Examen quantitative et qualitative des interactions entre particules à l'aide de la sonde colloïdale nanoscopie

Résumé

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.

Résumé

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

Microscopie à force atomique (AFM) est une technique qui permet une imagerie qualitative et quantitative de palpage et d'une surface du matériau. ^06.04 Traditionnellement, AFM est utilisé pour l'évaluation de la topographie de la surface, la morphologie et la structure des matériaux multi-phasiques. AFM a la capacité d'évaluer quantitativement les interactions à l'échelle nanométrique, tels que frais, attraction, répulsion et d'adhérence forces entre une sonde et le substrat spécifique à la fois dans l'air et les milieux liquides ^7,8 L'AFM développé à l'origine par Binning, Quate et Gerber ⁹ utilisations. une sonde de sensibilité connue / déterminée et constante de rappel à l'approche et / ou analyser un échantillon. En raison des interactions physiques entre la sonde et l'échantillon, le porte à faux est dévié lors d'un contact ou de proximité et en fonction du mode de fonctionnement, cette déflexion peut être traduit pour acquérir la topographie des forces de l'échantillon ou de la mesure actuelle entre la sonde et l'échantillon. Les modifications apportées à la technique AFMQue, comme sonde colloïdale nanoscopie, ¹⁰ ont permis scientifique pour évaluer directement les interactions nano-d'œuvre entre les deux matériaux présents dans un système colloïdal d'intérêt.

Dans colloïdale sonde nanoscopie, une particule sphérique de choix est fixé au sommet d'un cantilever, en remplaçant les pointes coniques et pyramidales traditionnelles. Une particule sphérique est idéal pour permettre la comparaison avec les modèles théoriques tels que le Johnson, Kendal, Roberts (JKR) ¹¹ et Derjaguin, Landau, Vervwey, Overbeek (DLVO) ^12-14 théories et de minimiser l'influence de la rugosité de surface sur la mesure. ¹⁵ Ces théories sont utilisées pour définir les mécanismes de contact et les forces entre les particules attendues dans un système colloïdal. La théorie DLVO combine les attrayante forces de van der Waals et les forces électrostatiques répulsives (en raison de doubles couches électriques) pour expliquer quantitativement le comportement d'agrégation des systèmes colloïdales aqueuses, tandis que le Jthéorie des KR incorpore l'effet de la pression de contact et l'adhérence de modéliser un contact élastique entre les deux composants. Une fois que la sonde appropriée est produite, elle est utilisée pour approcher tout autre matériau / particules pour évaluer les forces entre les deux composants. En utilisant une pointe un standard fabriqué sera capable de mesurer les forces d'interaction entre cette pointe et un matériau de choix, mais l'avantage d'utiliser une sonde colloïdale sur mesure permet la mesure de forces en présence entre les matériaux présents dans le système étudié. Interactions mesurables sont:.. Adhésif, attrayant, répulsif, la charge et les forces électrostatiques même présents entre les particules ¹⁶ En outre, la technique de la sonde colloïdale peut être utilisé pour explorer les forces tangentielles présents entre les particules et la matière élasticité ^17,18

La capacité d'effectuer des mesures dans divers médias est l'un des principaux avantages de la sonde colloïdale nanoscopie. Conditions ambiantes, liquide mdias, ou des conditions d'humidité contrôlée peuvent tous être utilisés pour reproduire les conditions environnementales du système étudié. La capacité d'effectuer des mesures dans un environnement liquide permet l'étude des systèmes colloïdaux dans un environnement qui se produit naturellement; par conséquent, être capable d'acquérir des données qui sont quantitativement directement transposables pour le système dans son état naturel. Par exemple, les interactions de particules présentes dans les inhalateurs doseurs (MDI) peuvent être étudiés en utilisant un modèle propergol liquide avec des propriétés similaires à l'agent propulseur utilisé dans les inhalateurs-doseurs. Les mêmes interactions mesurées dans l'air ne seraient pas représentatives de l'existant du système dans l'inhalateur. En outre, le milieu liquide peut être modifié pour évaluer l'effet de la pénétration d'humidité, un agent tensio-actif secondaire, ou de la température sur les interactions de particules dans un aérosol-doseur. La capacité de contrôler la température peut être utilisée pour imiter certaines étapes de la fabrication des systèmes colloïdaux d'évaluer comment la température soit dans la fabrication ou destockage des systèmes colloïdaux peut avoir un impact sur les interactions de particules.

