Denne undersøgelse præsenterer benchmarkingresultaterne for en interlaboratorial sammenligning (ILC), der er designet til at teste standardoperationsproceduren (SOP), der er udviklet til guld (Au) kolloid dispersioner karakteriseret ved ultraviolet-synlig spektroskopi (UV-Vis), blandt seks partnere fra H2020 ACEnano-projektet til prøveforberedelse, måling og analyse af resultaterne.
Den fysisk-kemiske karakterisering af nanomaterialer (NM’er) er ofte en analytisk udfordring på grund af deres lille størrelse (mindst én dimension i nanoskalaen, dvs. 1-100 nm), dynamisk natur og forskellige egenskaber. Samtidig er pålidelig og repeterbar karakterisering af afgørende betydning for at sikre sikkerhed og kvalitet i fremstillingen af NM-bærende produkter. Der findes flere metoder til at overvåge og opnå pålidelig måling af nanoskalarelaterede egenskaber, hvoraf et eksempel er ultraviolet-synlig spektroskopi (UV-Vis). Dette er en veletableret, enkel og billig teknik, der giver ikke-invasiv og hurtig realtid screening evaluering af NM størrelse, koncentration, og sammenlægning tilstand. Sådanne træk gør UV-Vis til en ideel metode til vurdering af duelighedstestordningerne (PTS) for en valideret standardprocedure (SOP), der har til formål at evaluere en karakteriseringsmetodes ydeevne og reproducerbarhed. I dette dokument blev PTS fra seks partnerlaboratorier fra H2020-projektet ACEnano vurderet gennem en interlaboratorisk sammenligning (ILC). Standard guld (Au) kolloid suspensioner af forskellige størrelser (spænder 5-100 nm) var kendetegnet ved UV-Vis på de forskellige institutioner til at udvikle en implementerbar og robust protokol for NM størrelse karakterisering.
Nanomaterialer (NMs) er blevet populære på grund af deres unikke egenskaber i nanoskalaen (1 til 100 nm), som adskiller sig fra deres bulkmodparters egenskaber, enten på grund af størrelsesrelaterede eller kvanteeffekter (f.eks. øget specifikt overfladeareal efter volumen) sammen med tydelig reaktivitet, optisk, termisk, elektrisk og magnetiske egenskaber1,2 . De potentielle anvendelser af NMs i samfundet er forskellige og bredt relateret til områder som sundhedspleje, fødevareindustrien, kosmetik, maling, belægninger og elektronik3,4,5. Guld nanopartikler (AuNPs) er almindeligt anvendt i nanoteknologi (f.eks i sundhedspleje, kosmetik og elektroniske applikationer), primært på grund af deres enkle fabrikation, størrelsesafhængige optiske funktioner, overfladefunktionalisering potentiale, og fysisk-kemiske egenskaber, som kan være egnet til mange centrale applikationer6,7.
