Kvantitativ och Kvalitativ Undersökning av partikel-partikel interaktioner Använda Kolloidalt Probe nanoskopi
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 microscopy (AFM) är en teknik som möjliggör kvalitativ och kvantitativ bildbehandling och sondering av en materialyta. 4-6 Traditionellt är AFM använts för utvärdering av yttopografi, morfologi och struktur av multi-phasic material. AFM har förmågan att kvantitativt utvärdera nanonivå interaktioner, såsom laddning, attraktion, repulsion och vidhäftningskrafter mellan en specifik sond och substrat i både luft och vätskeformiga medier. 7,8 AFM som ursprungligen utvecklades av Binning, räckliga och Gerber 9 användningsområden en sond med känd / beslutsam känslighet och fjäderkonstant för att närma sig och / eller skanna ett prov. På grund av de fysiska samverkan mellan sonden och provet, är den fribärande avlänkas vid kontakt eller närhet och beroende på driftsform, kan denna omläggning översättas förvärva topografin av provet eller mäta krafter som finns mellan sonden och provet. Ändringar i AFM tekque, såsom kolloidal prob nanoskopi, 10 har låtit forskare att direkt utvärdera nanokraft interaktioner mellan två material som finns i ett kolloidalt system av intresse.
I kolloidal prob nanoskopi, är en sfärisk partikel val fäst på toppen av en fribärande, som ersätter den traditionella koniska och pyramid tips. En sfärisk partikel är idealisk för att möjliggöra jämförelser med teoretiska modeller som Johnson, Kendal, Roberts (JKR) 11 och Derjaguin, Landau, Vervwey, Overbeek (DLVO) 12-14 teorier och för att minimera inverkan av ytjämnhet på mätningen. 15 Dessa teorier används för att definiera kontaktmekanik och interpartikelkrafter förväntas inom ett kolloidalt system. Den DLVO teorin kombinerar attraktiva van der Waals krafter och repulsiva elektrostatiska krafter (på grund av elektriska dubbla lager) för att kvantitativt förklara sammanläggning beteende vattenkolloidala system, medan JKR teori tas hänsyn till effekten av kontakttryck och vidhäftning till modell elastisk kontakt mellan två komponenter. När väl en lämplig sond är framställt, används den för att vända sig till andra material och / partikel för att utvärdera krafterna mellan de två komponenterna. Med hjälp av en standard tillverkad spetsen man kommer att kunna mäta interaktiva krafter mellan det spets och ett material val, men fördelen med att använda en skräddarsydd kolloidal prob möjliggör mätning av krafter som finns mellan material som finns inom det studerade systemet. Mätbara interaktioner är:.. Lim, attraktiv, frånstötande, laddning, och även elektrostatiska krafter som finns mellan partiklarna 16 Dessutom kan kolloidalt sondtekniken användas för att utforska tangentiella krafter som finns mellan partiklar och material elasticitet 17,18
Förmågan att utföra mätningar i olika medier är en av de stora fördelarna med kolloidalt sond nanoskopi. Omgivningsförhållanden, flytande medier eller fuktighetskontrollerade förhållanden kan alla användas för att efterlikna miljön på systemet studeras. Förmågan att utföra mätningar i en flytande miljö möjliggör studier av kolloidala system i en miljö som den förekommer naturligt; alltså, att kunna kvantitativt skaffa data som är direkt översättningsbart till systemet i sitt naturliga tillstånd. Till exempel kan partikel interaktioner som finns inom det dosinhalatorer (MDI) studeras med användning av en modell flytande drivmedel med liknande egenskaper som drivmedlet som används i MDI. Samma interaktioner som uppmätts i luften skulle inte vara representativt för det system existerar i inhalatorn. Vidare kan vätskemediet modifieras för att utvärdera effekten av fuktintrång, ett sekundärt ytaktivt medel, eller temperaturen på partikelinteraktionerna i en MDI. Förmågan att kontrollera temperatur kan användas för att efterlikna vissa steg i tillverkningen av kolloidala system för att utvärdera hur temperaturen antingen vid tillverkningen av ellerlagring av kolloidala system kan ha en inverkan på partikel interaktioner.
Mätningar som kan erhållas med hjälp av kolloidalt sonder inkluderar; Topografi scanning, enskilda kraft-distans kurvor, kraft-distans vidhäftningskartor och bo mätningar kraft-distans. Viktiga parametrar som mäts med hjälp av kolloidalt sond nanoskopi metod som presenteras i detta dokument innefattar snap-in, max belastning, och separationsenergivärden. Snap-in är ett mått på de attraktiva krafterna, maxlast värdet av den maximala vidhäftningskraften, och separationsenergi förmedlar den energi som krävs för att ta ut partikeln från kontakt. Dessa värden kan mätas genom momentana eller dwell kraftmätningar. Två olika typer av dwell mätningar omfattar omläggning och indrag. Längden och typen av uppehållstid mätning kan specifikt väljas för att härma specifika interaktioner som förekommer inom ett system av intresse. Ett exempel är att använda nedböjning dwell – som hållerproverna i kontakt vid ett önskat omläggning värde – att utvärdera adhesivbindningar som utvecklas i aggregat som bildas i dispersioner. De adhesiva bindningar som bildats kan mätas som en funktion av tid och kan ge insikt i de krafter som erfordras för återdispergering aggregaten efter långvarig lagring. Den uppsjö av data som kan erhållas med denna metod är ett bevis på mångsidigheten hos metoden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Flera källor till instabilitet i systemet närvarande under flytande kolloidal prob nanoskopi kan lätt lindras genom lämpliga jämviktsförfaranden. Instabiliteter som diskuterats tidigare leda till felaktiga resultat och kraft kurvor som är svårare att analysera objektivt. Om alla källor till instabilitet har tenderat och grafer som liknar den som visas i figur 4 är fortfarande närvarande, kan en ny mätning parameter vara orsaken. Andra mätparametrar som är viktigt att tänka på under kollo…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna erkänner (1) finansiella stöd från avdelningen för nanobioteknik Science & BK21 PLUS NBM Global Research Center för regenerativ medicin i Dankook universitet, och från Prioritet Research Centers Program (nr 2009 till 0.093.829) finansieras av NRF, Sydkorea, ( 2) anläggningarna samt vetenskapligt och tekniskt bistånd, i den australiska Centrum för Mikroskopi och mikroanalys vid universitetet i Sydney. HKC är tacksam för den australiska Forskningsrådet för de finansiella stöden genom en Discovery Projektbidrag (DP0985367 & DP120102778). VM är tacksam för den australiska Forskningsrådet för de finansiella stöden genom en länkprojektbidrag (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).
