Quantitative und qualitative Untersuchung der Partikel-Partikel Wechselwirkungen mit Kolloidales Probe Nanoskopie

Zusammenfassung

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.

Zusammenfassung

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.

Einleitung

Rasterkraftmikroskopie (AFM) ist eine Technik, die qualitativen und quantitativen Bildgebung ermöglicht und Sondieren einer Materialoberfläche. ^4-6 Traditionell AFM wird für die Bewertung der Oberflächentopographie, die Morphologie und Struktur der mehrphasige Materialien verwendet. AFM hat die Fähigkeit, quantitativ zu bewerten Nano-Wechselwirkungen, wie Ladung, Anziehung, Abstoßung und Adhäsionskräfte zwischen einer spezifischen Sonde und Substrat in Luft und flüssigen Medien. ^7,8 Die ursprünglich von Binning, Quate und Gerber ⁹ Zwecke entwickelt AFM eine Sonde bekannt / ermittelte Empfindlichkeit und Federkonstante zu nähern und / oder zu scannen eine Probe. Aufgrund der physikalischen Wechselwirkungen zwischen der Sonde und der Probe, wird der Ausleger in Kontakt oder die Nähe lenkt und in Abhängigkeit von der Betriebsart, kann diese Auslenkung übersetzt werden, um die Topographie der zwischen der Sonde und der Probe vorliegende Muster oder messen Kräfte erfassen. Änderungen an der AFM-techque, wie kolloidale Sonde Nanoskopie, ¹⁰ haben Wissenschaftler erlaubt, direkt bewerten die Nano-Kraftwechselwirkungen zwischen zwei in einem kolloidalen System der Interessen vorhandenen Materialien.

In kolloidalen Sonde Nanoskopie wird ein kugelförmiges Teilchen der Wahl, um die Spitze eines Auslegers befestigt und ersetzt die traditionellen Kegel-und Pyramidenspitzen. Ein sphärischer Partikel ist ideal, um Vergleich mit theoretischen Modellen wie dem Johnson, Kendal, Roberts (JKR) ¹¹ und Derjaguin, Landau, Vervwey, Overbeek (DLVO) ^12-14 Theorien und um den Einfluss der Oberflächenrauhigkeit auf die Messung zu minimieren ermöglichen. ¹⁵ Diese Theorien werden die Kontaktmechanik und Kräfte zwischen den Teilchen in einem kolloidalen System erwartet definieren. Die DLVO-Theorie verbindet die attraktive van-der-Waals Kräfte und abstoßenden elektrostatischen Kräfte (wegen der elektrischen Doppelschichten) quantitativ zu erklären, das Aggregationsverhalten von wässrigen kolloidalen Systemen, während die JKR Theorie beinhaltet die Wirkung der Kontaktdruck und die Haftung an elastischen Kontakt zwischen zwei Komponenten zu modellieren. Sobald eine geeignete Sonde erzeugt wird, wird es verwendet, um andere Material / Partikel nähern, um die Kräfte zwischen den beiden Komponenten zu beurteilen. Mit einer Standardspitze hergestellt wird man in der Lage, Wechselwirkungskräfte zwischen dieser Spitze und einem Material der Wahl zu messen, aber der Vorteil der Verwendung eines maßgeschneiderten kolloidalen Sonde ermöglicht die Messung zwischen innerhalb des untersuchten System vorhandenen Materialien vorhanden Kräfte. Messbare Wechselwirkungen sind:.. Klebstoff, attraktiv, abstoßend, Ladung und zwischen den Teilchen vorhanden, auch elektrostatische Kräfte ¹⁶ Zusätzlich wird die kolloidale Sondentechnik kann zwischen Teilchen und Materialelastizität vorhanden tangentiale Kräfte zu erforschen ^17,18

Die Möglichkeit, Messungen in verschiedenen Medien durchzuführen ist eines der großen Vorteile von kolloidalem Sonde Nanoskopie. Umgebungsbedingungen, flüssige medien oder feuchtigkeitskontrollierten Bedingungen können alle verwendet werden, um Umgebungsbedingungen des Systems untersucht werden, nachahmen. Die Fähigkeit, Messungen in einer flüssigen Umgebung durchzuführen ermöglicht die Untersuchung von kolloidalen Systemen in einer Umgebung, die es natürlicherweise vorkommt; somit in der Lage, quantitativ Daten, die direkt übersetzbar dem System in seinem natürlichen Zustand zu erwerben. Zum Beispiel können Teilchen-Wechselwirkungen innerhalb Dosieraerosolen (MDI) enthalten mit einem Modell flüssiges Treibmittel mit ähnlichen Eigenschaften wie das Treibmittel in Dosieraerosolen verwendet sucht werden. Die gleichen Wechselwirkungen gemessen in Luft nicht repräsentativ für das System in dem Inhalator vorhanden ist. Ferner kann das flüssige Medium modifiziert werden, um die Wirkung von Feuchtigkeitseintritt, einem sekundären Tensid oder Temperatur auf die Teilchen-Wechselwirkungen in einem MDI zu bewerten. Die Fähigkeit zur Steuerung der Temperatur verwendet werden, um bestimmte Schritte bei der Herstellung von kolloidalen Systemen nachzuahmen, wie Temperatur entweder bei der Herstellung oder auszuwertenSpeicher kolloidaler Systeme können einen Einfluss auf Teilchen-Wechselwirkungen.