Kvalitet og reproducerbarhed i syntesen og karakteriseringen af NMs er yderst vigtige for kvalitetssikringen, men også for sikker fremstilling af nanobaserede produkter, især på grund af NMs’ers reaktivitet, især i komplekse miljøer, hvor NM-egenskaber, såsom størrelsesfordeling og morfologi, kan undergå hurtige ændringer8,9. Talrige metoder er tilgængelige til at overvåge nanoskala-relaterede egenskaber. For eksempel er scanning/transmission elektronmikroskopi (SEM/TEM) teknikker, der anvendes til at opnå optisk og kompositorisk information om NMs med høj opløsning (ned til sub nanometer). atomprøvesprængningsmikroskopi (AFM) giver nanoskalaopløsning i den lodrette (z-akse) dimension; og XRD (X-ray diffraction) giver oplysninger om de nationale producenters atomstruktur; alle disse metoder kan kun anvendes på tørre prøver (pulvere)10,11. Teknikker, der er egnede til karakterisering af NMs i flydende medier, omfatter feltstrømsfraktionering (FFF), som gør det muligt at adskillelse af store molekyler, aggregater og partikler baseret på deres størrelse; dynamisk lysspredning (DLS) og nanopartikler tracking analyse (NTA) -to metoder, der i vid udstrækning anvendes til at bestemme størrelsesfordeling profil af partikler ved hjælp af Brownian bevægelse-og ultraviolet-synlig spektrofotometri (UV-Vis), som gør det muligt at vurdere NM egenskaber såsom størrelse, sammenlægning tilstand, og brydningsindeks ved en simpel absorption måling11,12,13. Selvom alle disse teknikker tillader NM-karakterisering, afhænger deres ydeevne af instrumentopsætning, instrumentrelaterede forskelle, kompleks metode til prøveforberedelse og brugerens ekspertiseniveau. Desuden tillader de fleste teknikker ikke realtidsovervågning af NM-størrelse, prøveintegritet eller differentiering mellem spredte eller aggregerede partikler6. UV-Vis spektroskopi er en meget anvendt teknik, der giver ikke-invasiv og hurtig realtidsevaluering af NM størrelse, koncentration og aggregeringstilstand. Derudover er det en enkel og billig proces med minimal prøveforberedelse, hvilket gør denne teknik til et vigtigt værktøj, der i vid udstrækning anvendes i mange laboratorier inden for mange discipliner og markeder6,12,14. UV-Vis virker ved at måle transmissionen af elektromagnetisk stråling af en bølgelængde mellem 180 og 1100 nm gennem en flydende prøve. UV- og VIS-spektralområdet dækker bølgelængdeområdet for ultraviolet (170 nm til 380 nm), synlige (380 nm til 780 nm) og nær-infrarød (780 nm til 3300 nm)4,14. Bølgelængden af lys, der passerer gennem prøvecellen, måles. intensiteten af det lys, der kommer ind i prøven, kaldes I0, og intensiteten af det lys, der opstår på den anden side, er udpeget som jeg114. Øl-Lambert-loven afspejler forholdet mellem A (absorbans) som funktion af prøvekoncentration C, stikprøveudryddelseskoefficienten ε og de to intensiteter14. Absorptionsmålinger kan indsamles ved en enkelt bølgelængde eller over et udvidet spektralområde; den målte lystransmission omdannes til en absorbansmåling ved at følge Beer-Lambert-lovligningen. Standardligningen for absorbans er A = ɛlc, hvor (A) er den mængde lys, der absorberes af prøven for en given bølgelængde (ɛ) er molardæmpningskoefficienten (absorbans/(g/dm) er molardæmpningskoefficienten (absorbans/(g/dm)3) l) er den afstand, lyset bevæger sig gennem opløsningen (cm), og c) er koncentrationen pr. enhedsvolumen (g/dm3). Absorbansen beregnes som forholdet mellem intensiteten af en referenceprøve (I0) og den ukendte prøve (I), som beskrevet i følgende ligning14:
Enkelheden i UV-Vis gør det til en ideel teknik til at sammenligne PTS af en etableret måleprotokol6,12,15. Formålet med en ILC eller PTS er at kontrollere en metodes ydeevne og reproducerbarhed ved hjælp af en SOP15. Dette giver igen en standardiseret tilgang til hurtig karakterisering af nanopartikler suspensioner for andre brugere.
For at vurdere færdigheden, konsistensen og pålideligheden af den metode, der præsenteres her, deltog seks laboratorier i en ILC som medlemmer af Horizon 2020 ACEnano-projektet (https://cordis.europa.eu/project/id/720952). ILC’en involverede UV-Vis-karakterisering af standard au kolloide dispersioner af forskellige partikelstørrelser (5-100 nm). Der blev leveret en SOP til alle de involverede laboratorier for at sikre identisk forberedelse af AuNP-suspensioner, evaluering og rapportering af resultater for at bidrage til udviklingen af en implementerbar og robust differentieret tilgang i NM fysisk kemisk karakterisering, datafortolkning og forbedring af protokoller for bedste praksis til industrielle og lovgivningsmæssige behov8.
