Количественный и качественный анализ взаимодействий между частицами Использование коллоидных Probe Наноскопия

Резюме

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.

Аннотация

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.

Введение

Атомно-силовая микроскопия (АСМ) является метод, который позволяет качественный и количественный изображений и зондирования поверхности материала. ^4-6 Традиционно АСМ используется для оценки рельефа поверхности, морфологии и структуры многостраничных фазовых материалов. АСМ имеет возможность количественно оценить нано-взаимодействия, такие как заряда, привлечения, отталкивания и сил адгезии между специфического зонда и субстрата в воздушной и жидких сред. ^7,8 АСМ первоначально разработана Биннинг, Quate и Gerber ^{9 Использование} Зонд известного / определенной чувствительности и пружины, чтобы приблизиться и / или сканировать образец. Из-за физических взаимодействий между зондом и образцом, кантилевер отклоняется во время контакта или близости и в зависимости от режима работы, это отклонение может быть переведено приобрести топографию образца или измерения сил, присутствующих между зондом и образцом. Изменения в техни АСМдие, например, коллоидный зонда Наноскопии, ¹⁰ позволили ученым непосредственно оценить нано-силовые взаимодействия между двумя материалов, присутствующих в коллоидной системы интересов.

В коллоидной Наноскопии зонда, сферической частицы выбора прикреплен к вершине кантилевера, заменяя традиционные конические и пирамидальные советы. Сферическая частица идеально подходит для возможности сравнения с теоретическими моделями, такими как Джонсон, Кендал, Робертс (ДКР) ¹¹ и Дерягина, Ландау Vervwey, Overbeek (ДЛФО) ^12-14 теорий и свести к минимуму влияние шероховатости поверхности на измерение. ¹⁵ Эти теории используются для определения контактных механики и силы между частицами ожидаются в течение коллоидной системы. Теория ДЛФО сочетает в себе привлекательный ван-дер-Ваальса и отталкивания электростатические силы (из-за двойных электрических слоев) количественно объяснить поведение агрегации водных коллоидных систем, в то время как JТеория KR включает эффект контактного давления и адгезии к модели упругого контакта между двумя компонентами. После того, как соответствующий зонд производится, он используется для подойти к любой другой материал / частицу оценить силы между двумя компонентами. Используя стандартный изготавливается наконечник один сможет измерить интерактивные силы между этой верхушки, а материал выбора, но выгода от использования на заказ коллоидный зонд позволяет измерять сил, присутствующих между материалов, присутствующих в исследуемой системы. Измеряемые взаимодействия включают в себя:.. Клей, привлекательный, отталкивающее, заряд и даже электростатических сил, присутствующих между частицами ¹⁶ Кроме того, метод коллоидного зонд может быть использован для изучения тангенциальных сил, присутствующих между частицами и упругости материала ^17,18

Способность проводить измерения в различных средах является одним из главных преимуществ коллоидного Наноскопии зонда. Условия окружающей среды, жидкость мEdia или условия контролируемой влажностью могут быть использованы для имитации экологических условий исследуемой системы. Возможность проводить измерения в жидкой среде позволяет изучать коллоидных систем в среде, которая естественно происходит; Таким образом, будучи в состоянии количественно приобрести данные, которые непосредственно переводимые в систему в своем естественном состоянии. Например, взаимодействие частиц, присутствующие в дозированных ингаляторов (ДИ) могут быть изучены с использованием модельной жидкого ракетного топлива с аналогичными свойствами в пропеллента используется в ДИ. Те же взаимодействия, измеренные в воздухе не будет представитель системы существует в ингалятор. Кроме того, жидкая среда может быть изменен, чтобы оценить эффект проникновения влаги, вторичного поверхностно-активного вещества или температуры на взаимодействий частиц в MDI. Возможность контролировать температуру можно использовать, чтобы имитировать определенные шаги в производстве коллоидных систем, чтобы оценить, как температура либо в производстве илихранение коллоидных систем может оказать влияние на взаимодействия частиц.

Измерения которые могут быть получены с использованием коллоидных зонды включают; Топография сканирование, индивидуальные кривые сила-расстояние, карты сила дальнего адгезии и живи измерения силы-расстояния. Основные параметры, которые оцениваются с использованием коллоидного метод пробного Наноскопия представленную в настоящем документе, включают оснастку, максимальная нагрузка, и значения энергии разделения. Оснастку является измерение сил притяжения, максимальная нагрузка значение максимальной силы адгезии, а энергия разделения передает энергию, необходимую отозвать частицу от контакта. Эти значения могут быть измерены с помощью мгновенных или силовых задержки измерений. Два различных типа обитать измерений включают отклонение и отступы. Длина и тип измерения задержки может быть специально выбран, чтобы имитировать специфичных взаимодействий, которые присутствуют в системе, представляющей интерес. Примером может служить использование отклонения пребывать - который держитобразцы, находящиеся в контакте на требуемое значение отклонения - оценить адгезионных связей, которые развиваются в агрегатов, образованных в дисперсий. Адгезивные связи, образованные может быть измерена как функция времени и может обеспечить понимание сил, требуемых для диспергировать агрегатов после длительного хранения. Изобилие данных, которые могут быть получены с помощью этого метода является свидетельством универсальности метода.

