在这里, 我们提出了逐步协议的纳米材料在水介质中的分散性 real-time 表征, 以确定最佳超声条件, 强度和持续时间, 以提高稳定性和均匀性纳米颗粒不影响样品完整性的分散体。
超声过程通常用于水基介质中的 de-agglomerating 和分散纳米材料, 这对提高悬浮液的均匀性和稳定性是必要的。在本研究中, 采用系统的逐步方法来确定最佳的超声条件, 以达到稳定的色散。这种方法已被采用, 并表明适用于一些纳米材料 (氧化铈, 氧化锌, 碳纳米管) 分散在去离子 (DI) 水中。然而, 无论是纳米材料的类型还是分散介质的变化, 都需要通过调整超声时间、功率和 sonicator 类型以及升温过程中的温度升高等各种因素来优化基本协议。该方法详细记录了色散过程。这是必要的, 以确定的时间点以及其他 above-mentioned 的条件, 在超声过程中可能会有不可取的变化, 如损害的粒子表面, 从而影响表面属性。我们的目标是提供一种协调的方法, 可以控制最终产生的分散的质量。这一准则有助于确保纳米社区, 特别是理学领域的分散质量重复性。
超声是生成蚀的过程, 它涉及在液体中形成的气泡 (通常称为热点) 的产生、生长和坍塌, 这是由于高强度超声1的照射。在实验室设置中, 采用超声方法进行 sonicator。有不同的 sonicators, 都具有 de-agglomerating 粒子的一般功能, 在液体介质中作为单个 (或主要) 粒子分散。通过应用超声, 样品均匀性可以改善, 可能达到更窄的粒度分布。在色散过程中要考虑的一个重要方面是最终色散的稳定性。在这里, 悬浮物的稳定性被定义为粒子在其分散状态下不沉淀或沉淀下来的地方, 并且平均水动力直径测量在那期间被采取的五多次测量之间不变化超过10%时间 (大约10分钟)2,3。有几种方法来测量色散稳定性。这包括通过测量粒子的电泳移动性来估计泽塔电位 (ZP)。另一种方法是测量纳米粒子在紫外光谱范围内的吸收特性4。
在理学领域, 控制分散质量的能力非常重要, 因为分散步骤将决定关键的物理化学性质, 如粒度/粒径分布、形状、聚合/团聚、表面电荷,等这反过来最终会影响粒子与测试介质的相互作用以及各种体外和体内实验的结果, 以推断纳米材料的潜在危害。
超声通常是通过使用探针型 (直接) 或超声波浴, 或超声波探头与小瓶高音 (间接超声) 进行的。所有类型的超声都可在强度和输出功率设置, 有时适应不同类型的 sonotrode 为特定的过程或要求, 并适用于液体量范围从2至250毫升。虽然探针超声波是已知的表现优于浴超声由于高度本地化强度5, 浴缸超声往往是首选超过探头型的准备毒理学试验悬浮, 因为可能通过尖端的污染风险, 钛探针在长时间使用后的侵蚀, 以及探头浸入深度的差异。同样, 装有小瓶高音的超声波探头在直接探头上是有利的, 因为 above-mentioned 污染的风险以及设备的操作友好性。几个小瓶是声在同一时间, 并在相同的强度。这不仅节省了时间, 而且确保所有的样品都得到同等对待, 从而使样品中的结果更加可靠和可比。在纳米材料的安全研究中, 污染总是被避免的。但是, 探测器 sonicator 不符合此要求, 并且尚未进行测试。探针 sonicators 是已知的造成一些不可避免的副作用, 例如由于尖端侵蚀的样品污染, 以及减少能量输出导致的分散条件的变化, 从而损害数据再现性6,7,8. 此外, 样品通常在未发现的容器中运行, 导致蒸发和尘埃沉积造成液体损失。为了避免这些意外的改变, 最近的研究推荐了基于其有效能量传递的替代性间接 sonicators 以及悬浮纯度保证6。
非优化超声会对结果产生不利影响。它可能会改变纳米材料的主要物理和化学性质, 如大小、大小分布、形貌和表面电荷2,9。以前的文献报道过这样的缺陷, 控制超声过程和对粒子参数的影响, 如纳米的25,10,11, 纳米氧化锌6, 和纳米铜12.此外, 过去的研究表明, 超声过程不仅改变了粒子特性, 而且还控制了毒理学测试的结果12,13。