Der findes flere metoder til karakterisering af nanoskalarelaterede egenskaber (f.eks. analytisk ultracentrifugering (AUC), scanning af elektronmikroskopi/transmissionselektronmikroskopi (SEM/TEM) og Dynamic Light Scattering (DLS)10,11). Men disse teknikker mangler enkelhed UV-Vis at opnå primære resultater i karakterisering af NMs12,13. UV-Vis er et fælles instrument selv i ikke-så veludstyrede laboratorier, hvilket gør det til et uovertruffent værktøj til karakterisering af NMs6. Når du karakteriserer NMs, er det vigtigt at overveje begrænsninger, styrker og svagheder ved de teknikker, der skal anvendes. I UV-Vis-spektrometeret passerer lysstrålen gennem prøverummet, hvilket resulterer i absorptionsværdier. som følge heraf kan eksterne vibrationer, udvendigt lys, forurenende stoffer og brugerens ydeevne forstyrre målingen og resultaterne4,12. På samme måde er det vigtigt at registrere alle de målinger, der er nødvendige for at konstruere kalibreringen, når der afbildes en kalibreringskurve for at bestemme størrelsen af en ukendt prøve.
For eksempel kan den store variation i det samlede Absmax-gennemsnit af den ukendte prøve være forbundet med forskelle mellem laboratorierne på grund af afhængigheden mellem stråleintensiteten, positionen og selve instrumentet17,18. Desuden kan de manglende data for 100 nm størrelse fra laboratorie 5, på grund af et forureningsproblem, også bidrage til de store forskelle mellem resultaterne, da de manglende data kan have påvirket kalibreringskurven og den afbildede polynomiske ligning, der anvendes til at beregne størrelsen af den ukendte AuNP-suspension. Det kan bestemt være kompliceret at reproducerbarhed mellem protokoller og laboratorier, da mange faktorer kan bidrage til manglende sammenhæng i laboratorieaktiviteter, hvilket resulterer i, at forskere lejlighedsvis ikke er i stand til at reproducere resultater fra andre laboratorier, hvilket kan føre til langsommere videnskabelige fremskridt, spildt tid, penge og ressourcer19. Den vellykkede karakterisering af de fysisk-kemiske egenskaber af NMs, især størrelse, kræver en let at udføre metode af alle deltagende laboratorier, som for det meste kan løses ved at følge en systematisk og konceptuel replikation, såsom oprettelsen af en SOP, instrument uddannelse, og undgå brugen af fejlidentificerede eller krydsforurenede prøver15,19.
Tilsvarende er kvaliteten og stabiliteten af kolloid suspension også vigtige faktorer at overveje, da ændringer i deres fysisk-kemiske egenskaber kan føre til forskellige resultater. For at sikre deres stabilitet i længere perioder bør nanopartiklernes suspensioner derfor opbevares i mørke ved 4 °C. På samme måde bør de aliquoterede prøver under forsendelsesprocessen holdes kolde, da lange perioder ved stuetemperatur kan føre til betydelig sammenlægning20. For at overvinde fejl i NM-karakterisering er det desuden nødvendigt at give adgang til de originale data, protokoller og vigtige forskningsmaterialer mellem samarbejdslaboratorier, især når man vurderer færdigheder, konsistens og pålidelighed gennem en ILC15. At gøre disse faktorer klare og tilgængelige er nøglen til at opnå en vellykket NM-karakterisering af ethvert laboratorium eller udstyr. Hvis man ser bort fra disse aspekter, kan det resultere i manglende reproducerbarhed, nøjagtighed og vildledende eller fejlagtige resultater15. Selvom UV-Vis spektroskopi har vist sig at være guldstandarden i NM-karakterisering, kan den udnyttes på mange andre områder, da den muliggør kvantitativ bestemmelse af et udvidet dynamisk udvalg af løsninger i både uorganiske og organiske forbindelser6,21.