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

протокол

1. Подготовка коллоидных зонд и АСМ субстрат

1. Для подготовки коллоидные зонды, использовать метод, разработанный ранее авторами. ¹⁹
   1. Короче говоря, использовать угол держатель 45 °, чтобы прикрепить без иглы кантилевера на конкретной углом 45 ° (рис. 1А).
   2. Подготовка эпоксидную слайд по размытию тонкий слой эпоксидной смолы на предметное стекло микроскопа. С помощью чистой шпатель или медленным током азота, чтобы обеспечить, что слой из эпоксидной смолы добавлены в стекле микроскопа имеет минимальную высоту.
   3. Прикрепите эпоксидной слайда в оптический зум микроскопа объективом 40х с помощью специально созданных держатель (рис. 1В). Затем с помощью кантилевера подойти к эпоксидной слайд и получить небольшое количество эпоксидной смолы на кантилевер.
   4. Повторите эти действия также прикрепить одну частицу интереса на вершине кантилевера (рис. 1в).
2. Подготовьте АСМ подложку путем проставления коллоидный парными частицами, на АСМ покровного используя термопластичный монтажный клей.
   1. Нагрейте 35 мм круглый покровное до 120 ° С, и нанесите небольшое количество клея на покровное. Высокая температура необходима, чтобы расплавить термопластичный клей для применения.
   2. Затем круто, покровное до 40 ° С перед опылением коллоидные частицы на клей. Примечание: при 40 ° С клей достаточно установить, что частицы не станет встроенный в клей, но клей достаточно липким, чтобы гарантировать, что частицы будут прилипать к подложке.
   3. Далее охладить покровное до комнатной температуры и используйте нежный поток азота сдуть излишки одиноких частицы.
   4. Промыть субстрата несколько раз с жидкой средой, которая будет использоваться для измерений коллоидных зонда гарантировать, что все незакрепленные частицы удаляются из субстрата. ПРИМЕЧАНИЕ: Это важно, чтобы уменьшить последствия сыпучих частиц во время измерения, которые могут междудействовать с кантилевера и привести к ошибкам в результатах.

2. Монтаж коллоидных зонд, выравнивая лазер и уравновешивания системы

1. Установите покровное с коллоидных частиц в нижней половине жидкой клетки, убедившись, что уплотнительное кольцо установлен правильно, чтобы предотвратить любую утечку.
2. Наведите гидрофобный прозрачный лист на столике микроскопа для защиты от любой жидкости, что возможна утечка в ходе эксперимента, особенно если только с помощью нижнюю половину жидкости ячейки для измерения и поместите жидкости ячейку на столике микроскопа. ПРИМЕЧАНИЕ: Для простоты можно использовать только нижнюю половину жидкой клетки, учитывая, что система может быть уравновешена адекватно; совет - испарение изменяет состояние измерения и воздействия результаты / чтения.
3. Прикрепите коллоидный зонд сканирующего АСМ голову и собрать на АСМ. С помощью программного обеспечения АСМ прибор, используйте ручки насканирующая головка принести кончик кантилевера в фокусе. ПРИМЕЧАНИЕ: Все процессуальные действия и измерения были завершены с помощью МФУ-3D-Био АСМ с программным обеспечением Asylum Research.
4. Чтобы максимизировать интенсивность, выровнять лазер на наконечник кантилевера, используя соответствующие ручки регулировки на сканирующей головки.
5. Позвольте системе равновесия в течение 5-10 мин или пока значение отклонения стабилизируется. Используйте ручку регулировки прогиба довести отклонение до нуля или немного отрицательный.
6. После того как система уравновешена в воздухе, использовать программное обеспечение АСМ (тепловые панели в окне Мастер Panel), чтобы термически расчета InvOLS (чувствительность) и пружины из коллоидного зонда. ПРИМЕЧАНИЕ: Эта чувствительность будет временно использоваться до тех пор, правда, чувствительность не оценивается по окончании измерений (см. шаг 4).
   1. Выберите "Cal Жесткость пружины" или "Cal InvOLS", а затем нажмите на кнопку "Захват тепловых данных".
   2. Один развидный пик очевидно, остановить захват данных, и нажмите, чтобы увеличить более основной пик.
   3. Нажмите на кнопку "Initialize Fit", а затем "Fit тепловых данных," чтобы получить автоматически рассчитывается жесткости пружины или InvOLS значения.
7. Медленно добавляют 2 мл жидкой среды к жидкой клетки с помощью шприца и гарантировать, что никакие пузырьки не присутствуют вокруг кантилевера. Повторно выровнять лазер, так как показатель преломления среды в настоящее время изменилась, и в очередной раз уравновесить систему, позволяющую значение отклонения для стабилизации перед регулировкой отклонения на ноль. ПРИМЕЧАНИЕ: Если большая разница температур между окружающей средой и жидкости, равновесия займет больше времени.

