فحص الكمية والنوعية من التفاعلات الجسيمات الجسيمات الغروية عن طريق مسبار 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
قوة ذرية المجهر (فؤاد) هو الاسلوب الذي يتيح التصوير النوعية والكمية وسبر لسطح المادة. 4-6 تقليديا، يتم استخدام فؤاد لتقييم تضاريس السطح، مورفولوجيا وهيكل من المواد المتعددة طوري. فؤاد لديها القدرة على تقييم كمي التفاعلات نانو النطاق، مثل تهمة، والجذب، والتنافر بين القوات التصاق مسبار محددة والركيزة في كل من الهواء ووسائل الإعلام السائلة. 7،8 فؤاد وضعت أصلا من قبل Binning، Quate وجربر 9 الاستخدامات مسبار من المعروف / حساسية العزم والربيع المستمر للاقتراب و / أو مسح العينة. بسبب التفاعلات الفيزيائية بين التحقيق والعينة، وتهرب ناتئ خلال الاتصال أو القرب وتبعا لطريقة عملها، وهذا انحراف يمكن ترجمتها للحصول على تضاريس العينة أو تدبير القوات الموجودة بين التحقيق وعينة. تعديلات على TECHNI فؤادكيو، مثل التحقيق الغروية nanoscopy، 10 وقد سمح العلماء لتقييم مباشرة التفاعلات نانو القوة بين اثنين من مواد موجودة في نظام الغروية من الفائدة.
في الغروية التحقيق nanoscopy، ويرد جسيمات كروية من خيار لقمة ناتئ، لتحل محل المخروطية والهرمية نصائح التقليدية. A الجسيمات كروية مثالية للسماح بالمقارنة مع النماذج النظرية مثل جونسون، كندال، روبرتس (JKR) 11 وDerjaguin، لانداو، Vervwey، Overbeek (DLVO) 12-14 النظريات والتقليل من تأثير خشونة السطح على القياس. 15 وتستخدم هذه النظريات لتحديد اليات الاتصال والقوات المشتركة بين الجسيمات المتوقع ضمن نظام الغروية. نظرية DLVO يجمع بين جاذبية قوى فان دير فال وقوات كهرباء مثير للاشمئزاز (بسبب الطبقات المزدوجة الكهربائية) لشرح كميا سلوك تجميع الأنظمة الغروية المائية، في حين أن Jيتضمن نظرية KR تأثير الضغط الاتصال والتصاق لنموذج اتصال مرنة بين عنصرين. مرة واحدة يتم إنتاج التحقيق المناسبة، ويتم استخدامه للاقتراب أي مادة / الجسيمات الأخرى لتقييم القوى بين العنصرين. وباستخدام معيار تصنيعها طرف واحد يكون قادرا على قياس قوات التفاعلية بين هذا الطرف والمادة المفضلة، ولكن الفائدة من استخدام مسبار الغروية العرف يسمح بقياس القوات الموجودة بين المواد موجودة داخل منظومة دراستها. وتشمل التفاعلات قابلة للقياس:. لاصقة، جذابة، مثيرة للاشمئزاز، وتهمة، وحتى القوات الكهروستاتيكية الحالية بين الجسيمات 16 بالإضافة إلى ذلك، فإن تقنية التحقيق الغروية يمكن استخدامها لاستكشاف قوات عرضية الحالية بين الجسيمات ومرونة المواد 17،18
القدرة على إجراء القياسات في مختلف وسائل الإعلام هي واحدة من أهم مزايا الغروية التحقيق nanoscopy. الظروف المحيطة، السائل مالقانونين، أو الظروف التي تسيطر عليها الرطوبة يمكن أن تستخدم كل لتقليد الظروف البيئية لمنظومة دراستها. القدرة على إجراء القياسات في بيئة السائل تمكن من دراسة النظم الغروية في بيئة أنه يحدث بشكل طبيعي؛ بالتالي، أن تكون قادرة على الحصول على البيانات التي يتم تحويلها مباشرة إلى النظام في حالته الطبيعية من الناحية الكمية. على سبيل المثال، وتفاعلات الجسيمات الموجودة داخل أجهزة الاستنشاق بالجرعات المقننة (MDI) يمكن دراستها باستخدام نموذج بالوقود السائل مع خصائص مشابهة لالداسر المستخدمة في أجهزة الاستنشاق بالجرعات المقننة. ان نفس التفاعلات تقاس في الهواء لا تكون ممثلة للنظام موجودة في الاستنشاق. وعلاوة على ذلك، على المديين المتوسط السائل يمكن تعديلها لتقييم تأثير دخول الرطوبة، بالسطح الثانوية، أو درجة الحرارة على التفاعلات الجسيمات في MDI. القدرة على التحكم في درجة الحرارة يمكن أن تستخدم لتقليد بعض الخطوات في تصنيع أنظمة الغروية لتقييم مدى درجة الحرارة سواء في تصنيع أوتخزين النظم الغروية قد يكون لها تأثير على تفاعلات الجسيمات.
