Examen quantitative et qualitative des interactions entre particules à l'aide de la sonde colloïdale nanoscopie
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
Microscopie à force atomique (AFM) est une technique qui permet une imagerie qualitative et quantitative de palpage et d'une surface du matériau. 06.04 Traditionnellement, AFM est utilisé pour l'évaluation de la topographie de la surface, la morphologie et la structure des matériaux multi-phasiques. AFM a la capacité d'évaluer quantitativement les interactions à l'échelle nanométrique, tels que frais, attraction, répulsion et d'adhérence forces entre une sonde et le substrat spécifique à la fois dans l'air et les milieux liquides 7,8 L'AFM développé à l'origine par Binning, Quate et Gerber 9 utilisations. une sonde de sensibilité connue / déterminée et constante de rappel à l'approche et / ou analyser un échantillon. En raison des interactions physiques entre la sonde et l'échantillon, le porte à faux est dévié lors d'un contact ou de proximité et en fonction du mode de fonctionnement, cette déflexion peut être traduit pour acquérir la topographie des forces de l'échantillon ou de la mesure actuelle entre la sonde et l'échantillon. Les modifications apportées à la technique AFMQue, comme sonde colloïdale nanoscopie, 10 ont permis scientifique pour évaluer directement les interactions nano-d'œuvre entre les deux matériaux présents dans un système colloïdal d'intérêt.
Dans colloïdale sonde nanoscopie, une particule sphérique de choix est fixé au sommet d'un cantilever, en remplaçant les pointes coniques et pyramidales traditionnelles. Une particule sphérique est idéal pour permettre la comparaison avec les modèles théoriques tels que le Johnson, Kendal, Roberts (JKR) 11 et Derjaguin, Landau, Vervwey, Overbeek (DLVO) 12-14 théories et de minimiser l'influence de la rugosité de surface sur la mesure. 15 Ces théories sont utilisées pour définir les mécanismes de contact et les forces entre les particules attendues dans un système colloïdal. La théorie DLVO combine les attrayante forces de van der Waals et les forces électrostatiques répulsives (en raison de doubles couches électriques) pour expliquer quantitativement le comportement d'agrégation des systèmes colloïdales aqueuses, tandis que le Jthéorie des KR incorpore l'effet de la pression de contact et l'adhérence de modéliser un contact élastique entre les deux composants. Une fois que la sonde appropriée est produite, elle est utilisée pour approcher tout autre matériau / particules pour évaluer les forces entre les deux composants. En utilisant une pointe un standard fabriqué sera capable de mesurer les forces d'interaction entre cette pointe et un matériau de choix, mais l'avantage d'utiliser une sonde colloïdale sur mesure permet la mesure de forces en présence entre les matériaux présents dans le système étudié. Interactions mesurables sont:.. Adhésif, attrayant, répulsif, la charge et les forces électrostatiques même présents entre les particules 16 En outre, la technique de la sonde colloïdale peut être utilisé pour explorer les forces tangentielles présents entre les particules et la matière élasticité 17,18
La capacité d'effectuer des mesures dans divers médias est l'un des principaux avantages de la sonde colloïdale nanoscopie. Conditions ambiantes, liquide mdias, ou des conditions d'humidité contrôlée peuvent tous être utilisés pour reproduire les conditions environnementales du système étudié. La capacité d'effectuer des mesures dans un environnement liquide permet l'étude des systèmes colloïdaux dans un environnement qui se produit naturellement; par conséquent, être capable d'acquérir des données qui sont quantitativement directement transposables pour le système dans son état naturel. Par exemple, les interactions de particules présentes dans les inhalateurs doseurs (MDI) peuvent être étudiés en utilisant un modèle propergol liquide avec des propriétés similaires à l'agent propulseur utilisé dans les inhalateurs-doseurs. Les mêmes interactions mesurées dans l'air ne seraient pas représentatives de l'existant du système dans l'inhalateur. En outre, le milieu liquide peut être modifié pour évaluer l'effet de la pénétration d'humidité, un agent tensio-actif secondaire, ou de la température sur les interactions de particules dans un aérosol-doseur. La capacité de contrôler la température peut être utilisée pour imiter certaines étapes de la fabrication des systèmes colloïdaux d'évaluer comment la température soit dans la fabrication ou destockage des systèmes colloïdaux peut avoir un impact sur les interactions de particules.
Les mesures que l'on peut obtenir en utilisant des sondes colloïdales comprennent; balayage de Topographie, courbes force-distance individuels, des cartes d'adhésion force-distance, et habiter mesures force-distance. Les paramètres clés qui sont évalués selon la méthode de la sonde de nanoscopie colloïdale présentée dans ce document sont les valeurs de l'énergie séparation snap-in, charge max, et. Snap-in est une mesure des forces d'attraction, max charger la valeur de la force d'adhérence maximale, et l'énergie de séparation donne l'énergie nécessaire pour retirer la particule de contact. Ces valeurs peuvent être mesurées par des mesures instantanées ou de la force de maintien. Deux types de mesures sont différentes Dwell déviation et l'indentation. La longueur et le type de mesure temporisation peuvent être spécifiquement choisies pour simuler les interactions spécifiques qui sont présents au sein d'un système d'intérêt. Un exemple utilise déviation séjour – qui détientles échantillons en contact à une valeur de déviation souhaité – d'évaluer les collages qui se développent dans les agrégats formés dans les dispersions. Les liaisons adhésives formées peuvent être mesurées en fonction du temps et peuvent donner un aperçu des forces nécessaires pour redisperser les agrégats après un stockage prolongé. La pléthore de données qui peut être obtenu en utilisant cette méthode est un témoignage de la polyvalence de la méthode.
Protocol
Representative Results
Discussion
Plusieurs sources de l'instabilité du système actuel durant liquide colloïdal sonde nanoscopie peuvent facilement être atténués grâce à des procédures d'équilibrage appropriées. Instabilités tel que discuté précédemment entraînent des résultats erronés et courbes de force qui sont plus difficiles à analyser objectivement. Si toutes les sources d'instabilité ont été tendu et des graphiques similaires à celui représenté sur la figure 4 sont encore présents, un autre p…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les auteurs reconnaissent (1) soutien financier du ministère de la Science et Nanobiomedical PLUS NBM Global Research Center BK21 pour la médecine régénérative à l'Université Dankook, et de la priorité du programme des centres de recherche (n ° 2009-0093829) financé par la NRF, République de Corée, ( 2) les installations et l'assistance scientifique et technique, du Centre australien pour la microscopie et de microanalyse de l'Université de Sydney. HKC est reconnaissant au Conseil australien de la recherche pour le soutien financier par le biais d'une subvention de projet de découverte (DP0985367 & DP120102778). CM est reconnaissant au Conseil australien de la recherche pour le soutien financier par le biais d'une subvention de projet de liaison (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 |
Riferimenti
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