בחינה כמותית ואיכותי של אינטראקציות חלקיקי חלקיקים באמצעות קולואיד 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
מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM) הוא טכניקה המאפשרת הדמיה איכותית וכמותית והחיטוט של משטח חומר. 4-6 באופן מסורתי, AFM משמש להערכה של טופוגרפיה משטח, מורפולוגיה ומבנה של חומרים רב phasic. יש AFM היכולת להעריך כמותית אינטראקציות בקנה מידה ננו, כגון כוחות תשלום, משיכה, דחייה וההדבקה בין בדיקה ספציפית ואת המצע באוויר וגם מדיומים נוזליים. 7,8 AFM שפותח במקור על ידי Binning, Quate וגרבר 9 שימושים בדיקה של רגישות ידועה / נחושה וקבוע קפיץ להתקרב ו / או לסרוק את דגימה. בשל האינטראקציות פיזיות בין החללית לבין המדגם, שלוחה הוא הסיט במהלך מגע או קרבה ובהתאם למצבו של מבצע, סטיה זו יכולה להיות מתורגמת לרכישת הטופוגרפיה של המדגם או מידת הכוחות הנוכחיים בין החללית לבין המדגם. שינויים techni AFMque, כגון Nanoscopy הבדיקה colloidal, 10 אפשרו מדען להעריך ישירות את אינטראקציות ננו כוח בין שני חומרים הנמצאים במערכת colloidal של עניין.
בNanoscopy הבדיקה colloidal, חלקיקים כדוריים של בחירה מחובר לשיא של שלוחה, החלפת הטיפים חרוטי ופירמידה המסורתיים. חלקיקים כדוריים הוא אידיאליים כדי לאפשר השוואה עם מודלים תיאורטיים כגון ג'ונסון, קנדל, רוברטס (JKR) 11 וDerjaguin, לנדאו, Vervwey, Overbeek (DLVO) 12-14 תאוריות וכדי למזער את ההשפעה של חספוס פני השטח על המדידה. 15 תאוריות אלה נמצאים בשימוש כדי להגדיר את מכניקת הקשר וכוחות בין החלקיקים צפויים בתוך מערכת colloidal. תיאורית DLVO משלבת הכוחות ואאל ואן דר והאטרקטיבי וכוחות דחייה אלקטרוסטטית (בשל שכבות כפולות חשמליות) כדי להסביר את צבירת ההתנהגות של מערכות colloidal מימיות כמותית, בעוד Jתיאורית KR משלבת את האפקט של לחץ מגע והידבקות למודל קשר אלסטית בין שני מרכיבים. ברגע שבדיקה מתאימה היא מיוצרת, הוא משמש להתקרב כל חומר / חלקיקים אחרים כדי להעריך את הכוחות בין שני המרכיבים. באמצעות קצה סטנדרטי מיוצר אחד לא יוכל למדוד כוחות אינטראקטיביים בין שהקצה וחומר של בחירה, אך היתרון של שימוש בבדיקת colloidal מחוייט מאפשר המדידה של כוחות הנוכחיים בין חומרים בהווה במערכת הנחקרת. אינטראקציות הניתנות למדידה כוללות:.. דבק, מושך, דוחה, פריצה, וכוחות אפילו אלקטרוסטטי הנוכחיים בין החלקיקים 16 בנוסף, טכניקת הבדיקה colloidal יכול לשמש כדי לחקור את הכוחות משיקים הנוכחיים בין חלקיקים ואלסטיות חומרי 17,18
היכולת לערוך מדידות באמצעי התקשורת שונות היא אחד היתרונות הגדולים של Nanoscopy הבדיקה colloidal. תנאי סביבה, מ 'נוזלעדיה, או ניתן להשתמש בכל תנאי לחות מבוקרת כדי לחקות את תנאי סביבה של המערכת הנחקרת. היכולת לערוך מדידות בסביבה נוזלית מאפשרת למחקר של מערכות colloidal בסביבה שזה באופן טבעי מתרחש; ובכך, להיות מסוגל לרכוש כמותית נתונים שהוא באופן ישיר לתרגום למערכת במצבו הטבעי. לדוגמא, ניתן ללמוד אינטראקציה בין חלקיקים קיים בתוך משאפים במינון מודד האויר (MDI) באמצעות דלק נוזלי דגם עם תכונות דומות לדלק המשמש בMDIs. אותו האינטראקציות נמדדו באוויר לא תהיינה נציג של קיים המערכת במשאף. יתר על כן, המדיום הנוזלי יכול להיות שונה כדי להעריך את ההשפעה של חדירת רטיבות, פעילי שטח המשני, או טמפרטורה על האינטראקציות של החלקיקים בMDI. היכולת לשלוט בטמפרטורה יכולה לשמש כדי לחקות את הפעולות מסוימות בייצור של מערכות colloidal כדי להעריך באיזו טמפרטורה או בייצור של אואחסון של מערכות colloidal עשוי להשפיע על אינטראקציות של חלקיקים.
