Kolloidal Probe Nanoscopy kullanarak parçacık-parçacık Etkileşimleri Nicel ve Nitel Sınav
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
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.
Protocol
Representative Results
Discussion
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 …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar kabul (1) Nanobiyomedikal Bilim ve Dankook Üniversitesi Rejeneratif Tıp BK21 PLUS NBM Küresel Araştırma Merkezi ve Bölümü'nden mali destekler Öncelik gelen NRF, Kore Cumhuriyeti, (tarafından finanse Araştırma Merkezleri Programı (No 2009-0093829) 2) tesisleri ve Sydney Üniversitesi Mikroskopi ve Mikroanaliz Avustralya Merkezi'nin bilimsel ve teknik yardım,. HKC Bir Keşif Projesi hibe (DP0985367 & DP120102778) aracılığıyla mali destekler için Avustralya Araştırma Konseyi minnettar olduğunu. WCH bir bağlantı Projesi hibe (LP120200489, LP110200316) aracılığıyla mali destekler için Avustralya Araştırma Konseyi minnettar olduğunu.
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
- 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).