Les mesures que l'on peut obtenir en utilisant des sondes colloïdales comprennent; balayage de Topographie, courbes force-distance individuels, des cartes d'adhésion force-distance, et habiter mesures force-distance. Les paramètres clés qui sont évalués selon la méthode de la sonde de nanoscopie colloïdale présentée dans ce document sont les valeurs de l'énergie séparation snap-in, charge max, et. Snap-in est une mesure des forces d'attraction, max charger la valeur de la force d'adhérence maximale, et l'énergie de séparation donne l'énergie nécessaire pour retirer la particule de contact. Ces valeurs peuvent être mesurées par des mesures instantanées ou de la force de maintien. Deux types de mesures sont différentes Dwell déviation et l'indentation. La longueur et le type de mesure temporisation peuvent être spécifiquement choisies pour simuler les interactions spécifiques qui sont présents au sein d'un système d'intérêt. Un exemple utilise déviation séjour - qui détientles échantillons en contact à une valeur de déviation souhaité - d'évaluer les collages qui se développent dans les agrégats formés dans les dispersions. Les liaisons adhésives formées peuvent être mesurées en fonction du temps et peuvent donner un aperçu des forces nécessaires pour redisperser les agrégats après un stockage prolongé. La pléthore de données qui peut être obtenu en utilisant cette méthode est un témoignage de la polyvalence de la méthode.

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

Protocole

1. Préparation de la sonde colloïdale et AFM Substrat

1. Pour préparer des sondes colloïdales, utiliser une méthode développée précédemment par les auteurs. ¹⁹
   1. En bref, utiliser un porte-angle de 45 ° pour fixer un porte à faux sans pointe à l'angle spécifique de 45 ° (figure 1A).
   2. Préparer une lame d'époxy en enduisant une couche mince de résine époxy sur une lame de microscope. Utiliser une spatule propre ou un lent courant d'azote afin d'assurer que la couche d'époxy ajouté à la lame de microscope est de hauteur minimale.
   3. Fixez la glissière époxy à une lentille optique de microscope zoom 40X en utilisant un support conçu sur mesure (figure 1B). Ensuite, utilisez la console d'aborder la diapositive époxy et d'acquérir une petite quantité d'époxy sur la poutre.
   4. Répétez ces étapes pour joindre également une seule particule d'intérêt au sommet de la poutre (figure 1C).
2. Préparer le substrat de l'AFM en apposant colloïdale parcles sur une lamelle de l'AFM en utilisant un adhésif de fixation thermoplastique.
   1. Chauffer à 35 mm de diamètre lamelle à 120 ° C, et appliquez une petite quantité d'adhésif à la lamelle. La température élevée est nécessaire pour faire fondre l'adhésif thermoplastique pour l'application.
   2. Puis refroidir, la lamelle couvre-objet de 40 ° C avant de poudrage des particules colloïdales sur la colle. NOTE: A 40 ° C la colle est suffisamment défini que les particules ne seront pas s'incruster dans la colle, mais la colle est suffisamment collante pour faire en sorte que les particules adhèrent au substrat.
   3. Refroidir davantage la lamelle à la température ambiante et d'utiliser un léger courant d'azote pour souffler les particules seules excédentaires.
   4. Laver plusieurs fois le substrat avec le milieu liquide qui sera utilisé pour les mesures de la sonde colloïdales afin de s'assurer que toutes les particules seules sont retirés à partir du substrat. NOTE: Il est important de réduire les effets de particules à écoulement libre au cours de la mesure, qui peut entreagir avec le cantilever et d'introduire des erreurs dans les résultats.