3. Изображений и сбора данных

1. Установите начальный размер сканирования до 20 мкм, скорость сканирования до 1 Гц, угла сканирования до 90 °, заданной точки до 0,2 V и получить сканирование образца. Отрегулируйте усиление, сколько необходимо для получения перекрывающуюся следи повторить кривые.
2. Как только частица интерес найден, немедленно масштаба на этой частицы ограничить расширенные зонда взаимодействия с подложкой до получения измерений объемной силы.
3. Как только увеличено, приобрести достаточное образ одной частицы или части одной частицы. Затем переключитесь на панели Force в программном обеспечении. Принесите красная полоса положение в самое верхнее положение, установите расстояние силы до 5 мкм, скорость сканирования до 0,1 Гц, спусковой канал на равных, и провести измерение единую силу. Убедитесь, что зонд не контактирует с подложкой.
4. С одной измерения графа, полученного, вычислить виртуальную линию отклонения щелкнув правой кнопкой мыши на окне графика, и выбрав опцию "Рассчитать Virtual Def Line". Это автоматически расчета виртуального отклонение и обновить значение по мере необходимости в рамках программного обеспечения.
5. Измените канал триггера к прогибу и установить точку срабатывания до 20 нм. Установите силы расстояниеAnce до 1 мкм и регулировать скорость сканирования по желанию в зависимости от измеренных сил, представляющих интерес.
6. Ручная регулировка значение для отклонения Обратная Оптический Рычаг чувствительности (InvOLS) в Панели отзыв Force после проведения 2-3 последовательных измерений предварительные единую силу.
   1. Провести измерения единой силы, а затем нажмите на кнопку "Обзор" на панели Force, которая открывает панель Мастер Force.
   2. Выделите наиболее недавно завершила измерение силы. Под "Ось" заголовок гарантировать, что только "DeflV" проверяется. Измените значение в поле ввода "ось Х" на "Сентябрь" с помощью раскрывающегося меню и нажмите "сделать график."
   3. Перейдите на вкладку "Parm" на панели Мастер Force и отрегулируйте значение "InvOLS" пока контакт область графика не является полностью вертикально. Тогда заполнить это значение в поле "Defl InvOLS", расположенного под Cal60; на вкладке Force, расположенной на главном окне Мастер Panel суб-вкладке.
   4. Повторите это 2-3 раза, чтобы убедиться, что значение InvOLS существенно не меняется.
7. Теперь, когда все параметры были созданы, убедитесь, что уровень жидкости среднего по-прежнему недостаточно и что отклонение по-прежнему стабильна. ПРИМЕЧАНИЕ: В это время, кривые единой силы или карты сила может быть получена. Если измерения задержки сила желательны, варианты задержки затвора могут быть доступны в панели Force.

4. После настройки чувствительности для анализа

1. После завершения приобретения измерения, измерить истинную чувствительность коллоидного зонда. Чтобы сделать это, провести измерение силы с помощью относительно большой Паразитный / силы с коллоидной зонда в то же жидкой среде против «бесконечно» твердой поверхности, таких как слюды. ПРИМЕЧАНИЕ: Чувствительность была получена после завершения экспериментов, потому что большой прогиб / сила может повредить ColloIdal зонды, приготовленные с пористыми или хрупких коллоидов.
2. Наклон области контакта используется программное обеспечение для автоматического расчета чувствительности (рис. 2). Используйте эту истинную ценность чувствительности при анализе данных всех кривых, полученных с помощью этой конкретной коллоидный зонд.

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

Результаты

Жидкие коллоидные системы используются для нескольких фармацевтических систем доставки лекарств. Для ингаляции доставки лекарств, общий коллоидная система является надстройкой под давлением дозирующий ингалятор (ДАИ). Взаимодействия частиц, присутствующие в PMDI играют жизненно важн...

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

Обсуждение

Некоторые источники нестабильности системы настоящего течение жидкого коллоидного Наноскопии зонда можно легко устранить с помощью надлежащих процедур уравновешивания. Неустойчивости, как обсуждалось ранее привести к ошибочным результатам и кривых силы, которые более трудно анали...

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

Материалы

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