Kolloidal Probe Nanoscopy kullanarak parçacık-parçacık Etkileşimleri Nicel ve Nitel Sınav

Özet

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.

Özet

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.

Giriş

Atomik güç mikroskopi (AFM) nicel ve nitel görüntülemeyi sağlayan bir malzeme yüzeyinin tarama tekniğidir. ^4-6 Geleneksel olarak, AFM yüzey topografisi, morfoloji ve çok-fazik malzemelerin yapısının değerlendirilmesi için kullanılır. AFM kantitatif hava ve sıvı ortamlarda hem de belirli bir prob ve yüzey arasındaki ücret, çekim, itme ve yapışma kuvvetleri olarak nano-ölçekli etkileşimlerini değerlendirmek için yeteneğine sahiptir. ^7,8 aslen Binning, Quate ve Gerber ⁹ kullanımları tarafından geliştirilen AFM Bilinen / belirlenen duyarlılık ve örnek bir yaklaşım ve / veya tarama yay sabiti bir prob. Nedeniyle, prob ve örnek arasındaki fiziksel etkileşimler, konsol veya buna yakın temas sırasında saptırılır ve operasyon moduna bağlı olarak, bu sapma, prob ve numune arasında mevcut olan örnek veya ölçü kuvvetlerinin topografyası elde etmek için tercüme edilebilir. AFM techni modifikasyonlarıque, koloidal prob nanoscopy gibi, ¹⁰ doğrudan özel bir koloidal sistem içinde mevcut olan iki malzeme arasında, nano-kuvvet etkileşimlerini değerlendirmek için bilim sağladı.

Koloidal prob nanoscopy olarak, tercih edilen bir küresel parçacık geleneksel konik ve piramidal ipuçları değiştirerek, konsol tepe tutturulur. Bir küresel parçacık gibi Johnson, Kendal, Roberts (JKR) ¹¹ ve Derjaguin, Landau, Vervwey, Overbeek (DLVO) ^12-14 teori ve ölçüm yüzey pürüzlülüğünün etkisini en aza indirmek için teorik modelleri ile karşılaştırma yapabilmek için idealdir. ¹⁵ Bu teoriler bir kolloidal sistem içinde bekleniyor temas mekaniği ve parçacık arası güçleri tanımlamak için kullanılır. DLVO teorisi ise J, kantitatif sulu kolloidal sistemlerin toplama davranışlarını açıklamak için cazip van der Waals kuvvetleri ve (genellikle elektriksel çift kat) itici elektrostatik kuvvetler birleştirirKR teori, iki bileşen arasındaki esnek temas Modele temas basıncı ve yapışma etkisini içermektedir. Uygun bir sonda üretilir sonra, bu iki bileşen arasındaki kuvvetleri değerlendirmek için başka bir malzeme / parçacık yaklaşım kullanılır. Bir standart olarak imal ucu biri kullanarak o ucu ve seçim malzemesi arasında interaktif kuvvetleri ölçmek mümkün, ama bir ölçüye koloidal prob kullanmanın yararı çalışılan sistemin içinde bulunan malzemeler arasında bulunan güçlerin ölçüm sağlar olacaktır. Ölçülebilir etkileşimleri içerir:.. Yapışkan, çekici ve itici, şarj ve parçacıklar arasında bu da elektrostatik kuvvetlerin ¹⁶ ek olarak, koloidal parçacıkların sonda tekniği ve malzeme elastikliği arasında mevcut teğet kuvvetleri keşfetmek için kullanılabilir ^17,18

Çeşitli medya ölçümlerini yapabilecek yeteneği kolloidal prob nanoscopy en önemli avantajlarından biridir. Ortam koşulları, sıvı media veya nem kontrollü koşullar incelenen bütün sistemin çevresel koşulları taklit etmek için kullanılabilir. Bir sıvı ortamında ölçümleri yapmak için yeteneği, doğal olarak meydana gelen bir ortamda, koloidal sistemlerin çalışma sağlar; böylece, kantitatif doğal haliyle doğrudan sisteme çevrilebilir veri elde edememek. Örneğin, ölçülü doz solunum cihazları (MDI) içinde mevcut MDI 'lerde parçacık etkileşimleri kullanılan itici benzer özelliklere sahip olan bir sıvı itici bir model kullanılarak incelenebilir. Havada ölçülen aynı etkileşimler soluma sistem varolanla temsili olmaz. Ayrıca, sıvı ortam nem girişi, bir ikinci yüzey aktif madde ya da bir MDI 'de parçacık etkileşimler üzerinde sıcaklığın etkisini değerlendirmek için modifiye edilebilir. Sıcaklığını kontrol etmek için yeteneği nasıl ısı üretiminde veya her iki değerlendirmek için koloidal sistemlerin imalatında belirli adımları taklit etmek için kullanılabilirKolloidal sistemlerin depolama parçacık etkileşimleri üzerinde bir etkisi olabilir.