وتشمل القياسات التي يمكن الحصول عليها باستخدام تحقيقات الغروية؛ مسح التضاريس، الفردية منحنيات القوة لمسافات والخرائط التصاق قوة بعد، ويسكن قياسات القوة لمسافات. وتشمل المعايير الأساسية التي يتم قياسها باستخدام الغروية طريقة التحقيق nanoscopy المقدمة في هذه الورقة الأداة الإضافية، تحميل كحد أقصى، والقيم الطاقة الانفصال. الأداة الإضافية هو قياس قوى التجاذب، الحد الأقصى للتحميل قيمة قوة التصاق أقصى، والطاقة الفصل ينقل الطاقة اللازمة لسحب الجسيمات من الاتصال. ويمكن قياس هذه القيم من خلال قياسات لحظية أو القوة يسكن. نوعين مختلفين من القياسات يسكن تشمل انحراف والمسافة البادئة. طول ونوع من القياس يسكن يمكن اختيارها خصيصا لمحاكاة التفاعلات المحددة التي تكون موجودة ضمن نظام الفائدة. مثال يستخدم انحراف يسكن – التي تتولىالعينات في اتصال بقيمة انحراف المطلوب – لتقييم السندات لاصقة أن تتطور في المجاميع التي تشكلت في التفرق. وشكلت السندات لاصقة يمكن قياسها بوصفها وظيفة من الوقت ويمكن أن توفر نظرة ثاقبة القوات المطلوبة لredisperse المجاميع بعد التخزين لفترات طويلة. عدد كبير من البيانات التي يمكن الحصول عليها باستخدام هذه الطريقة هي شهادة على براعة الأسلوب.
Protocol
Representative Results
Discussion
يمكن بسهولة تخفيفها عدة مصادر عدم استقرار النظام الحالي خلال السائل الغروية التحقيق nanoscopy من خلال إجراءات موازنة المناسبة. عدم الاستقرار كما نوقش سابقا يؤدي إلى نتائج خاطئة ومنحنيات القوة التي هي أكثر صعوبة لتحليل موضوعي. إذا كان قد تم مالت جميع مصادر عدم الاستقرار ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
يعترف الكتاب (1) الدعم المالي من وزارة العلوم وNanobiomedical مركز BK21 PLUS NBM العالمي لبحوث للطب التجديدي في جامعة دانكوك، والأولوية من برنامج مراكز الأبحاث (رقم 2009 حتي 0093829) بتمويل من جبهة الخلاص الوطني، وجمهورية كوريا، ( 2) المرافق، والمساعدة العلمية والتقنية، من المركز الأسترالي للالمجهري والتحليل المجهري بجامعة سيدني. HKC عن امتنانها لمجلس البحوث الأسترالية للدعم المالي من خلال منحة مشروع ديسكفري (DP0985367 وDP120102778). WCH عن امتنانها لمجلس البحوث الأسترالية للدعم المالي من خلال منحة مشروع الربط (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).
