفاعلات تقاس في الهواء لا تكون ممثلة للنظام موجودة في الاستنشاق. وعلاوة على ذلك، على المديين المتوسط ​​السائل يمكن تعديلها لتقييم تأثير دخول الرطوبة، بالسطح الثانوية، أو درجة الحرارة على التفاعلات الجسيمات في MDI. القدرة على التحكم في درجة الحرارة يمكن أن تستخدم لتقليد بعض الخطوات في تصنيع أنظمة الغروية لتقييم مدى درجة الحرارة سواء في تصنيع أوتخزين النظم الغروية قد يكون لها تأثير على تفاعلات الجسيمات.

وتشمل القياسات التي يمكن الحصول عليها باستخدام تحقيقات الغروية؛ مسح التضاريس، الفردية منحنيات القوة لمسافات والخرائط التصاق قوة بعد، ويسكن قياسات القوة لمسافات. وتشمل المعايير الأساسية التي يتم قياسها باستخدام الغروية طريقة التحقيق nanoscopy المقدمة في هذه الورقة الأداة الإضافية، تحميل كحد أقصى، والقيم الطاقة الانفصال. الأداة الإضافية هو قياس قوى التجاذب، الحد الأقصى للتحميل قيمة قوة التصاق أقصى، والطاقة الفصل ينقل الطاقة اللازمة لسحب الجسيمات من الاتصال. ويمكن قياس هذه القيم من خلال قياسات لحظية أو القوة يسكن. نوعين مختلفين من القياسات يسكن تشمل انحراف والمسافة البادئة. طول ونوع من القياس يسكن يمكن اختيارها خصيصا لمحاكاة التفاعلات المحددة التي تكون موجودة ضمن نظام الفائدة. مثال يستخدم انحراف يسكن - التي تتولىالعينات في اتصال بقيمة انحراف المطلوب - لتقييم السندات لاصقة أن تتطور في المجاميع التي تشكلت في التفرق. وشكلت السندات لاصقة يمكن قياسها بوصفها وظيفة من الوقت ويمكن أن توفر نظرة ثاقبة القوات المطلوبة لredisperse المجاميع بعد التخزين لفترات طويلة. عدد كبير من البيانات التي يمكن الحصول عليها باستخدام هذه الطريقة هي شهادة على براعة الأسلوب.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

1. إعداد الغروية دقق وفؤاد الركيزة

1. لإعداد تحقيقات الغروية، واستخدام طريقة تم تطويرها من قبل المؤلفين. ¹⁹
   1. باختصار، استخدم حامل زاوية 45 درجة لتركيب ناتئ tipless في زاوية محددة من 45 درجة (الشكل 1A).
   2. إعداد شريحة الايبوكسي من قبل تلطيخ طبقة رقيقة من الايبوكسي على شريحة المجهر. استخدام ملعقة نظيفة أو تيار بطيء من النيتروجين للتأكد من أن طبقة من الايبوكسي تضاف إلى شريحة المجهر هو الحد الأدنى من الارتفاع.
   3. يضعوا الشريحة الايبوكسي لالبصرية عدسة المجهر التكبير 40X باستخدام حامل مصمم خصيصا (الشكل 1B). ثم استخدم ناتئ من الاقتراب من شريحة الايبوكسي والحصول على كمية صغيرة من الايبوكسي على ناتئ.
   4. كرر هذه الخطوات أيضا إرفاق جسيم واحد من الفائدة في ذروة من ناتئ (الشكل 1C).
2. إعداد الركيزة التي كتبها فؤاد الالصاق الاسمية الغرويةجسيمات على وساترة فؤاد باستخدام مادة لاصقة بالحرارة المتزايدة.
   1. حرارة 35 ملم جولة زلة تغطية إلى 120 درجة مئوية، وتطبق على كمية صغيرة من لاصق على ساترة. ارتفاع في درجة الحرارة هو ضروري لتذوب لاصقة بالحرارة للتطبيق.
   2. ثم بارد، ساترة إلى 40 درجة مئوية قبل الغبار والجسيمات الغروية على الغراء. ملاحظة: في 40 ° C يتم تعيين الغراء بما فيه الكفاية أن الجسيمات لن تصبح جزءا لا يتجزأ في الغراء، ولكن الغراء لزجة بما فيه الكفاية لضمان أن الجسيمات ستلتزم الركيزة.
   3. مزيد من الهدوء ساترة لRT واستخدام تيار لطيف من النيتروجين لتفجير أي جزيئات غير مرتبط الزائدة.
   4. غسل الركيزة عدة مرات مع وسيلة السائل التي سيتم استخدامها لقياس التحقيق الغروية لضمان أن تتم إزالة جميع الجزيئات غير مرتبط من الركيزة. ملاحظة: وهذا أمر مهم للحد من آثار جزيئات التدفق الحر أثناء القياس، والتي يمكن أن أمورالعمل مع ناتئ وإدخال أخطاء في النتائج.