要控制分散过程, 重要的是要监测和了解不同的因素, 如 sonicator 类型, 仪器电源和持续时间, 体积,等, 可能会影响分散质量。因此, 需要有一个系统的程序, 以分析的关键物理化学特性的颗粒在分散在不同时间点的超声过程。虽然一些研究人员已经考虑到这种考虑, 但这方面的工作是有限的。比哈尔et al.研究了不同的超声能量和不同色散稳定器的纳米材料的分散稳定性14。Hartmannn et al.最近进行的一项审查强调指出, 虽然已经做了一些工作来了解影响纳米材料色散质量的不同因素例如、使用的 sonicator 类型、超声时间、等等, 但仍然没有目前支持 nanotoxicological 测试和调查的超声程序定义良好且普遍接受的过程7,15。
利用几种分析表征技术对分散质量进行监测。这些措施包括: 动态光散射 (dl)、圆盘离心、电泳光散射 (波段)、紫外可见光 (紫外可见光) 光谱学和透射电子显微镜 (TEM), 它测量颗粒大小/大小分布,分别为泽塔电位、色散稳定性和形态学特征。dl 通常用于确定纳米材料分散体的水动力直径 (Z 平均) 和多指数。在多模态粒度分布的情况下, Z 平均值可能与强度加权尺寸分布强度不一致。因此, 可以引用强度加权大小分布的平均值。它反映了规模分布的广度, 范围从 0-1, 0 是分散样本, 1 是高度多样本16。圆盘离心法是一种分离技术, 用于测定液体介质中离心沉淀法的粒度分布。粒子在光学上清晰和旋转的圆盘内沉积, 当粒子到达圆盘边缘时散射的光量被记录并转化为粒子大小分布, 使用斯托克斯定律。为了解决多模态颗粒分布的问题, 圆盘离心机的技术更合适, 因为它们在仪器中集成了分离机构元件。粒子的电位 (ζ-电位) 被定义为在其剪切或滑动平面上的电势, 这是在电双层内的一个概念边界, 它将 (散装) 液体显示出正常的粘性行为。船尾层, 主要由反离子组成的层, 被认为与粒子一起移动。泽塔电位直接与粒子的表面电荷有关, 因此与粒子之间的静电相互作用 (即、斥力/引力) 有关。因此, 该参数被认为是纳米材料分散稳定性的主要指标。根据惯例, 在-25 mv 和 25 mv 以上的齐塔人的潜在价值被认为是稳定的17,18。离子的集中和类型并且解答 pH 值强烈影响泽塔潜在的19。用于测量色散中粒子的电泳迁移率, 通过亨利方程和 Smoluchowski 或休克模型将这种移动性转化为泽塔电位。紫外-可见光光谱学是一种技术, 用来量化的光被吸收和分散的样品在特定的波长。它经常被用来通过测量纳米材料在紫外区域的特性吸收来监测色散的稳定性。最后, TEM 经常用于可视化和分析纳米粒子的大小、大小分布、团聚和形状5、14、15、20。
我们提出了六种不同的纳米材料分散体使用超声波浴和超声波探头装有一个小瓶高音的对比研究。研究中使用的粒子浓度、温度、sonicator 类型和设置在协议中指定, 因此可以推断类似探针和超声波浴的实验设置。下列纳米材料被使用: 银 (Ag), 氧化铈 (CeO2), 氧化锌 (氧化锌, NM110-hydrophylic 和 NM111-hydrophobic), 和碳纳米管 (A32 和 A106, 参见材料表)。
利用各种表征技术对超声过程中不同时间点的色散质量进行了评估, 即粒度/粒径分布的 dl、尺寸分布的圆盘离心、泽塔电位的测试紫外-可见光谱的稳定性, 和 TEM 的颗粒形状和均匀性。评估了许多不同的纳米材料, 从金属氧化物到碳基。为比较, 商业水悬浮的银纳米粒子 (Ag NPs) 稳定与柠檬酸盖是并行使用, 以推断预期的长期稳定的相关商业可用悬架。显然, 这种 Ag NPs 模型与任何分散程序没有直接关系, 只是表明需要在储存一段时间后 re-sonicate 或 re-stabilize 悬浮液, 如 re-agglomeration 的变化必然发生在存储.悬挂在冰箱里保存了两个月。在此期间, 色散的特点是识别潜在的颗粒团聚。初始结果显示不稳定的挂起 (如 “结果” 部分中所述)。随后, 这种分散进一步受到不同的超声处理, 类似于研究中使用的其他纳米材料。研究的目的是确认我们可以通过相同的超声协议 de-agglomerate 中止。因此, Ag NPs 模型可以作为长期研究的基准, 代表再粒子的优化形式。
这里提供的色散协议与以前的文献中所发表的相似之处相同, 并且包含了以前的工作人员所做过的一些建议7,21,22,23 ,24,25。在本研究中, 系统和逐步的方法是用来监测分散质量在整个色散协议。这种方法进行纳米材料分散体的 real-time 表征, 以确定最佳的实验色散条件 (图 1)。
图1。描述色散协议的方案和逐步序列的流程图.请单击此处查看此图的较大版本.
