Denne studien presenterer benchmarking resultatene for en interlaboratory sammenligning (ILC) designet for å teste standard operasjonsprosedyre (SOP) utviklet for gull (Au) kolloid dispersjoner preget av ultrafiolett-synlig spektroskopi (UV-Vis), blant seks partnere fra H2020 ACEnano prosjektet for prøvepreparering, måling og analyse av resultatene.
Den fysisk-kjemiske karakteriseringen av nanomaterialer (NMs) er ofte en analytisk utfordring, på grunn av deres lille størrelse (minst en dimensjon i nanoskala, det vil si 1-100 nm), dynamisk natur og forskjellige egenskaper. Samtidig er pålitelig og repeterbar karakterisering avgjørende for å sikre sikkerhet og kvalitet i produksjonen av NM-bærende produkter. Det finnes flere metoder for å overvåke og oppnå pålitelig måling av nanoskalarelaterte egenskaper, hvorav ett eksempel er Ultrafiolett-Synlig Spektroskopi (UV-Vis). Dette er en veletablert, enkel og billig teknikk som gir ikke-invasiv og rask screeningevaluering i sanntid av NM-størrelse, konsentrasjon og aggregeringstilstand. Slike funksjoner gjør UV-Vis til en ideell metodikk for å vurdere ferdighetstestingsordningene (PTS) i en validert standard driftsprosedyre (SOP) som er ment å evaluere ytelsen og reproduserbarheten til en karakteriseringsmetode. I dette dokumentet ble PTS fra seks partnerlaboratorier fra H2020-prosjektet ACEnano vurdert gjennom en interlaboratorisk sammenligning (ILC). Standard gull (Au) kolloidfjæringer av forskjellige størrelser (fra 5–100 nm) var preget av UV-Vis ved de ulike institusjonene for å utvikle en gjennomførbar og robust protokoll for NM-størrelseskarakterisering.
Nanomaterialer (NMs) har blitt populære på grunn av deres unike egenskaper i nanoskalaen (1 til 100 nm), som avviker fra egenskapene til deres bulkmotparter, enten på grunn av størrelsesrelaterte eller kvanteeffekter (f.eks. økt spesifikt overflateareal etter volum) sammen med distinkt reaktivitet, optisk, termisk, elektrisk og magnetisk egenskaper1,2 . De potensielle bruksområdene til NMs i samfunnet er varierte og mye relatert til felt som helsevesen, næringsmiddelindustri, kosmetikk, maling, belegg og elektronikk3,4,5. Gull nanopartikler (AuNPer) er mye brukt i nanoteknologi (f.eks. i helsevesenet, kosmetikk og elektroniske applikasjoner), hovedsakelig på grunn av deres enkle fabrikasjon, størrelsesavhengige optiske egenskaper, overflatefunksjonaliseringspotensial og fysisk-kjemiske egenskaper, som kan være egnet for mange viktige applikasjoner6,7.
Kvalitet og reproduserbarhet i syntesen og karakteriseringen av NMs er ekstremt viktig for kvalitetssikring, men også for sikker produksjon av nanobaserte produkter, spesielt på grunn av reaktivitet av NMs, spesielt i komplekse miljøer, hvor NM-egenskaper, for eksempel størrelsesfordeling og morfologi, kan gjennomgå raske endringer.8,9. Tallrike metoder er tilgjengelige for å overvåke nanoskalarelaterte egenskaper. For eksempel er skanning / overføring elektronmikroskopi (SEM / TEM) teknikker som brukes for å oppnå høyoppløselig (ned til sub-nanometer) optisk og komposisjonsinformasjon om NMs; atomkraftmikroskopi (AFM) gir nanoskala oppløsning i den vertikale (z-aksen) dimensjonen; og røntgendiffraksjon (XRD) gir informasjon om atomstrukturen til NMs; alle disse metodene kan bare brukes på tørre prøver (pulver)10,11. Teknikker som er egnet for karakterisering av NMs i flytende medier inkluderer feltstrømningsfraksjonering (FFF), som gjør det mulig å separere store molekyler, aggregater og partikler basert på deres størrelse; dynamisk lysspredning (DLS); nanopartikkelsporingsanalyse (NTA) – to metoder som er mye brukt til å bestemme størrelsen på fordelingsprofilen til partikler ved hjelp av brownsk bevegelse – og ultrafiolett synlig spektrofotometri (UV-Vis), som gjør det mulig å vurdere NM-egenskaper som størrelse, aggregeringstilstand og brytningsindeks ved hjelp av en enkel absorpsjonsmåling11,12,13. Selv om alle disse teknikkene tillater NM-karakterisering, er deres ytelse avhengig av instrumentoppsett, instrumentrelaterte