2. تركيب ودقق الغروية، محاذاة الليزر، ونظام توازنه

1. جبل ساترة مع الجسيمات الغروية في النصف السفلي من خلية السائل، والتأكد من أن يا الدائري يجلس بشكل صحيح لمنع أي تسرب.
2. وضع ورقة شفافة مسعور على خشبة المسرح المجهر لحراسة ضد أي السائل الذي قد يتسرب أثناء التجربة، خاصة إذا فقط باستخدام النصف السفلي من خلية السائل لقياس، ووضع خلية السائل على خشبة المسرح المجهر. ملاحظة: للحصول على البساطة واحدة يمكن استخدامها فقط في النصف السفلي من خلية السائل، بالنظر إلى أن النظام يمكن معايرتها بشكل كاف؛ تلميح - تبخر يغير حالة القياس والآثار والنتائج / القراءة.
3. نعلق التحقيق الغروية في الرأس المسح وتجميع فؤاد على فؤاد. مع البرنامج أداة فؤاد على، واستخدام المقابض علىمسح الرأس إلى جلب رأس ناتئ إلى التركيز. ملاحظة: تم الانتهاء من جميع الخطوات الإجرائية والقياسات باستخدام MFP-3D-بيو فؤاد مع برنامج بحوث اللجوء.
4. لتحقيق أقصى قدر من الشدة، محاذاة الليزر على غيض من ناتئ باستخدام المقابض التعديل المناسب على رأسه المسح.
5. يسمح هذا النظام لتتوازن لمدة 5-10 دقائق أو حتى تستقر قيمة انحراف. استخدام مقبض تعديل انحراف لتحقيق انحراف إلى الصفر أو سلبية قليلا.
6. بعد معايرتها النظام في الهواء، استخدام البرنامج فؤاد (لوحة الحرارية في إطار لوحة ماستر) لحراريا حساب InvOLS (حساسية) وربيع دائم من التحقيق الغروية. ملاحظة: سيتم استخدام هذه الحساسية بشكل مؤقت حتى يتم قياس حساسية صحيح عند الانتهاء من قياس (راجع الخطوة 4).
   1. حدد إما "كال الربيع ثابت" أو "كال InvOLS" ثم انقر على "التقاط بيانات الحرارية".
   2. مرةذروة بارز هو واضح، ووقف التقاط البيانات، وانقر للتكبير فوق ذروة الرئيسية.
   3. انقر على "تهيئة صالح" تليها "صالح البيانات الحرارية،" للحصول على ربيع دائم تحسب تلقائيا أو القيم InvOLS.
7. إضافة ببطء 2 مل من المتوسط ​​السائل إلى الخلية السائلة باستخدام حقنة وضمان عدم وجود فقاعات موجودة في جميع أنحاء ناتئ. إعادة محاذاة الليزر، منذ معامل الانكسار من الوسط قد تغير الآن، ومرة ​​أخرى تتوازن النظام يسمح قيمة انحراف لتحقيق الاستقرار قبل تعديل انحراف الى نقطة الصفر. ملاحظة: في حالة وجود اختلاف في درجة الحرارة الكبيرة بين البيئة والسائلة، وسوف يستغرق وقتا أطول موازنة.