Desuden kan UV-Vis nemt kombineres med andre værktøjer til at måle et stort udvalg af attributter og derved forbedre kvaliteten af enhver analyse22. Baseret på disse funktioner anvendes UV-Vis i vid udstrækning på mange områder, såsom på det biofarmaceutiske område ved at måle UV-Vis-spektre i proteinopløsninger med høj koncentration, i miljøkontrol, når man sammenligner ligheder mellem forurenende stoffer og deres produktrelaterede urenheder i realtid, i industrielle spildevandsbehandlingsanlæg som en del af reglerne for spildevandsfarvebestemmelse og acceptniveau22, 23. Bestemt, som teknologien skrider frem og mere avancerede funktioner og erfaring bliver tilgængelige i spektrofotometri, yderligere udvidelse af de applikationer og parametre, der kan måles ved hjælp af denne teknik vil forekomme22. For eksempel er on-line UV-Vis spektrometri i feltapplikationer et værdifuldt værktøj til overvågning af mange parametre i realtid og i forskellige typer væsker, hvilket er et enestående træk blandt online sensorsystemer22.
Den ILC, der er beskrevet her, er designet som en test af SOP udviklet til UV-Vis blandt seks deltagende laboratorier, der er involveret i H2020 ACEnano-projektet. Analysen af resultaterne viste, at en ILC giver værdifulde oplysninger for at give teknisk tillid til en intern metode til NM-karakterisering af hvert deltagerlaboratorium. Dataindsamling i en etableret skabelon bekræftede konsistensen og en hurtigere fortolkning af resultaterne og fremlagde en model for vurdering af størrelsen af en ukendt AuNP-prøve, som også viste repeterbarhed mellem resultaterne, når der blev medtaget tilstrækkelige punkter i kalibreringskurven. Desuden validerede resultaterne effektiviteten af UV-Vis for NM-karakterisering samt betydningen af oprettelsen af protokoller for bedste praksis. En sådan tilgang giver endvidere mulighed for, at den gennemførte procedure kan bidrage til udviklingen af en lovgivningsmæssig ramme gennem reproducerbare NM-karakteriseringsprotokoller baseret på metodeudvælgelse og datafortolkning, der er relevante for akkrediteringsregulatorer og forskningsforvaltningsorganer.
The authors have nothing to disclose.
ACQ vil gerne takke The National Council for Science and Technology (CONACyT) i Mexico for at finansiere hendes ph.d.-studier. Alle forfattere anerkender støtte fra Eu’s Horisont 2020-program (H2020) i henhold til tilskudsaftale no 720952, projekt ACEnano (kaldet NMBP-26-2016).
Absorption Ultra-Micro-cuvette, 200 µL | Hellma | 105.201-QS | |
Cary 5000 spectrophotometer (Spectrophotometer C) | Agilent | Cary 5000 | |
Gold nanoparticles 5 nm | BBI solutions | EM.GC5 | |
Gold nanoparticles 20 nm | BBI solutions | EM.GC20 | |
Gold nanoparticles 40 nm | BBI solutions | EM.GC40 | |
Gold nanoparticles 60 nm | BBI solutions | EM.GC60 | |
Gold nanoparticles 80 nm | BBI solutions | EM.GC80 | |
Gold nanoparticles 100 nm | BBI solutions | EM.GC100 | |
Agilent / HP 8453 (Spectrophotometer E) | |||
Jenway 6800 spectrophotometer (Spectrophotometer A) | Jenway | UV6800 | |
Polystyrene cuvette, 1.5 mL, micro 10 mm pathlength | Sigma | 759015 | |
Polystyrene cuvette, 3 mL (10 mm x 10 mm x 45 mm) | Sarstedt Inc | 67.742 | |
Semi-micro quartz cuvette, 1mL (1 mm x 10 mm x 45 mm) | Agilent | 6610001 | |
Ultrapure water (UPW) (18.2 MΩcm). | / | / | |
UV-1800 spectrophotometer (Spectrophotometer B) | Shimadzu | UV1800 | |
Varian Cary 50 spectrophotometer (Spectrophotometer D) | Agilent | Cary 50 |