Messungen, die unter Verwendung von kolloidalem Sonden erhalten werden können, umfassen; Topographie Scannen, individuelle Kraft-Weg-Kurven, Kraft-Weg-Haft Karten und wohnen Kraft-Weg-Messungen. Wichtige Parameter, die mit der in diesem Papier kolloidalen Sonde Nanoskopie-Methode gemessen werden, umfassen das Snap-In, max Last-und Trennenergiewerte. Snap-in ist ein Maß für die Anziehungskräfte, max laden Sie den Wert der maximalen Haftkraft, und die Trennenergie vermittelt die erforderlich ist, um das Teilchen aus zurückzutreten Energie. Diese Werte können durch sofortige oder Haltekraftmessungen gemessen werden. Zwei verschiedene Arten von Halte Messungen umfassen Auslenkung und Vertiefung. Die Länge und die Art der Messung kann Verweilzeit speziell ausgewählt werden, um spezifische Interaktionen, die innerhalb eines Systems von Interesse vorhanden sind, nachzuahmen. Ein Beispiel ist die Verwendung Ablenkung Verweildauer - das hältdie Proben in Kontakt mit einer gewünschten Härtewert - die Klebeverbindungen, die in Aggregaten in Dispersionen gebildet entwickeln, zu evaluieren. Die Klebeverbindungen gebildet werden, als eine Funktion der Zeit gemessen werden kann und einen Einblick in die erforderlich ist, um die Aggregate nach längerer Lagerung redispergieren Kräfte. Die Fülle von Daten, die mit diesem Verfahren erhalten werden kann, ist ein Beweis für die Vielseitigkeit der Methode.

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Protokoll

1. Vorbereitung der Probe und AFM Kolloidales Substrat

1. Um kolloidalen Sonden herzustellen, verwenden Sie ein zuvor von den Autoren entwickelten Methode. ^19.
   1. Kurz gesagt, mit einem 45 °-Winkel Halter, eine spitzenlose Freischwinger im bestimmten Winkel von 45 ° (Abbildung 1A) zu befestigen.
   2. Bereiten Sie eine Epoxy Folie durch Bestreichen Sie eine dünne Schicht Epoxidharz auf einen Objektträger. Mit einem sauberen Spatel oder einem langsamen Stickstoffstrom, um sicherzustellen, daß die Schicht aus Epoxidharz auf dem Objektträger zugesetzt ist der minimale Höhe.
   3. Befestigen Sie die Folie in eine Epoxy-40X optischer Zoom Mikroskop-Objektiv mit einem kundenspezifischen Halter (Abbildung 1B). Dann nutzen Sie die Freischwinger, die Epoxy-Folie nähern und erwerben Sie eine kleine Menge von Epoxy auf den Ausleger.
   4. Diese Schritte wiederholen, um auch ein einzelnes Partikel von Interesse zu befestigen an der Spitze des Auslegers (Fig. 1C).
2. Bereiten Sie die AFM-Substrat durch die Anbringung kolloidalen ParTeilchen auf einer AFM-Deckglas mit einem thermoplastischen Klebstoff für die Befestigung.
   1. Erhitzen Sie eine 35 mm Runddeckglas bis 120 ° C und eine kleine Menge des Klebers auf dem Deckglas. Die hohe Temperatur ist erforderlich, um den thermoplastischen Klebstoff zur Anwendung zu schmelzen.
   2. Dann kühlen, das Deckglas auf 40 ° C vor Bestäuben der kolloidalen Teilchen auf den Leim. HINWEIS: Bei 40 ° C wird der Klebstoff ausreichend festgelegt, daß die Teilchen nicht in den Klebstoff eingebettet werden, aber der Klebstoff klebrig genug ist, um sicherzustellen, dass die Partikel an dem Substrat haften.
   3. Weitere kühlen das Deckglas auf RT und verwenden Sie einen leichten Stickstoffstrom abgeblasen überschüssige ungebundene Partikel.
   4. Das Substrat mehrere Male mit dem flüssigen Medium, das für kolloidale Sondenmessungen verwendet werden waschen, damit alle losen Partikel von dem Substrat entfernt. HINWEIS: Dies ist wichtig, um die Auswirkungen von frei fließenden Teilchen während der Messung zu reduzieren, können die unterhandeln mit dem Ausleger und Fehler in den Ergebnissen vor.