forskjeller, kompleks metodikk for prøvepreparering og brukerens kompetansenivå. Videre tillater de fleste teknikkene ikke sanntidsovervåking av NM-størrelse, prøveintegritet eller differensiering mellom dispergerte eller aggregerte partikler.6. UV-Vis spektroskopi er en mye brukt teknikk som gir ikke-invasiv og rask sanntidsevaluering av NM-størrelse, konsentrasjon og aggregeringstilstand. I tillegg er det en enkel og billig prosess med minimal prøvepreparering, noe som gjør denne teknikken til et viktig verktøy som i stor grad brukes i mange laboratorier innen mange disipliner og markeder.6,12,14. UV-Vis fungerer ved å måle overføringen av elektromagnetisk stråling av en bølgelengde mellom 180 og 1100 nm gjennom en væskeprøve. UV- og VIS-spektralområdene dekker bølgelengdeområdet for ultrafiolett (170 nm til 380 nm), synlig (380 nm til 780 nm) og nær-infrarød (780 nm til 3300 nm)4,14. Bølgelengden av lys som passerer gjennom prøvecellen måles; intensiteten av lys som kommer inn i prøven, kalles I0, og intensiteten av lyset som dukker opp på den andre siden, er angitt som I114. Beer-Lambert-loven gjenspeiler forholdet mellom A (absorbans) som en funksjon av prøvekonsentrasjon C, prøveutryddelseskoeffisienten ε, og de to intensitetene.14. Absorpsjonsmålinger kan samles ved en enkelt bølgelengde eller over et utvidet spektralområde; den målte lysoverføringen omdannes til en absorbansmåling ved å følge Beer-Lamberts lovligning. Standardligningen for absorbans er A = ɛlc, hvor (A) er mengden lys som absorberes av prøven for en gitt bølgelengde (ɛ) er molar dempingskoeffisienten (absorbans / (g / dm3) (l) er avstanden lyset beveger seg gjennom oppløsningen (cm), og (c) er konsentrasjonen per enhetsvolum (g/dm3). Absorbansen beregnes som forholdet mellom intensiteten i en referanseprøve (I0) og det ukjente utvalget (I), som beskrevet i følgende ligning14:
Enkelheten til UV-Vis gjør det til en ideell teknikk å sammenligne PTS i en etablert måleprotokoll6,12,15. Målet med en ILC eller PTS er å verifisere ytelsen og reproduserbarheten til en metode ved hjelp av en SOP15. Dette gir i sin tur en standardisert tilnærming for rask karakterisering av nanopartikkelfjæringer for andre brukere.
For å vurdere ferdighetene, konsistensen og påliteligheten til metoden som presenteres her, deltok seks laboratorier i et ILC som medlemmer av Horisont 2020 ACEnano-prosjektet (https://cordis.europa.eu/project/id/720952). ILC involverte UV-Vis karakterisering av standard Au kolloid dispersjoner av forskjellige partikkelstørrelser (5-100 nm). En SOP ble gitt til alle involverte laboratorier for å sikre identisk utarbeidelse av AuNP-suspensjoner, evaluering og rapportering av resultater for å bidra til utvikling av en gjennomførbar og robust lagdelt tilnærming i NM fysisk-kjemisk karakterisering, datatolkning og forbedring av beste praksisprotokoller for industrielle og regulatoriske behov8.
Flere metoder er tilgjengelige for karakterisering av nanoskalarelaterte egenskaper (f.eks. analytisk ultracentrifugation (AUC), skanning elektronmikroskopi /transmission electronmikroskopi (SEM/TEM) og Dynamic Light Scattering (DLS)10,11). Imidlertid mangler disse teknikkene UV-Viss enkelhet for å oppnå primære resultater i karakteriseringen av NMs12,13. UV-Vis er et vanlig instrument selv i ikke-så velutstyrte laboratorier, noe som gjør det til et uslåelig verktøy for karakterisering av NMs6. Når du karakteriserer NMs, er det viktig å vurdere begrensningene, styrkene og svakhetene ved teknikkene som skal brukes. I UV-Vis-spektrometeret passerer lysstrålen gjennom prøverommet, noe som resulterer i absorpsjonsverdier; Som et resultat kan eksterne vibrasjoner, utelys, forurensninger og brukerens ytelse forstyrre målingen og resultatene4,12. På samme måte, når du plotter en kalibreringskurve for å bestemme størrelsen på en ukjent prøve, er det viktig å registrere alle målingene som trengs for å konstruere kalibreringen, da manglende faktorer kan bidra til variasjoner mellom målinger og brukere.
