Количественный и качественный анализ взаимодействий между частицами Использование коллоидных Probe Наноскопия
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
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.
Protocol
Representative Results
Discussion
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…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы признают, (1) финансовая поддержка от Департамента Nanobiomedical науки и BK21 PLUS НБМ Глобального исследовательского центра регенеративной медицины в Данкук и от приоритета исследовательские центры Программа (№ 2009-0093829) финансируется NRF, Республики Корея, ( 2) средства, а также научно-техническое содействие, из Австралийского центра микроскопии и микроанализа в Университете Сиднея. HKC благодарен австралийского исследовательского совета по финансовой опоры за счет гранта проекта Discovery (DP0985367 & DP120102778). ЧМ благодарен австралийского исследовательского совета по финансовой опоры за счет гранта связь Project (LP120200489, LP110200316).
Materials
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| Double-Bubble Epoxy | Hardman | 4004 | |
| Veeco Tipless Probes | Veeco | NP-O10 | |
| Porous Particles | Pearl Therapeutics | N/A | |
| Atomic Force Microscope (MFP) | Asylum | MFP-3D | |
| SPIP Scanning Probe Image Processor Software | NanoScience Instruments | N/A | |
| 35 mm Coverslips | Asylum | 504.003 | |
| Tempfix | Ted Pella. Inc. | 16030 |
References
- Sindel, U., Zimmermann, I. Measurement of interaction forces between individual powder particles using an atomic force microscope. Powder Technology. 117, 247-254 (2001).
- Ducker, W. A., Senden, T. J., Pashley, R. M. Direct measurement of colloidal forces using an atomic force microscope. Nature. 353, 239-241 (1991).
- Israelachvili, J. N., Adams, G. E. Measurement of forces between two mica surfaces in aqueous electrolyte solutions in the range 0–100 nm. Journal of the Chemical Society, Faraday Transactions. 1, 975-1001 (1978).
- Upadhyay, D., et al. Magnetised thermo responsive lipid vehicles for targeted and controlled lung drug delivery. Pharmaceutical Research. 29, 2456-2467 (2012).
- Chrzanowski, W., et al. Biointerface: protein enhanced stem cells binding to implant surface. Journal of Materials Science: Materials in Medicine. 23, 2203-2215 (2012).
- Chrzanowski, W., et al. Nanomechanical evaluation of nickel–titanium surface properties after alkali and electrochemical treatments. Journal of The Royal Society Interface. 5, 1009-1022 (2008).
- Tran, C. T., Kondyurin, A., Chrzanowski, W., Bilek, M. M., McKenzie, D. R. Influence of pH on yeast immobilization on polystyrene surfaces modified by energetic ion bombardment. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. 104, 145-152 (2013).
- Page, K., et al. Study of the adhesion of Staphylococcus aureus to coated glass substrates. Journal of materials science. 46, 6355-6363 (2011).
- Binnig, G., Quate, C. F., Gerber, C. Atomic force microscope. Physical Review Letters. 56, 930-933 (1103).
- Butt, H. -. J. Measuring electrostatic, van der Waals, and hydration forces in electrolyte solutions with an atomic force microscope. Biophysical Journal. 60, 1438-1444 (1991).
- Johnson, K., Kendall, K., Roberts, A. Surface energy and the contact of elastic solids. Proceedings of the Royal Society of London. A. Mathematical and Physical Sciences. 324, 301-313 (1971).
- Deraguin, B., Landau, L. Theory of the stability of strongly charged lyophobic sols and of the adhesion of strongly charged particles in solution of electrolytes. Acta Physicochim: USSR. 14, 633-662 (1941).
- Derjaguin, B., Muller, V., Toporov, Y. P. Effect of contact deformations on the adhesion of particles. Journal of Colloid and Interface Science. 53, 314-326 (1975).
- Verwey, E. J. W., Overbeek, J. T. G. Theory of the stability of lyophobic colloids. DoverPublications.com, doi:10.1021/j150453a001. , (1999).
- Kappl, M., Butt, H. J. The colloidal probe technique and its application to adhesion force measurements. Particle & Particle Systems Characterization. 19, 129-143 (2002).
- Tran, C. T., Kondyurin, A., Chrzanowski, W., Bilek, M. M., McKenzie, D. R. Influence of pH on yeast immobilization on polystyrene surfaces modified by energetic ion bombardment. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. , (2012).
- Sa, D. J., de Juan Pardo, E. M., de Las Rivas Astiz, R., Sen, S., Kumar, S. High-throughput indentational elasticity measurements of hydrogel extracellular matrix substrates. Applied Physics Letters. 95, 063701-063701 (2009).
- Zauscher, S., Klingenberg, D. J. Friction between cellulose surfaces measured with colloidal probe microscopy. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 178, 213-229 (2001).
- Sa, D., Chan, H. -. K., Chrzanowski, W. Attachment of Micro- and Nano-particles on Tipless Cantilevers for Colloidal Probe Microscopy. International Journal of Colloid and Interface. , (2014).