2. Montage de la sonde colloïdale, alignement laser et système d'équilibrage

1. Montez la lamelle avec les particules colloïdales dans la moitié inférieure d'une cellule liquide, s'assurer que le joint torique est bien en place pour éviter toute fuite.
2. Placer une feuille transparente hydrophobe sur la platine du microscope pour se prémunir contre tout liquide qui peut fuir pendant l'expérience, en particulier en utilisant seulement si la moitié inférieure d'une cellule pour la mesure de liquide, et placer la cellule liquide sur la platine du microscope. NOTE: Pour plus de simplicité on peut utiliser seulement la moitié inférieure d'une cellule liquide, étant donné que le système peut être équilibré de manière adéquate; pointe - l'évaporation modifie l'état de la mesure et les effets que les résultats / lecture.
3. Fixer la sonde colloïdale à la tête de balayage de l'AFM et assembler sur l'AFM. Avec le logiciel de l'appareil de l'AFM, utilisez les boutons de labalayage tête pour amener la tête de flèche dans le foyer. NOTE: Toutes les étapes de la procédure et des mesures ont été réalisées en utilisant un AFM MFP-3D-Bio avec le logiciel Asylum Research.
4. Afin de maximiser l'intensité, aligner le laser sur la pointe de la poutre à l'aide des boutons de réglage appropriées sur la tête de lecture.
5. Laisser le système s'équilibrer pendant 5-10 min ou jusqu'à ce que la valeur de déviation se stabilise. Utiliser le bouton de réglage de déflexion pour amener la déviation nulle ou légèrement négative.
6. Une fois le système en équilibre dans l'air, utiliser le logiciel de l'AFM (Panneau thermique dans la fenêtre Panneau de Master) thermiquement calculer les InvOLS (sensibilité) et constante du ressort de la sonde colloïdale. NOTE: Cette sensibilité sera utilisé temporairement jusqu'à ce que la vraie sensibilité est mesurée à la fin de la mesure (voir l'étape 4).
   1. Sélectionnez "Cal Constant Spring» ou «Cal InvOLS" puis cliquez sur "Capture de données thermique".
   2. Une foisun pic important apparaît, arrêter la capture des données, et cliquez pour zoomer sur le pic principal.
   3. Cliquez sur "Initialisation Fit", suivi par "Monter données thermiques," pour obtenir la constante de ressort calculée automatiquement ou valeurs InvOLS.
7. Ajouter lentement 2 ml du milieu liquide dans la cellule liquide en utilisant une seringue et veiller à ce qu'aucune bulles sont présentes dans le cantilever. Re-alignez le laser, puisque l'indice de réfraction du milieu a changé, et encore une fois équilibrer le système permettant la valeur de déviation pour stabiliser avant de régler la déviation à zéro. REMARQUE: Si une grande différence de température existant entre l'environnement et le liquide, l'équilibre sera plus long.

