कोलाइडयन जांच nanoscopy का प्रयोग कण कण बातचीत की मात्रात्मक और गुणात्मक परीक्षा
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
परमाणु शक्ति माइक्रोस्कोपी (AFM) गुणात्मक और मात्रात्मक इमेजिंग सक्षम बनाता है और एक सामग्री की सतह की जांच कर रही है कि एक तकनीक है. 4-6 परंपरागत रूप से, AFM सतह स्थलाकृति, आकृति विज्ञान और बहु – phasic सामग्री की संरचना के मूल्यांकन के लिए प्रयोग किया जाता है. AFM मात्रात्मक ऐसी हवा और तरल माध्यमों दोनों में एक विशिष्ट जांच और सब्सट्रेट के बीच आरोप, आकर्षण, विकर्षण और आसंजन बलों के रूप में नैनो पैमाने पर बातचीत का मूल्यांकन करने की क्षमता है. 7,8 मूल रूप से binning, Quate और Gerber 9 उपयोगों द्वारा विकसित AFM जाना जाता है / निर्धारित संवेदनशीलता और एक नमूना दृष्टिकोण और / या स्कैन करने के लिए लगातार वसंत की जांच. कारण जांच और नमूने के बीच शारीरिक संबंधों को, ब्रैकट संपर्क या निकटता के दौरान हटाया हुआ है और आपरेशन के मोड पर निर्भर करता है, इस विक्षेपन जांच और नमूने के बीच उपस्थित नमूना या उपाय बलों की स्थलाकृति प्राप्त करने के लिए अनुवाद किया जा सकता है. AFM तकनीक के लिए संशोधनकुए, ऐसे कोलाइडयन जांच nanoscopy के रूप में, 10 सीधे ब्याज की एक कोलाइडयन प्रणाली में मौजूद दो पदार्थों के बीच नैनो बल बातचीत का मूल्यांकन करने के लिए वैज्ञानिक की अनुमति दी है.
कोलाइडयन जांच nanoscopy में, पसंद का एक गोलाकार कण पारंपरिक शंक्वाकार और पिरामिड सुझावों की जगह, एक ब्रैकट के शीर्ष से जुड़ी है. एक गोलाकार कण ऐसे जॉनसन, केंडल, रॉबर्ट्स (JKR) 11 और Derjaguin, Landau, Vervwey, Overbeek (DLVO) 12-14 सिद्धांतों और माप पर सतह खुरदरापन के प्रभाव को कम करने के रूप में सैद्धांतिक मॉडल के साथ तुलना करने के लिए आदर्श है. 15 इन सिद्धांतों एक कोलाइडयन प्रणाली के भीतर की उम्मीद संपर्क यांत्रिकी और अंतर – कण बलों को परिभाषित करने के लिए उपयोग किया जाता है. DLVO सिद्धांत जबकि जम्मू, मात्रात्मक जलीय कोलाइडयन सिस्टम के एकत्रीकरण व्यवहार की व्याख्या करने के लिए आकर्षक वैन der Waal बलों और (कारण बिजली के डबल परतों के लिए) प्रतिकारक electrostatic बलों को जोड़ती हैके.आर. सिद्धांत दो घटकों के बीच लोचदार संपर्क मॉडल पर संपर्क दबाव और आसंजन के प्रभाव को शामिल किया गया. एक उचित जांच का उत्पादन किया है, एक बार यह दो घटकों के बीच बलों का मूल्यांकन करने के लिए किसी भी अन्य सामग्री / कण दृष्टिकोण करने के लिए प्रयोग किया जाता है. एक मानक निर्मित टिप एक का उपयोग करना है कि टिप और अपनी पसंद की सामग्री के बीच इंटरैक्टिव बलों को मापने के लिए सक्षम हो, लेकिन एक कस्टम बनाया कोलाइडयन जांच का उपयोग कर के लाभ का अध्ययन प्रणाली के भीतर मौजूद सामग्री के बीच मौजूद बलों की माप की अनुमति देता होगा. औसत दर्जे बातचीत में शामिल हैं:.. चिपकने वाला, आकर्षक, प्रतिकारक, प्रभारी, और कणों के बीच उपस्थित भी electrostatic बल 16 इसके अतिरिक्त, कोलाइडयन जांच तकनीक कणों और सामग्री लोच के बीच मौजूद स्पर्शरेखा बलों का पता लगाने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता 17,18
विभिन्न मीडिया में माप का संचालन करने की क्षमता कोलाइडयन जांच nanoscopy के बड़े फायदे में से एक है. परिवेश की स्थिति, तरल मीटरedia, या नमी नियंत्रित स्थितियों के सभी अध्ययन प्रणाली के पर्यावरण की स्थिति की नकल करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है. एक तरल वातावरण में माप का संचालन करने की क्षमता है कि यह स्वाभाविक रूप से होता है कि एक वातावरण में कोलाइडयन प्रणालियों का अध्ययन सक्षम बनाता है; इस प्रकार, मात्रात्मक अपनी प्राकृतिक अवस्था में व्यवस्था करने के लिए सीधे अनुवाद का है कि डेटा हासिल करने में सक्षम किया जा रहा है. उदाहरण के लिए, मीटर के जरिए खुराक इनहेलर (एमडीआई) के भीतर मौजूद कण बातचीत MDIS में इस्तेमाल प्रणोदक के समान गुणों के साथ एक मॉडल तरल प्रणोदक का उपयोग का अध्ययन किया जा सकता है. हवा में ही मापा बातचीत इनहेलर में प्रणाली विद्यमान के प्रतिनिधि नहीं होगा. इसके अलावा, तरल माध्यम नमी प्रवेश, एक माध्यमिक surfactant, या एक एमडीआइ में कण बातचीत पर तापमान के प्रभाव का मूल्यांकन करने के लिए संशोधित किया जा सकता है. तापमान नियंत्रित करने की क्षमता कैसे तापमान के निर्माण में या तो मूल्यांकन करने के लिए कोलाइडयन प्रणालियों के निर्माण में कुछ कदम की नकल करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता हैकोलाइडयन सिस्टम का भंडारण कण बातचीत पर असर हो सकता है.