这项研究的最终目的是制定一项战略, 以确定最佳的超声条件, 使选定数量的纳米材料在水中分散。本文试图在超声期间仔细记录协议步骤和参数, 以满足以前在评审中确定的差距, 并遵循过去15中提出的建议。通过对每个超声循环后的分散体进行表征, 并检查样品的稳定性和均匀性, 确定最佳分散条件。根据纳米材料的关键物理化学性质的特征变化, 对超声程序和稳定状态的影响进行评估, 由各种分析技术确定: dl、紫外可见光和透射电镜。当前协议是一种适应的方法为纳米材料的分散从过去文学和其他研究项目21,22,37,38,39修改和改进, 以解决关键的差距, 步骤, 并适用于更广泛的纳米材料的类似表面轮廓7。然而, 需要仔细调整他们的超声时间, 强度和类型, 其应用于其他纳米材料。此外, 还需要进一步的工作, 以建立一个相关的超声程序和生物活性的纳米材料。六不同类型的纳米材料分散体的评估和比较, 主要是为了其稳定性, 使用超声波浴和超声波探头装有一个小瓶高音在设定的时间点。为了保持悬浮纯度和任何意外的变化造成的污染, 探头超声在这里避免。在小瓶高音, 瓶子可以保持关闭。这样就消除了样品的任何交叉污染。
sonicators 的校准是一个关键因素, 因为有不同频率、振幅和功率的 sonicators 范围。为了确定有效的声能量传递到悬浮, sonicators 的校准是用量热法进行的。为70% 振幅设置为小瓶高音的声学功率, 以及为100% 超声波浴缸设置计算为 < 1 w (0.75 ± 0.04 w 和0.093 ± 0.04 w, 分别)。然而, 制造商所指示的功率输出的小瓶高音和浴缸 sonicator 分别为 200 w 和 80 w。这表明, 尽管高功率源, 大部分的能量是失去了在空气泡的产生, 只有一个小的部分实际上是交付给分散在处理26。最近的研究强调了空测量控制的重要性, 与 sonicator 在超声8期间更好的色散控制的输入功率相比。该方法似乎有希望的高精密纳米材料的控制分散, 如碳纳米管和建议未来的研究。
研究中使用的每种技术都是基于对所有人都有限制的不同原则。dl 不是一种理想的非悬浮和高度多系统的技术。在这种情况下, 建议使用 dc, 因为高分辨率、准确性和精确度40。DCS 可以完全分离非常窄的大小分布峰值, 其差异仅为3%。TEM 提供的直接视觉图像的纳米粒子, 是一个伟大的工具, 以确定的聚集, 分散, 大小和形状的粒子, 但该技术要求样品干燥, 可能导致工件41。在步骤4.5.3 中, 用超纯水清洗网格可以消除这种现象。
在其他方面, 该方法强调了一些关键步骤, 如协议中使用的小瓶的类型、浸入深度和在超声浴中的瓶子位置以及小瓶高音。系统在搅拌过程中的温度控制是一个重要的参数。建议在超声的情况下, 在超声波浴和脉冲模式下频繁的水变化, 以避免任何热积累, 从而避免任何样品的变化。预步骤的疏水样品, 如氧化锌有助于分散的粒子, 但这可能会导致一些不必要的变化。超声的时间和能量应该足够高, de-agglomerate 粒子, 但不太多, 它打破了粒子。结果表明, 团聚体断裂取决于颗粒类型。
我们的发现强调了有一个详细的色散协议的重要性, 结果表明, 关键的物理化学性质可能会改变在超声过程中, 由诸如 sonicator 类型, 超声持续时间的因素时间和功率输出。结果表明, 在高强度搅拌的情况下, 样品的完整性可能受到损害。结果表明, 碳纳米管对搅拌具有很好的敏感性, 当超声时间和强度发生变化时, 破损极有可能发生。接近最优设置的碳纳米管的色散是在 2-15 分钟的超声波浴, 只有2分钟使用超声波探头。然而, 超声波仍然可能导致一些纳米管缩略, 这是不能准确量化这里。dl 可能不是对碳纳米管进行表征的理想技术, 但它仍然可以提供纳米结构的流体动力学直径, 这一数据可以说明各种样品的长度分布的差异16, 42,43。过去的研究表明, 随着表面活性剂分子在纳米管单层上的吸收, 可以大大增强碳纳米管的色散协议, 从而为超声35的破坏提供了一个障碍,44. 但是, 这不能直接与本议定书相比较, 因为这种情况下不涉及任何表面活性剂。重要的是要注意, 确保长度大小分布的情况下, 碳纳米管是非常重要的, 因为长宽比往往是相关的某些毒理学反应。相比之下, CeO2给出了与碳纳米管不同的结果, 在这种情况下, 使用超声波浴或探针进行长时间的超声, 会导致初生粒子的形成。碳纳米管和 CeO2 的结果之间的差异突出了定制色散协议的重要性例如, 根据起始材料即: 纳米粉末的类型, 优化超声时间和功率输出。每个纳米材料的粉末样品类型不同, 因为在粉末内部会有不同程度的团聚。在某些情况下, de-agglomeration 过程成功地导致了 de-agglomeration 到初级粒子水平, 这在 TEM 图像中出现了其他形状的粒子, 这在超声步之前是不可见的。长时间的超声导致在不同的角度连续断裂氧化铈凝聚从而导致多面粒子。