3. D'imagerie et d'acquisition de données

1. Définissez la taille de balayage initial à 20 um, vitesse de balayage de 1 Hz, angle de balayage de 90 °, le point de consigne à 0,2 V et d'obtenir une analyse de l'échantillon. Réglez le gain que nécessaire pour obtenir la trace de chevauchementet retracer les courbes.
2. Une fois qu'une particule d'intérêt est détecté, faire immédiatement sur cette particule de limiter les interactions de sonde étendus avec le substrat avant d'obtenir des mesures du volume de la force.
3. Une fois le zoom, acquérir une image suffisante d'une seule particule ou partie d'une seule particule. Puis passer au Groupe de travail dans le logiciel. Apportez la barre de position rouge à la position la plus élevée, réglez la distance de la force à 5 pm, vitesse de balayage de 0,1 Hz, le canal de déclenchement à aucun et effectuer une mesure de la force unique. Assurez-vous que la sonde ne touche pas le substrat.
4. De la courbe de mesure unique obtenue, calculer la ligne de déviation virtuelle par un clic droit sur la fenêtre graphique, et en sélectionnant l'option "Calculer virtuel Def Line". Cela va automatiquement calculer la déviation virtuelle et mettre à jour la valeur comme nécessaire dans le logiciel.
5. Changez le canal de déclenchement à la flexion et définir le point de déclenchement à 20 nm. Réglez le dist de forceance à 1 um et ajuster la vitesse de balayage comme on le souhaite en fonction des forces mesurées d'intérêt.
6. Ajuster manuellement la valeur de la déviation optique inverse levier Sensibilité (InvOLS) dans le Groupe d'étude sur la Force après avoir mené 2-3 les mesures de force unique préliminaires consécutives.
   1. Effectuer une mesure de la force seule, puis cliquez sur le bouton "avis" sur le panneau de travail qui ouvre un Master Panel de travail.
   2. Sélectionnez mesure la force le plus récent. Dans le cadre du "Axe" rubrique s'assurer que seul "DeflV" est cochée. Modifiez le champ d'entrée "X-Axis" à "SEP" à l'aide du menu déroulant, puis cliquez sur "faire graphique."
   3. Cliquez sur l'onglet "Parm" sur le panneau principal de travail et d'ajuster la valeur de "InvOLS" jusqu'à ce que la région de la courbe de contact est complètement verticale. Puis remplir cette valeur dans le champ "DEFL InvOLS" situé sous le Cal60; sous-onglet dans l'onglet de travail situé dans la fenêtre principale du panneau principal.
   4. Répéter ce 2-3 fois afin de s'assurer que la valeur en InvOLS ne change pas de manière significative.
7. Maintenant que tous les paramètres ont été mis en place, s'assurer que le niveau moyen de liquide est encore suffisante et que la déviation est toujours stable. NOTE: A ce moment, les courbes de force unique ou les cartes de force peuvent être obtenus. Si les mesures de force séjour sont souhaitées, les options de temps d'arrêt peuvent être consultés dans le panneau de travail.

4. Post-tuning de sensibilité pour l'analyse

1. Après l'achèvement de l'acquisition de mesure, mesurer la vraie sensibilité de la sonde colloïdale. Pour ce faire, procéder à une mesure de la force en utilisant un nombre relativement important de déviation / force avec la sonde colloïdale dans le même milieu liquide contre un "infiniment" surface dure tels que le mica. REMARQUE: La sensibilité a été obtenue après la fin des expériences, car la grande déflexion / force peut endommager colloIDAL sondes préparées avec des colloïdes poreux ou fragiles.
2. La pente de la zone de contact est utilisé par le logiciel pour le calcul automatique de la sensibilité (figure 2). Utilisez cette vraie valeur de la sensibilité lors de l'analyse de données de toutes les courbes obtenues en utilisant cette sonde colloïdale particulier.

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

Résultats

Systèmes colloïdaux liquides sont utilisés pour plusieurs systèmes de délivrance de médicaments pharmaceutiques. Pour l'administration de médicaments par inhalation, un système colloïdal commun est la suspension d'inhalateur doseur pressurisé (pMDI). interactions de particules présentes dans l'aérosol-doseur jouent un rôle essentiel dans la formulation stabilité physique, le stockage et la livraison de drogue uniformité. Dans ce manuscrit, les forces inter-particules entre les particules à ba...

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

Discussion

Plusieurs sources de l'instabilité du système actuel durant liquide colloïdal sonde nanoscopie peuvent facilement être atténués grâce à des procédures d'équilibrage appropriées. Instabilités tel que discuté précédemment entraînent des résultats erronés et courbes de force qui sont plus difficiles à analyser objectivement. Si toutes les sources d'instabilité ont été tendu et des graphiques similaires à celui représenté sur la figure 4 sont encore présents, un autre p...

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

matériels

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