कोलाइडयन जांच का उपयोग कर प्राप्त किया जा सकता है कि माप शामिल हैं; स्थलाकृति स्कैनिंग, व्यक्तिगत बल दूरी घटता, बल दूरी आसंजन नक्शे, और बल दूरी माप ध्यान केन्द्रित करना. इस अखबार में प्रस्तुत कोलाइडयन जांच nanoscopy पद्धति का उपयोग करके मापा जाता है कि मुख्य मापदंडों तस्वीर में, अधिकतम लोड, और जुदाई ऊर्जा मूल्यों में शामिल हैं. स्नैप में आकर्षक बलों की एक माप है, अधिकतम अधिकतम आसंजन बल के मूल्य लोड, और जुदाई ऊर्जा संपर्क से कण को वापस लेने के लिए आवश्यक ऊर्जा बता देते हैं. इन मूल्यों को तात्कालिक या ध्यान केन्द्रित करना बल माप के माध्यम से मापा जा सकता है. ध्यान केन्द्रित करना माप के दो विभिन्न प्रकार विक्षेपन और खरोज शामिल हैं. ध्यान केन्द्रित करना माप की लंबाई और प्रकार विशेष रूप से ब्याज की एक प्रणाली के भीतर मौजूद हैं कि विशेष बातचीत की नकल करने के लिए चुना जा सकता है. एक उदाहरण विक्षेपन ध्यान केन्द्रित करना उपयोग कर रहा है – जो धारणdispersions में गठन समुच्चय में विकसित है कि चिपकने वाला बांड का मूल्यांकन करने के लिए – एक वांछित विक्षेपन मूल्य पर संपर्क में नमूनों. गठन चिपकने वाला बांड समय के एक समारोह के रूप में मापा जा सकता है और लंबे समय तक भंडारण के बाद समुच्चय redisperse करने के लिए आवश्यक बलों में अंतर्दृष्टि प्रदान कर सकते हैं. इस पद्धति का उपयोग करके प्राप्त किया जा सकता है कि डेटा की अधिकता विधि की बहुमुखी प्रतिभा के लिए एक वसीयतनामा है.
Protocol
Representative Results
Discussion
तरल कोलाइडयन जांच nanoscopy के दौरान उपस्थित प्रणाली अस्थिरता के कई स्रोतों आसानी उचित संतुलन प्रक्रियाओं के माध्यम से कम किया जा सकता है. चर्चा के रूप में अस्थायित्व पहले से निष्पक्ष विश्लेषण करने के लिए ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
लेखकों को स्वीकार करते हैं (1) Nanobiomedical विज्ञान और Dankook विश्वविद्यालय में पुनर्योजी चिकित्सा के लिए BK21 प्लस NBM ग्लोबल रिसर्च सेंटर, और विभाग से वित्तीय समर्थन प्राथमिकता से एनआरएफ, कोरिया गणराज्य, (द्वारा वित्त पोषित अनुसंधान केंद्र प्रोग्राम (सं 2009-0093829) 2) की सुविधा है, और सिडनी विश्वविद्यालय में माइक्रोस्कोपी और Microanalysis के लिए ऑस्ट्रेलियाई केन्द्र के वैज्ञानिक और तकनीकी सहायता,. एच के सी सी एक डिस्कवरी परियोजना अनुदान (DP0985367 और DP120102778) के माध्यम से वित्तीय सहायता के लिए ऑस्ट्रेलियाई अनुसंधान परिषद के लिए आभारी है. WCH एक कड़ी परियोजना अनुदान (LP120200489, LP110200316) के माध्यम से वित्तीय सहायता के लिए ऑस्ट्रेलियाई अनुसंधान परिषद के लिए आभारी है.
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).