在商业购买的 Ag 核动力源分散体的水样品的情况下, 我们的发现也强调需要长期稳定和一致性评估。需要确保分散体在使用前已有足够的特征, 特别是在长期贮存的情况下。然而, 纳米材料的货架寿命很短。它们随着时间的推移而老化, 在长期贮存后, 与新制备的分散体相比, 其行为可能有所不同。
这里的结果突出表明, 需要一个统一的战略, 以确定一个优化的协议, 为不同的纳米材料。提出的策略是在超声方法上进行不同的变化, 并确保在不同时间点的分散体使用互补的分析方法进行充分的表征。过去的工作人员45强调了使用多种方法来描述和监测通过时间和不同实验条件的色散质量的重要性。虽然在研究中提出了各种超声的方法来迎合特定的纳米材料的分散性, 但它们有可能被用作在水中分散其他金属和金属氧化物 (类似的表面性质) 的基础。然而, 无论是在纳米材料类型或液体介质的任何变化, 需要优化的基本协议, 可以通过仔细调整各种因素例如, 超声时间, 强度和 sonicator 类型。无论选择什么协议, 并确定为最佳, 总是需要有一个详细的报告的方案和逐步序列的超声分散程序。这对提高解释和可比性很重要。该协议的一个应用是促进其他实验室之间的数据可比性, 从而为将来的研究提供统一和标准化的方法。现有的方法和控制参数可用于除水之外的其他分散介质, 并可根据案例进行比较。
The authors have nothing to disclose.
导致这些结果的研究得到了 NE/J010783/1 的资助。该项目 NanoValid 已收到欧洲联盟的第七项研究、技术发展方案和根据赠款协议 No. 263147 的示范计划的资金。
Cerium oxide nanopowder | Sigma-Aldrich | 544841 | <25 nm particle size (BET) |
Zinc oxide | European Commission's Joint Research Centre (JRC) | NM110 | hydrophylic |
Zinc oxide | European Commission's Joint Research Centre (JRC) | NM111 | hydrophobic |
Multi walled carbon nanotubes | NanoMile project (Large Collaborative Project under the European Commission's 7th Framework Programme) | A32 (MWCNT1) | 3.0±1.8 µm long, O/C ratio of 4.5% |
Multi walledcarbon nanotubes | NanoMile project | A106 (MWCNT2) | 3.3±2.4 µm long, O/C ratio of 7% |
Silver dispersion | Sigma-Aldrich | 730785 | 10 nm particle size (TEM), 0.02 mg/mL |
Zetasizer nano | Malvern Instruments | Particle size and zeta-potential measurements | |
Disc Centrifuge | CPS instruments Inc. | Model DC 24000 | Particle size distribution by centrifugal sedimentation |
Transmission electron microscope | JEOL USA | Jeol 1200EX TEM | Bright field images, particle size, shape, agglomeration |
Ultrasonic probe fitted with a vial tweeter | Hielscher | UIS250V | Sonicator |
Ultrasonic bath | Branson | Model 1510 | Sonicator |
Eppendorf vials | Eppendorf | 2236411-1 | 1.5ml capacity |
UV-vis spectrophotometer | Jenson flight deck | Model 6800 | SPR peaks, suspension stability |
Disposable folded capillary cell | Malvern Instruments | DTS 1070 | for the measurement of elecr |
Zeta- potential standard | Malvern Instruments | DTS 1235 | |
Quartz cuvette | Jasco | 1103-0042 | Rectangular quartz cell 10 x 100 Spectrosil Quartz with lid 190 -2700 nm |