Koloidal problar kullanılarak elde edilebilir ölçümler şunlardır; Topoğrafya tarama, bireysel kuvvet-mesafe eğrileri, kuvvet-mesafe yapışma haritalar ve kuvvet-mesafe ölçümleri yaşamak. Bu çalışmada sunulan kolloidal prob nanoscopy yöntemi kullanılarak ölçülen temel parametreler ek bileşenini, maksimum yük ve ayırma enerji değerleri içerir. Gizlenebilir çekici kuvvetlerin bir ölçüsüdür, maks maksimum yapışma kuvvetinin değerini yük ve ayırma enerji temas parçacık çekmek için gereken enerjiyi taşır. Bu değerler anlık veya bekleme kuvvet ölçümleri yoluyla ölçülebilir. Bekleme ölçümler iki farklı sapmayı ve girinti bulunmaktadır. Bekleme ölçüm uzunluğu ve türü, özellikle faydalı bir sistem içinde mevcut olan belirli bir etkileşimi taklit etmek için seçilebilir. Bir örnek sapma aynı yerde kalma kullanıyor - ki tutardispersiyonlar içinde oluşturulmuş büyüklüklerdeki geliştirmek yapışkan bağları değerlendirmek - arzu edilen bir değerde sapma temas örnekleri. Oluşan yapışkan bağlar, zamanın bir fonksiyonu olarak ölçülebilir ve uzun süreli depolama sonrasında agrega yeniden dağıtmak için gerekli olan kuvvetin bir bilgi sağlar. Bu yöntemi kullanarak elde edilebilir veri bolluk yönteminin çok yönlülüğü bir kanıtıdır.

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

Protokol

1.. Kolloidal Probe ve AFM Yüzey Hazırlama

1. Kolloidal sondalar hazırlamak için, yazarlar tarafından daha önce geliştirilen bir yöntemi kullanabilirsiniz. ^19.
   1. Kısacası, 45 ° (Şekil 1A) belirli açıda bir uçsuz konsol tutturmak için 45 ° açılı tutucu kullanın.
   2. Bir mikroskop lamı üzerine epoksi ince bir tabaka bulaşması ile bir epoksi slayt hazırlayın. Mikroskop lamı ilave epoksi katman minimum yüksekliğinin olduğundan emin olmak için temiz bir spatula ya da yavaş bir azot akışı kullanın.
   3. Özel tasarlanmış tutucu (Şekil 1B) kullanılarak 40X optik zoom mikroskop lensi epoksi slayt yapıştırın. Sonra, epoksi slayt yaklaşım ve konsol üzerinde epoksi küçük bir miktar elde etmek için dirsekli kullanın.
   4. Ayrıca konsol (Şekil 1C) tepesinde ilgi tek bir parçacık takmak için bu adımları tekrarlayın.
2. Koloidal par koymak suretiyle AFM tabakayı hazırlayıntermoplastik bir yapışkan kullanılarak AFM lamel üzerine partikülleri.
   1. 120 ° C, 35 mm yuvarlak kapak kayma ısıtın ve lamel yapışkanın küçük bir miktar uygulanır. Yüksek sıcaklık uygulamaları için, termoplastik yapıştırıcı eritmek için gereklidir.
   2. Daha sonra soğuk, tutkalın üzerine koloidal parçacıkları toz önce 40 ° C'ye kadar lamel. NOT: 40 ° C 'de yapıştırıcı yeterince parçacıklar yapıştırıcı içine gömülü hale olmaz ayarlanır, ancak yapıştırıcı partikülleri, substrata yapışır sağlamak için yeterince yapışkan olmasıdır.
   3. Bundan başka, oda sıcaklığına kadar soğumaya lamel ve fazla serbest parçacıkları darbe için hafif bir azot akışı kullanın.
   4. Bütün serbest parçacıklar alt-tabakanın kaldırılır sağlamak için koloidal prob ölçümler için kullanılacak olan sıvı ortam ile alt-tabaka birkaç kez yıkayın. Not: Bu, ölçüm sırasında serbest akan parçacık etkilerini azaltmak için önemli olan olabilir arasıkonsol ile hareket ve sonuçları hataları tanıtmak.