3. التصوير والحصول على البيانات

1. تعيين حجم المسح الأولي إلى 20 ميكرون، مسح المعدل إلى 1 هرتز، وزاوية المسح الضوئي إلى 90 درجة، تعيين نقطة إلى 0.2 V والحصول على فحص العينة. ضبط مكاسب حسب الحاجة للحصول على تتبع المتراكبةوتقفي المنحنيات.
2. مرة واحدة تم العثور على جسيمات من الفائدة، والتكبير على الفور على أن الجسيمات للحد من التفاعلات التحقيق الموسع مع الركيزة قبل الحصول على قياسات حجم القوة.
3. مرة واحدة التكبير، والحصول على صورة كافية من جسيم واحد أو جزء من جسيم واحد. ثم التبديل إلى لوحة القوة في البرنامج. جلب شريط موقف الأحمر إلى أعلى منصب، وضعت على مسافة القوة ل5 ميكرون، معدل المسح إلى 0.1 هرتز، قناة الزناد لا شيء وإجراء قياس قوة واحدة. تأكد من أن التحقيق لا الاتصال الركيزة.
4. من الرسم البياني قياس واحد تم الحصول عليها، وحساب خط انحراف ظاهري عن طريق النقر بالزر الأيمن على نافذة الرسم البياني، واختيار "حساب مواطنه الظاهري لاين" الخيار. وهذا تلقائيا بحساب انحراف ظاهري وتحديث قيمة حسب الحاجة في داخل البرنامج.
5. تغيير القناة الزناد لانحراف وتعيين نقطة الزناد إلى 20 نانومتر. تعيين حي القوةتعصب إلى 1 ميكرومتر وضبط سرعة المسح الضوئي كما تريد تبعا لقوات يقاس من الفائدة.
6. ضبط يدويا قيمة للانحراف معكوس البصرية ليفر حساسية (InvOLS) في لوحة استعراض القوة بعد إجراء قياسات قوة واحدة 2-3 على التوالي الأولية.
   1. إجراء قياس قوة واحدة، ثم انقر على زر "استعراض" على لوحة القوة التي تفتح لوحة القوة الأسياد.
   2. تسليط الضوء على قياس قوة أنجزت مؤخرا. تحت عنوان "المحور" يتجه ضمان فقط "DeflV" محددا. تغيير "المحور السيني" حقل الإدخال إلى "سبتمبر" باستخدام القائمة المنسدلة وانقر على "جعل الرسم البياني."
   3. انقر على "بارم" علامة على لوحة القوة الأسياد وضبط قيمة "InvOLS" حتى منطقة الاتصال من الرسم البياني العمودي تماما. ثم نشر هذه القيمة في حقل "Defl InvOLS" تقع تحت كال60؛ التبويب الفرعي في علامة التبويب القوة تقع على النافذة لوحة ماستر الرئيسي.
   4. كرر هذا 2-3 مرات للتأكد من أن لا تغيير قيمة InvOLS بشكل ملحوظ.
7. الآن بعد أن تم تعيين كافة المعلمات تصل، تأكد من أن مستوى السائل المتوسطة لا تزال كافية وأن انحراف لا تزال مستقرة. ملاحظة: في هذا الوقت، والمنحنيات قوة واحدة أو خرائط القوة يمكن الحصول عليها. إذا المطلوب قياسات القوة يسكن، الخيارات يسكن يمكن الوصول إليها في لوحة القوة.

4. بعد ضبط للحساسية لتحليل

1. بعد الانتهاء من اقتناء القياس، قياس الحساسية الحقيقية لجنة التحقيق الغروية. للقيام بذلك، وإجراء القياس باستخدام القوة انحراف كبير نسبيا / قوة مع التحقيق الغروية في نفس المتوسطة السائل ضد "بلا حدود" سطح صلب مثل الميكا. تم الحصول على حساسية بعد الانتهاء من التجارب لأن انحراف كبير / القوة قد يؤدي إلى تلف كولو ملاحظة:تحقيقات ايدال أعدت مع الغرويات مسامية أو الهشة.
2. ويستخدم المنحدر من منطقة الاتصال عن طريق البرنامج تلقائيا لحساب حساسية (الشكل 2). استخدام هذه القيمة الحقيقية للحساسية خلال تحليل البيانات من جميع المنحنيات التي تم الحصول عليها باستخدام مسبار خاص الغروية.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

النتائج

وتستخدم النظم الغروية السائل لعدة نظم لتقديم الأدوية الصيدلانية. لتسليم المخدرات استنشاق، وهو نظام الغروية شيوعا هو تعليق ضغط الاستنشاق بالجرعات المقننة (PMDI). تفاعلات الجسيمات الموجودة داخل PMDI تلعب دورا حيويا في صياغة الاستقرار المادي، والتخزين، وتسليم المخدرات ا?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

يمكن بسهولة تخفيفها عدة مصادر عدم استقرار النظام الحالي خلال السائل الغروية التحقيق nanoscopy من خلال إجراءات موازنة المناسبة. عدم الاستقرار كما نوقش سابقا يؤدي إلى نتائج خاطئة ومنحنيات القوة التي هي أكثر صعوبة لتحليل موضوعي. إذا كان قد تم مالت جميع مصادر عدم الاستقرار ?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Double-Bubble Epoxy	Hardman	4004
Veeco Tipless Probes	Veeco	NP-O10
Porous Particles	Pearl Therapeutics
Atomic Force Microscope (MFP)	Asylum	MFP-3D
SPIP Scanning Probe Image Processor Software	NanoScience  Instruments
35 mm Coverslips	Asylum	504.003
Tempfix	Ted Pella. Inc.	16030