2. Montage des Kolloidales Probe, Ausrichten Laser und äquilibrierende-System

1. Montieren Sie das Deckglas mit der kolloidalen Teilchen in die untere Hälfte eines Flüssigkeitszelle, um sicherzustellen, dass der O-Ring korrekt sitzt, jede Auslaufen zu verhindern.
2. Legen Sie eine hydrophobe transparente Folie auf den Mikroskoptisch, gegen jede Flüssigkeit, die während des Experiments kann auslaufen zu schützen, vor allem, wenn nur über die untere Hälfte eines Flüssigkeitszelle für die Messung, und legen Sie die Flüssigkeitszelle auf den Mikroskoptisch. HINWEIS: Der Einfachheit halber kann man nur die untere Hälfte einer Flüssigkeitszelle zu verwenden, da das System ausreichend äquilibriert werden; Tipp - die Verdunstung ändert den Zustand der Messung und Auswirkungen der Ergebnisse / Lesen.
3. Befestigen Sie das kolloidale Sonde an die AFM-Messkopf und montieren auf die AFM. Mit der AFM-Instrument-Software auf, verwenden Sie die Knöpfe auf derScannen Kopf, um die Blattfederspitze in den Fokus zu bringen. HINWEIS: Alle Verfahrensschritte und Messungen wurden mit einem MFP-3D AFM-Bio mit Asylum Research Software abgeschlossen.
4. Um Intensität maximieren, richten Sie den Laser auf die Spitze des Auslegers mit den entsprechenden Einstellungsknöpfe auf der Scan-Kopf.
5. Damit das System für 5-10 Minuten oder bis der Biegungswert stabilisiert äquilibrieren. Verwenden Sie die Ablenkung Einstellknopf, um die Ablenkung auf Null oder leicht negativ zu bringen.
6. Nachdem das System in der Luft ins Gleichgewicht, verwenden Sie die AFM-Software (Thermal-Panel im Fenster Master Panel) thermisch zu berechnen die InvOLS (Empfindlichkeit) und Federkonstante der kolloidalen Sonde. HINWEIS: Diese Empfindlichkeit wird vorübergehend verwendet werden, bis die wahre Empfindlichkeit wird bei Beendigung der Messung gemessen werden (siehe Schritt 4).
   1. Wählen Sie entweder "Cal Federkonstante" oder "Cal InvOLS" und klicken dann auf "Capture Thermische Daten".
   2. Einmalein prominenter Spitzen ist offensichtlich, stoppen Sie die Erfassung von Daten, und klicken Sie zum Vergrößern auf die Hauptgipfel.
   3. Klicken Sie auf "Initialisieren Fit", gefolgt von "Fit Thermal-Daten", die automatisch berechnet Federkonstante oder InvOLS Werte zu erhalten.
7. Langsam 2 ml des flüssigen Mediums zu der Flüssigkeitszelle unter Verwendung einer Spritze und sicherzustellen, dass keine Blasen auf der Ausleger vorhanden sind. Neuausrichten der Laser, da der Brechungsindex des Mediums ändert sich jetzt und wieder ins Gleichgewicht des Systems ermöglicht die Ablenkung Wert vor der Einstellung der Auslenkung auf Null zu stabilisieren. HINWEIS: Wenn ein großer Temperaturunterschied zwischen der Umgebung und Flüssigkeit vorhanden ist, wird Ausgleich länger dauern.