2.. Kolloidal Probe, hizalama Lazer ve değişikti Sistemi Montaj

1. O-ring herhangi sızmasını önlemek için düzgün oturduğundan emin, bir sıvı hücrenin alt yarısında kolloidal parçacıkları ile lamel monte edin.
2. Özellikle sadece ölçüm için bir sıvı hücrenin alt yarısını kullanıyorsanız, deney sırasında sızabilecek herhangi bir sıvıya karşı korumak, ve mikroskop sahneye sıvı hücre yerleştirmek için mikroskop sahneye hidrofobik şeffaf levha yerleştirin. NOT: Basitlik için bir sistem yeterli dengelenmiş olabilir verilir, bir sıvı hücrenin yalnızca alt yarısını kullanabilirsiniz; ucu - buharlaşma ölçüm ve etkilerinin sonuçları / okuma durumunu değiştirir.
3. AFM tarama kafasına kolloidal sonda takın ve AFM üzerine monte. AFM enstrüman yazılımı ile, üzerinde düğmeleri kullanınodak haline konsol ucu getirmek için başını tararken. NOT: Tüm prosedürel adımlar ve ölçümler İltica Araştırma yazılımı ile bir MFP-3D-Bio AFM kullanılarak tamamlanmıştır.
4. , Yoğunluğu en üst düzeye tarama kafasına uygun ayar düğmeleri kullanarak konsolun ucuna lazer hizalamak için.
5. Sistem 5-10 dakika için ya da sapma değeri kararlı hale gelinceye kadar denge sağlaması için izin verin. Sıfır veya hafif negatif sapmasını getirmek için saptırma ayar düğmesini kullanın.
6. Sistem havada dengeye sonra InvOLS (duyarlılık) ve koloidal prob yay sabitini hesaplamak için termal AFM yazılım (Master Panel penceresinde Thermal Panel) kullanın. NOT: gerçek ölçümün hassasiyeti tamamlanmasından ölçülür kadar bu duyarlılık geçici olarak (adım 4) kullanılacaktır.
   1. "Termal" Yakalama Veri tıklayın ardından "Cal Bahar Sabit" veya "Cal InvOLS" ve birini seçin.
   2. Bir zamanlarönemli bir zirve açıktır, veri yakalama durdurmak ve ana tepe üzerinde yakınlaştırmak için tıklayın.
   3. Otomatik olarak hesaplanır yay sabiti veya InvOLS değerlerini elde etmek ", Termal Veri Fit" takip "başlat Fit" üzerine tıklayın.
7. Yavaş yavaş bir şırınga kullanılarak sıvı hücreye sıvı ortam 2 ml ekleyin ve hava kabarcığı dirsek etrafında mevcut olduğundan emin olun. Ortamın kırılma indeksi şimdi değişti beri, lazer yeniden hizalamak, ve bir kez daha deplasman değeri sıfıra geri sapmasını ayarlayarak önce stabilize sağlayan sistemin dengelenmesi. NOT: Büyük bir sıcaklık farkı çevre ve sıvı arasındaki varsa, dengeleme uzun sürer.

