Kwantitatieve en kwalitatieve onderzoek van Particle-deeltje Interacties gebruik Colloïdaal 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
Atomic force microscopie (AFM) is een techniek die kwalitatieve en kwantitatieve beeldvorming maakt en aftasten van een materiaaloppervlak. 4-6 Traditioneel AFM wordt gebruikt voor de evaluatie van oppervlakte topografie, morfologie en structuur van multifasische materialen. AFM heeft de mogelijkheid om kwantitatief evalueren nano-schaal interacties, zoals lading, aantrekking, afstoting en adhesie krachten tussen specifieke sonde en substraat in zowel lucht en vloeibare milieus. 7,8 AFM oorspronkelijk ontwikkeld door Binning, Quate en Gerber 9 toepassingen een sonde van bekende / bepaalde gevoeligheid en veerconstante te benaderen en / of scannen van een monster. Vanwege de fysieke interactie tussen de sonde en het monster, wordt de cantilever afgebogen tijdens contact of nabijheid en afhankelijk van de werkingsmodus, kan deze doorbuiging worden vertaald naar de topografie van het monster of maatregel krachten aanwezig is tussen de probe en monster verwerven. Wijzigingen aan de AFM technischeque, zoals colloïdaal sonde nanoscopy, 10 hebben toegestaan wetenschapper direct evalueren van de nano-kracht interacties tussen twee materialen aanwezig in een colloïdaal systeem van belang.
In colloïdale probe nanoscopy wordt een bolvormig deeltje bij uitstek om de top van een cantilever bevestigd, vervangen van de traditionele conische piramidaal tips. Een bolvormig deeltje ideale vergelijking met theoretische modellen zoals Johnson, Kendal, Roberts (JKR) 11 en Derjaguin, Landau, Vervwey, Overbeek (DLVO) 12-14 theorieën en de invloed van de oppervlakteruwheid op de meting mogelijk te minimaliseren. 15 Deze theorieën worden gebruikt om de contactmechanica en verwacht binnen een colloïdaal systeem krachten tussen de deeltjes definiëren. De DLVO theorie combineert aantrekkelijke Van der Waal krachten en afstotende elektrostatische krachten (door elektrische tweelagig) kwantitatief verklaren het aggregatiegedrag van waterige colloïdale systemen, terwijl JKR theorie neemt het effect van contactdruk en adhesie elastische contact tussen twee componenten modelleren. Zodra een geschikte probe wordt geproduceerd, wordt het gebruikt om ander materiaal / deeltje benadering van de krachten tussen de twee componenten te evalueren. Met een standaard vervaardigd tip men kunnen interactieve krachten worden gemeten tussen dat punt en een materiaal van keuze zijn, maar het voordeel van een op maat gemaakte colloïdaal sonde maakt de meting van krachten aanwezig tussen materialen aanwezig in het onderzochte systeem. Meetbare interacties omvatten:.. Lijm, aantrekkelijke, afstotende, lading, en zelfs elektrostatische krachten tussen de deeltjes aanwezig 16 Bovendien kan de colloïdale sondetechniek worden gebruikt tangentiële krachten zich tussen deeltjes en materiaal elasticiteit staand 17,18
De mogelijkheid om metingen uit te voeren in verschillende media is een van de grote voordelen van colloïdaal probe nanoscopy. Omgevingsomstandigheden, vloeibare mEdia, of-vochtigheid gecontroleerde omstandigheden kunnen allemaal worden gebruikt om de milieu-omstandigheden van het bestudeerde systeem na te bootsen. De mogelijkheid om metingen uit te voeren in een vloeibare omgeving maakt de studie van colloïdale systemen in een omgeving die het van nature voorkomt; dus, in staat om kwantitatief gegevens die direct vertaalbaar naar het systeem in zijn natuurlijke staat te verwerven. Bijvoorbeeld, kunnen de deeltjes interacties aanwezig in dosisinhalatoren (MDI) worden onderzocht met behulp van een model vloeibare stuwstof met soortgelijke eigenschappen als het drijfgas gebruikt in MDI's. Dezelfde interacties gemeten in de lucht zou niet representatief zijn voor het systeem bestaand in de inhalator. Bovendien kan het vloeibare medium worden aangepast om het effect van vocht binnendringen, een tweede surfactant of temperatuur op het deeltje interacties in een MDI evalueren. Het vermogen om temperatuur te regelen kan worden gebruikt om bepaalde stappen in de vervaardiging van colloïdale systemen bootsen om te evalueren hoe de temperatuur in de fabricagekosten ofopslag van colloïdale systemen kunnen een impact hebben op deeltjesinteracties hebben.
Metingen die kunnen worden verkregen met behulp van colloïdaal probes bevatten; Topografie scannen, individuele kracht-afstand curves, kracht-afstand hechting kaarten, en woont metingen kracht-afstand. Belangrijke parameters die worden gemeten met behulp van de colloïdale sonde nanoscopy methode in dit document zijn de snap-in, laadvermogen, en scheiding energiewaarden. Snap-in is een meting van de aantrekkende krachten, draagvermogen van de waarde van de maximale kleefkracht, en de scheiding energie brengt de energie die nodig is om het deeltje trekken uit contact. Deze waarden kunnen worden gemeten door middel van geisers of dwell krachtmetingen. Twee verschillende soorten dwell metingen omvatten doorbuiging en inspringen. De lengte en de aard van dwell meting kan specifiek worden gekozen om specifieke interacties die aanwezig zijn in een systeem van belang na te bootsen. Een voorbeeld is het gebruik van doorbuiging dwell – waarvoor geldtHet product in contact op een gewenste deflectiewaarde – de lijmverbindingen die zich in aggregaten gevormd dispersies evalueren. De lijmverbindingen gevormd kan worden gemeten als een functie van tijd en kan inzicht in de wijze om de aggregaten na langdurige opslag redisperse krachten. De overvloed aan gegevens die kunnen worden verkregen met behulp van deze methode is een bewijs van de veelzijdigheid van de methode.
Protocol
Representative Results
Discussion
Verschillende bronnen van instabiliteit van het systeem aanwezig zijn tijdens vloeibare colloïdale sonde nanoscopy kan gemakkelijk worden verholpen door middel van goede equilibrering procedures. Instabiliteiten zoals besproken eerder leiden tot foutieve resultaten en kracht bochten die moeilijker om objectief te analyseren. Als alle bronnen van instabiliteit zijn onderhouden en grafieken soortgelijk aan die getoond in figuur 4 nog aanwezig zijn, kan een andere parameter meet de reden. Andere meet para…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs erkennen (1) financiële ondersteuning van de afdeling Nanobiomedical Wetenschap & BK21 PLUS NBM Global Research Centrum voor Regeneratieve Geneeskunde in Dankook University, en van de Priority Research Centers Program (nr. 2009-0093829) gefinancierd door NRF, de Republiek Korea, ( 2) de faciliteiten, en de wetenschappelijke en technische bijstand, van het Australische Centrum voor Microscopie en Microanalyse aan de Universiteit van Sydney. HKC is dankbaar voor de Australian Research Council voor de financiële steun door middel van een Discovery Project subsidie (DP0985367 & DP120102778). WK is dankbaar voor de Australian Research Council voor de financiële steun door middel van een koppeling Project subsidie (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).