3. Imaging und Datenkommunikation

1. Setzen Sie den ersten Scangröße bis 20 um, scannen Rate auf 1 Hz, Scanwinkel bis 90 °, Sollwert auf 0,2 V und erhalten einen Scan der Probe. Stellen Sie die Verstärkung wie notwendig, um überlappenden Spuren erhaltenund verfolgen Kurven.
2. Sobald ein Teilchen von Interesse gefunden wird, sofort auf, dass die Partikel vergrößern Zum erweiterten Sonden-Wechselwirkungen mit dem Substrat vor dem Erhalt Kraft Volumenmessungen beschränken.
3. Sobald gezoomt, erwerben eine ausreichende Bild eines einzelnen Teilchens oder Teil eines einzelnen Teilchens. Dann in die Macht-Panel wechseln in der Software. Bringen Sie den roten Positionsleiste in die höchste Position, stellen Sie den Abstand Kraft bis 5 um, Scan-Rate auf 0,1 Hz, Trigger-Kanal zu keinen und führen eine Einzelkraft-Messung. Stellen Sie sicher, dass die Sonde nicht in Kontakt mit dem Substrat.
4. Vom Einzelmesskurve erhalten, die Berechnung der Biegelinie virtuelle mit der rechten Maustaste auf das Grafikfenster, und wählen Sie die Option "Berechnen Virtuelle Def Line". Dieser berechnet dann automatisch die virtuelle Ablenkung und aktualisieren Sie den Wert wie in der Software nötig.
5. Ändern Sie den Triggerkanal, bis zu 20 nm Auslenkung und den Triggerpunkt. Stellen Sie die Kraft distrungs bis 1 um und stellen die Scangeschwindigkeit, wie gewünscht in Abhängigkeit von den gemessenen Kräften von Interesse.
6. Den Wert manuell einstellen für die Ablenkung Inverse Optical Lever Empfindlichkeit (InvOLS) in der Bewertung Waffensteuerung nach Durchführung 2-3 aufeinander folgenden vorläufigen Einzelkraft-Messungen.
   1. Führen Sie eine Einzelkraft-Messung, dann klicken Sie auf den "Review"-Taste auf der Force-Panel, das einen Haupt-Kraftsteuerung wird geöffnet.
   2. Markieren Sie den zuletzt abgeschlossenen Kraftmessung. Unter der "Achse" Überschrift sicherzustellen, dass nur "DeflV" aktiviert ist. Ändern Sie den "X-Achse" Eingabefeld auf "September" über das Dropdown-Menü und klicken Sie auf "Grafik zu machen."
   3. Klicken Sie auf "Parm" Vorsprung auf der Haupt-Kraftsteuerung und stellen Sie den Wert von "InvOLS", bis die Kontaktbereich des Graphen ist völlig senkrecht. Dann bevölkern diesen Wert im Feld "Defl InvOLS" unter der Cal befindet60; Unterregisterkarte in der Registerkarte Force für die Haupt Master Panel-Fenster.
   4. Wiederholen Sie diesen Vorgang 2-3 mal, um sicherzustellen, dass die InvOLS Wert nicht wesentlich ändern.
7. Nun, da alle Parameter eingerichtet wurden, sorgen dafür, dass das flüssige Medium Ebene ist immer noch ausreichend und dass die Ablenkung ist immer noch stabil. HINWEIS: Zu diesem Zeitpunkt können einzelne Kraftkurven oder Kraft Karten erhalten werden. Wenn Verweilzeit Kraftmessungen gewünscht werden, können die Haltemöglichkeiten in der Macht-Panel zugegriffen werden.

4. Post-Abstimmung der Empfindlichkeit für Analysis

1. Nach Abschluss der Messwerterfassung, Messung der tatsächlichen Empfindlichkeit des kolloidalen Sonde. Um dies zu tun, führen Sie eine Kraftmessung mit einem relativ großen Ablenkung / Kraft mit der kolloidalen Sonde in der gleichen flüssigen Medium gegen ein "unendlich" harte Oberfläche wie Glimmer. HINWEIS: Die Empfindlichkeit wurde nach Abschluss der Experimente erhalten, da die große Auslenkung / Kraft kann collo beschädigenidal Sonden mit porösen oder zerbrechliche Kolloide vorbereitet.
2. Die Neigung der Kontaktbereich wird durch die Software verwendet, um die Empfindlichkeit (Fig. 2) automatisch berechnet werden. Mit dieser wahren Wert der Empfindlichkeit während der Datenanalyse aller mit, dass insbesondere kolloidale Sonde erhaltenen Kurven.

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Ergebnisse

Flüssige kolloidale Systeme sind für verschiedene pharmazeutische Drug Delivery-Systemen verwendet wird. Inhalationsmedikamentenlieferung ist ein gemeinsames System der kolloidalen Suspension unter Druck Dosieraerosol (pMDI). Teilchen-Wechselwirkungen in der vorliegenden Druckdosieraerosol spielen eine wichtige Rolle bei der Formulierung der physikalischen Stabilität, Lagerung und Drug-Delivery-Uniformität. In diesem Manuskript wurden interpartikuläre Kräfte zwischen porösen Lipid-basierte Partikel (~ 2 um optisc...

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Diskussion

Mehrere Quellen der Instabilität des Systems während der Flüssigkeits kolloidalen Sonde Nanoskopie vorhanden ist, kann leicht durch eine angemessene Ausgleichsverfahren gemildert werden. Instabilitäten wie besprochen zuvor in fehlerhaften Ergebnissen und Kraftkurven, die schwieriger zu analysieren sind objektiv führen. Wenn alle Quellen der Instabilität wurden gepflegt und ähnlich der in Fig. 4 gezeigten Graphen noch vorhanden sind, kann ein weiterer Messparameter der Grund sein. Weitere Messpara...

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Materialien

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