3.. Görüntüleme ve Veri Toplama

1. 1 Hz, 90 ° tarama açısı, 0.2 V set noktası tarama hızı, 20 um ilk tarama boyutunu ayarlayın ve örnek bir tarama edinin. Çakışan iz elde etmek için gerektiği gibi kazanç ayarlayınve eğrileri kökenine.
2. Ilgi çekici bir parçacık bulunduğunda, hemen önce kuvvet hacmi ölçümlerini elde etmek için alt-tabaka ile uzun bir prob etkileşimi sınırlamak için bu parçacığı üzerine zoom.
3. Yakınlaştırdıktan sonra, tek bir parçacığın bir tek parçacığın ya da bir kısmının yeterli görüntü kazanır. Sonra yazılım Kuvvet Panel geçmek. , En yüksek konuma kırmızı konum çubuğunu getirmek 5 um, tarama hızı 0.1 Hz, hiçbiri tetik kanala kuvvet mesafeyi ayarlamak ve tek bir kuvvet ölçüm yapmak. Prob substratı temas etmez emin olun.
4. Elde tek ölçüm grafikten, grafik penceresinin sağ tıklayarak sanal sapma hattı hesaplamak ve "Sanal Def Hattı Hesapla" seçeneğini seçerek. Bu, otomatik olarak sanal sapmasını hesaplamak ve yazılımı içinde gerektiği gibi değer güncellenir.
5. 20 nm tetik nokta sapmaya ve ayarlamak için tetik kanalını değiştirin. Kuvvet dist ayarlayın1 um mesafeler ve ilgi ölçülen güçlerine bağlı olarak arzu edildiği gibi tarama hızını ayarlayın.
6. Elle 2-3 ardışık ön tek kuvvet ölçümleri yapıldıktan sonra İnceleme Kuvvetleri Paneli'nde saptırma Ters Optik Kolu Hassasiyet (InvOLS) için değerini ayarlayın.
   1. Tek bir kuvvet ölçüm Davranış, sonra Master Kuvvet Masası açılır hangi Kuvvetleri Panelinde "Değerlendirme" butonuna tıklayın.
   2. En son tamamlanan kuvvet ölçümü vurgulayın. "Eksen" başlığı altında sadece "DeflV" işaretli olduğundan emin olun. "Eylül" açılır menüsünü kullanarak "X-Eksen" Girdi alanını değiştirmek ve tıkırtı "grafik yapmak."
   3. Usta Kuvvet Panelinde "Parm" sekmesine tıklayın ve grafiğin temas bölgesi tamamen dik kadar "InvOLS" değerini ayarlayın. Sonra Cal altında bulunan "Defl InvOLS" alanına bu değeri doldurmak60; ana Master Panel penceresinde bulunur Kuvvet sekmesinde alt-tab.
   4. InvOLS değeri önemli ölçüde değişmemesini sağlamak için bu 2-3 kez tekrarlayın.
7. Şimdi tüm parametreler kurulmuş olması, sıvı ortam seviyesi hala yeterli ve saptırma hala stabil olduğunu emin olun. NOT: Şu anda, tek kuvvet eğrileri veya kuvvet haritaları elde edilebilir. Bekleme kuvvet ölçümleri istenirse, bekleme seçenekleri Kuvvet Masası ulaşılabilir.

Analiz için Duyarlılık 4. Post-ayarlama

1. Ölçüm satın tamamlanmasından sonra, koloidal probun gerçek duyarlılığını ölçer. Bunu yapmak için, örneğin mika gibi, bir "sonsuz" sert bir yüzeye karşı aynı sıvı ortam içinde koloidal probu ile nispeten büyük bir sapma / kuvvet kullanarak bir kuvvet ölçüm yapmak. Not: büyük sapma / kuvvet collo hasar verebileceği için duyarlılık Deneylerin tamamlanmasından sonra elde edildigözenekli veya kırılgan kolloidler ile hazırlanan idal sondalar.
2. Temas bölgesinin bir eğimi hassasiyeti otomatik olarak (Şekil 2) hesaplamak için yazılımı tarafından kullanılır. Bu özel koloidal prob kullanılarak elde edilen tüm eğrilerin veri analizi sırasında bu hassasiyet gerçek değerini kullanın.

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

Sonuçlar

Sıvı koloidal sistemleri çeşitli farmasötik ilaç verme sistemleri kullanılmaktadır. Inhalasyon ilaç dağıtım için, ortak bir koloidal sistem süspansiyon, basınçlı ölçülü doz solunum cihazı (pMDI) 'dir. PMDI içinde mevcut Parçacık etkileşimleri formülasyonu fiziksel denge, depolama, ve ilaç dağıtım bütünlüğü hayati bir rol oynamaktadır. Bu makalede, bir model itici (2H, 3H-perfluoropentan) gözenekli lipid bazlı partiküller arasındaki parçacık arası kuvvetler (yaklaşık 2 um...

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

Tartışmalar

Sıvı kolloidal prob nanoscopy sırasında mevcut sistem istikrarsızlık çeşitli kaynakları kolayca uygun dengeleme işlemleri yoluyla hafifletilebilir. Daha önce ele alındığı gibi istikrarsızlıklar, objektif olarak analiz etmek daha zordur hatalı sonuçlara ve güç eğrileri neden olur. Instabilite tüm kaynakları eğiliminde olmuştur ve Şekil 4 'de gösterilene benzer bir grafik hala mevcut olduğu takdirde, başka bir ölçüm parametresi neden olabilir. Kolloidal prob nanoscopy ...

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

Malzemeler

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