מדידות שניתן להשיג באמצעות בדיקות colloidal כוללות; סריקת טופוגרפיה, עקומות כוח למרחקים בודדות, מפות הידבקות כוח למרחקים, ולהתעכב מדידות כוח למרחקים. פרמטרים מרכזיים הנמדדים תוך שימוש בשיטת Nanoscopy הבדיקה colloidal מוצגת במסמך זה כוללים את היישום snap-in, עומס מרבי, וערכי אנרגיית הפרדה. Snap-in היא מדידה של כוחות המשיכה, מקסימום לטעון את ערכו של כוח ההידבקות מקסימלית, ואת אנרגיית הפרדה משדרת האנרגיה הדרושה כדי למשוך את החלקיקים מכל מגע. ניתן למדוד ערכים אלה באמצעות מדידות מיידיים או כוח להתעכב. שני סוגים שונים של מדידות להתעכב כוללים סטיה וכניסה. האורך והסוג של מדידה להתעכב ניתן נבחרו במיוחד כדי לחקות את האינטראקציות ספציפיות שנמצאות בתוך מערכת של עניין. דוגמה לכך היא באמצעות להתעכב סטיה – המחזיקהדגימות במגע בשווי סטיה רצויה – כדי להעריך את אג"ח הדבק המתפתחים באגרגטים שנוצרו בתפוצות. אג"ח הדבק נוצר ניתן למדוד כפונקציה של זמן והוא יכול לספק תובנות לגבי הכוחות הדרושים לredisperse המצרפים לאחר אחסון ממושך. שפע של נתונים שניתן להשיג בשיטה זו הוא עדות לרבגוניות של השיטה.
Protocol
Representative Results
Discussion
בקלות ניתן למתן כמה מקורות של אי יציבות של המערכת נוכחת במהלך הבדיקה Nanoscopy colloidal הנוזלי באמצעות הליכי איזון ראויים. אי יציבות כפי שנדון בעבר לגרום בתוצאות שגויות ועקומות כוח שקשים יותר לנתח באופן אובייקטיבי. אם כל המקורות של חוסר יציבות כבר נטו וגרפים דומים לזה שמוצג …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים מודים (1) תמיכות כספיות מהמחלקה לnanobiomedical מדע ומרכז BK21 PLUS NBM גלובל מחקר לרפואת רגנרטיבית באוניברסיטת דנקוק, ומן העדיפות תכנית מרכזי מחקר (מס '2009-0,093,829) ממומן על ידי NRF, רפובליקה של קוריאה, ( 2) במתקנים, והסיוע המדעי וטכני, של המרכז האוסטרלי למיקרוסקופיה ו Microanalysis באוניברסיטת סידני. HKC מודה למועצה למחקר האוסטרלי לתמיכה הכספית באמצעות מענק Discovery Project (DP0985367 & DP120102778). WCH מודה למועצה למחקר האוסטרלי לתמיכה הכספית באמצעות מענק פרויקט הצמדה (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).
