Kvantitative og kvalitative Undersøgelse af Particle-partikel vekselvirkninger Brug Kolloid Probe Nanoscopy
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
Atomic force mikroskopi (AFM) er en teknik, der gør det muligt kvalitativt og kvantitativt billeddannelse og sondering af et materiale overflade. 4-6 Traditionelt AFM anvendes til evaluering af overfladetopografi, morfologi og struktur multifasisk materialer. AFM har evnen til kvantitativt vurdere nano-skala interaktioner, såsom charge, tiltrækning, frastødning og vedhæftning kræfter mellem en specifik probe og substrat i både luft og flydende medier. 7,8 AFM oprindeligt udviklet af Binning, kelige og Gerber 9 anvendelser en sonde af kendt / bestemt følsomhed og fjederkonstanten at nærme og / eller scanne en prøve. På grund af de fysiske samspil mellem sonden og prøven, cantilever afbøjes under kontakt eller nærhed og afhængigt af driftsform kan denne afbøjning oversættes til at erhverve topografien af prøven eller foranstaltning kræfter til stede mellem sonden og prøve. Ændringer af AFM tekque, såsom kolloid sonde Nanoscopy har 10 overlod videnskabsmand til direkte evaluere nano-kraft interaktioner mellem to materialer til stede i en kolloid system interesse.
I kolloid sonde Nanoscopy er en sfærisk partikel valg knyttet til toppen af en cantilever, der erstatter de traditionelle koniske og pyramideformede tips. En sfærisk partikel er ideel til sammenligning med teoretiske modeller såsom Johnson, Kendal, Roberts (JKR) 11 og Derjaguin, Landau, Vervwey, Overbeek (DLVO) 12-14 teorier og for at minimere indflydelsen af overfladeruhed på målingen. 15. Disse teorier bruges til at definere de kontaktoplysninger mekanikere og inter-partikel kræfter forventes inden for et kolloidt system. Den DLVO teori kombinerer attraktive van der Waals kræfter og frastødende elektrostatiske kræfter (på grund af elektriske dobbelt lag) til kvantitativt forklare sammenlægning opførsel af vandige kolloide systemer, mens JKR teori omfatter virkningen af kontakttryk og adhæsion til at modellere elastisk kontakt mellem to komponenter. Når en passende probe er fremstillet, anvendes det til at nærme sig ethvert andet materiale / partikel at evaluere kræfterne mellem de to komponenter. Ved hjælp af en standard fremstillet spids man vil være i stand til at måle interaktive kræfter mellem denne spids og et materiale af valg, men fordelen ved at bruge en skræddersyet kolloid sonde tillader måling af kræfter til stede mellem materialer til stede inden for det undersøgte system. Målelige interaktioner omfatter:.. Klæbemiddel, attraktive, frastødende, ladning, og selv elektrostatiske kræfter til stede mellem partiklerne 16. Derudover kan den kolloide probe teknik bruges til at udforske tangentielle kræfter til stede mellem partikler og materiale elasticitet 17,18
Evnen til at udføre målinger i forskellige medier er en af de store fordele ved kolloid sonde Nanoscopy. Omgivende forhold, flydende media eller fugtigheds-kontrollerede betingelser kan alle bruges til at efterligne miljøforhold i systemet undersøgt. Evnen til at udføre målinger i et flydende miljø muliggør studiet af kolloide systemer i et miljø, det naturligt forekommer; således, at være i stand til kvantitativt at erhverve data, der er direkte overføres til et system i sin naturlige tilstand. For eksempel kan partikel vekselvirkninger til stede i dosisinhalatorer (MDI) blive undersøgt ved hjælp af en model flydende drivmiddel med lignende egenskaber til drivmiddel i inhalationsaerosoler. De samme interaktioner målt i luften ville ikke være repræsentativt for det system, eksisterende i inhalatoren. Endvidere kan det flydende medium blive modificeret til at evaluere effekten af fugtindtrængning et sekundært overfladeaktivt middel eller temperaturen på partikel-interaktioner i en MDI. Evnen til at styre temperatur kan anvendes til at efterligne visse trin i fremstillingen af kolloide systemer til at vurdere, hvordan temperaturen enten i fremstillingen af elleropbevaring af kolloide systemer kan have en indvirkning på partikel interaktioner.
Målinger, der kan opnås ved hjælp af kolloide sonder omfatter; Topografi scanning, individuelle kurver kraft-distance, kraft-distance vedhæftning kort, og dvæle målinger kraft-distance. Vigtige parametre, der måles ved hjælp af den kolloid sonde Nanoscopy metode præsenteres i dette papir omfatter snap-in, max belastning, og separation energi værdier. Snap-in er en måling af de attraktive kræfter, max indlæse værdien af den maksimale friktion kraft, og adskillelsen energi formidler den nødvendige energi til at trække partiklen fra kontakt. Disse kan måles værdier gennem øjeblikkelige eller dvæle kraftmålinger. To forskellige typer af opholdstider målinger omfatter afbøjning og indrykning. Længden og typen af dvæle måling kan specielt udvalgt til at efterligne specifikke interaktioner, der er til stede inden for et system af interesse. Et eksempel er at bruge afbøjning dvæle – som holderprøverne i kontakt på en ønsket nedbøjning værdi – at evaluere de klæbebindinger der udvikler sig i aggregater dannet i dispersioner. De klæbebindinger dannede kan måles som en funktion af tid og kan give indsigt i de kræfter, der kræves for at gendispergere aggregaterne efter længere tids opbevaring. Den overflod af data, der kan opnås ved hjælp af denne metode er en hyldest til den alsidighed af metoden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Adskillige kilder til ustabilitet i systemet til stede under flydende kolloid sonde Nanoscopy kan nemt blive mildnet gennem ordentlig ækvilibreringsbetingelser procedurer. Ustabilitet, som diskuteret tidligere medføre fejlagtige resultater og kraft kurver, der er vanskeligere at analysere objektivt. Hvis alle kilder til ustabilitet er blevet plejet og grafer svarende til det, der er vist i figur 4 er stadig til stede, kan en anden måleparameter være årsagen. Andre måleparametre, der er vigtige at …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne erkender (1) økonomisk støtte fra Institut for Nanobiomedical Science & BK21 PLUS NBM Global Research Center for regenerativ medicin i Dankook Universitet, og fra Priority Forskningscentre Program (nr. 2009 til 0.093.829), der finansieres af NRF, Republikken Korea ( 2) faciliteter, og den videnskabelige og tekniske bistand, for den australske Center for mikroskopi og mikroanalyse på University of Sydney. HKC er taknemmelig for den australske Forskningsrådet for finansiel støtte gennem en Discovery Project tilskud (DP0985367 & DP120102778). WCH er taknemmelig for den australske Forskningsrådet for finansiel støtte gennem en sammenkædning Projektbevilling (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).