For eksempel kan den høye variasjonen i det totale Absmax-gjennomsnittet av den ukjente prøven være knyttet til forskjeller mellom laboratoriene på grunn av avhengigheten mellom stråleintensiteten, posisjonen og selve instrumentet17,18. Videre kan de manglende dataene for 100 nm-størrelsen fra laboratorie 5, på grunn av et forurensningsproblem, også bidra til de høye forskjellene mellom resultatene, da de manglende dataene kan ha påvirket kalibreringskurven og den plottede polynomligningen som brukes til å beregne størrelsen på den ukjente AuNP-suspensjonen. Reproduserbarhet mellom protokoller og laboratorier kan absolutt være komplisert, da mange faktorer kan bidra til mangel på konsistens i laboratorieaktiviteter, noe som resulterer i at forskere av og til ikke klarer å reprodusere funn fra andre laboratorier, noe som kan føre til langsommere vitenskapelig fremgang, bortkastet tid, penger og ressurser19. Den vellykkede karakteriseringen av fysisk-kjemiske egenskaper til NMs, spesielt størrelse, krever en metode som er enkel å utføre av alle deltakende laboratorier, som for det meste kan løses ved å følge en systematisk og konseptuell replikering, for eksempel opprettelsen av en SOP, instrumentopplæring og unngå bruk av misidentifiserte eller krysskontaminerte prøver15,19.
På samme måte er kvaliteten og stabiliteten til kolloidfjæringen også viktige faktorer å vurdere, da endringer i deres fysisk-kjemiske egenskaper kan føre til forskjellige resultater. Derfor, for å sikre stabiliteten i lengre perioder, bør nanopartikkelfjæringer lagres i mørket ved 4 °C. På samme måte, under forsendelsesprosessen, bør de alikvoterte prøvene holdes kalde, da lange perioder ved romtemperatur kan føre til betydelig aggregering20. I tillegg, for å overvinne feil i NM-karakterisering, er det nødvendig å gi tilgang til de opprinnelige dataene, protokollene og viktige forskningsmaterialer mellom samarbeidende laboratorier, spesielt når du vurderer ferdighetene, konsistensen og påliteligheten gjennom en ILC15. Å gjøre disse faktorene tydelige og tilgjengelige er nøkkelen til å oppnå en vellykket NM-karakterisering av ethvert laboratorium eller utstyr. Hvis du ser bort fra disse aspektene, kan det føre til mangel på reproduserbarhet, nøyaktighet og villedende eller feilaktige resultater15. Selv om UV-Vis spektroskopi har vist seg å være gullstandarden i NM-karakterisering, kan den utnyttes på mange andre felt, da den tillater kvantitativ bestemmelse av et utvidet dynamisk løsningsområde i både uorganiske og organiske forbindelser6,21.
Dessuten kan UV-Vis enkelt kombineres med andre verktøy for å måle et stort utvalg av attributter, og dermed forbedre kvaliteten på enhver analyse22. Basert på disse funksjonene er UV-Vis mye brukt på mange områder som i det biofarmasøytiske feltet ved å måle UV-Vis-spektra i proteinløsninger med høy konsentrasjon, i miljøkontroll når man sammenligner likheter mellom forurensninger og deres produktrelaterte urenheter i sanntid, i industrielle avløpsbehandlingsanlegg som en del av regelverket for avløpsfargebestemmelse og akseptabilitetsnivå22, 23. Etter hvert som teknologien utvikler seg og mer avanserte funksjoner og erfaring blir tilgjengelig i spektrofotometri, vil ytterligere utvidelse av applikasjonene og parametrene som kan måles ved hjelp av denne teknikken oppstå22. For eksempel, i feltapplikasjoner, er online UV-Vis spektrometri et verdifullt verktøy for overvåking av mange parametere i sanntid og i ulike typer væsker, noe som er en eksepsjonell funksjon blant online sensorsystemer22.
ILC beskrevet her ble designet som en test av SOP utviklet for UV-Vis blant seks deltakende laboratorier involvert i H2020 ACEnano-prosjektet. Analysen av resultatene viste at et ILC gir verdifull informasjon for å gi teknisk tillit til en intern metode for NM-karakterisering av hvert deltakerlaboratorium. Datainnsamling i en etablert mal bekreftet konsistens og raskere tolkning av resultatene og ga en modell for estimering av størrelsen på et ukjent AuNP-utvalg, som også viste repeterbarhet mellom resultatene når tilstrekkelige punkter i kalibreringskurven ble inkludert. Videre validerte resultatene effektiviteten til UV-Vis for NM-karakterisering, samt viktigheten av å lage beste praksis-protokoller. En slik tilnærming gir videre en mulighet for den implementerte prosedyren til å bidra til utvikling av et lovgivende rammeverk gjennom reproduserbare NM-karakteriseringsprotokoller basert på metodevalg og datatolkning som er relevante for akkrediteringsregulatorer og forskningsledelsesorganer.
The authors have nothing to disclose.
ACQ takker Nasjonalt råd for vitenskap og teknologi (CONACyT) i Mexico for å finansiere doktorgradsstudiene sine. Alle forfattere anerkjenner støtte fra European Union Horizon 2020 Program (H2020) under tilskuddsavtale no 720952, prosjekt ACEnano (ring 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 |