Pontos isoelétricos de Nanomateriais – Perguntas e Respostas

Pontos isoelétricos de Nanomateriais (IEPs)

Em um recente webinar apresentado por Ana Morfesis intitulado “Caracterizando o potencial zeta & Ponto Isoelétrico de Nanomateriais” tivemos um número tão grande de participantes que não conseguimos abordar as inúmeras perguntas feitas durante o evento.

Obrigado pela participação!

Devido ao grande interesse, fornecemos a seguinte lista de perguntas e respostas para beneficiar todos os interessados. Também fornecemos uma tabela de IEPs de óxidos metálicos comuns, conforme mostrado à esquerda.

Para aqueles que não puderam participar do evento ao vivo, a sessão foi gravada e está disponível para replay.

Podemos estimar a carga de superfície por área de nanopartículas a partir dos valores de potencial zeta?

Em princípio, isso é possível, embora de forma indireta: você pode habilitar as utilitários/calculadora avançados de proteína e olhar na aba “Carga de Proteína & F(κ a)”. Para usar a calculadora, é necessário inserir a mobilidade eletroforética, raio hidrodinâmico Rh, força iônica, viscosidade da solução e temperatura. A calculadora preverá o número “Z Calculado” de cargas correspondente à mobilidade eletroforética medida. A densidade de carga por área seria então

Densidade de carga de superfície = “Z Calculado” / { 4 π Rh^2 }

Qual é a melhor maneira de determinar a voltagem aplicada ao medir amostras diluídas em tampão (por exemplo, tampão fosfato)?

A voltagem aplicada de qualquer registro de zeta armazenado pode ser encontrada adicionando-o à visualização de registros, para editar o espaço de trabalho siga este blog (sob o título de como exibir um parâmetro personalizado, FAQ edição de espaços de trabalho) e adicionar “Voltagem Medida” à visualização de registros, ou simplesmente adicionar o gráfico “Voltagem e Corrente (M)” ao espaço de trabalho para que se torne um relatório disponível.

Para determinar qual voltagem aplicar, o mais fácil seria deixar o sistema usar o modo automático. Como uma alternativa, para amostras sensíveis, selecione manualmente a voltagem de forma que um bom gráfico de fases possa ser obtido. Para orientação, este post sobre amostras de alta força iônica pode ser útil.

Que célula você recomendaria para partícula que consiste em um API na indústria farmacêutica que não é solúvel em água: célula de 0,8 mL para dispersões em água ou célula de 1 mL? O principal propósito é a medição de potencial zeta e o tamanho de partículas menores que 200 nm.

Se as amostras devem ser medidas em dispersões não aquosas, então para potencial zeta o melhor seria a célula dip ZEN1002 em conjunto com a cubeta de vidro PCS8501. Somente para tamanho, as cubetas de baixo volume resistentes a solventes ZEN0040 podem ser adequadas, dependendo do solvente usado. Existe uma nota técnica sobre Suspensões Particuladas Não Aquosas com detalhes adicionais.

Em relação ao limite de potencial zeta onde o colóide é estável, gostaria de saber se deveria ser dependente do tamanho da partícula também?

O potencial zeta não deve ser dependente do tamanho. Assim, a “regra geral” frequentemente aplicada de ~30mV seria adequada para nanopartículas muito pequenas de ~nm até vários microns.

Qual é a diferença entre IEP e PZC?

Essa é uma pergunta bastante complicada. Para a maioria dos propósitos, o ponto de carga zero PZC é equivalente ao ponto isoelétrico IEP. Algumas publicações consideram o PZC como sendo composto de todas as cargas, e o IEP incluindo apenas cargas de superfície. No entanto, o IEP é geralmente medido por titulação e mobilidade eletroforética e incluirá (interações com) os íons (próximos) do meio tampão circundante. O IEP pode ser medido por dispersão de luz eletroforética usando uma titulação versus pH.

É possível medir o potencial zeta para uma dispersão não aquosa, como em propelente HFA? Como?

Sim, é possível medir a mobilidade eletroforética de dispersões não aquosas. A utilidade do potencial zeta per se pode ser questionável, visto que a teoria está realmente apenas definida em meios aquosos. No entanto, a mobilidade geral devido a um campo aplicado ainda pode fornecer informações sobre a carga geral das partículas em meios orgânicos. Existem duas cubetas especiais que são usadas para amostras não preparadas em água: A célula dip ZEN1002 em cubetas de vidro e a célula de zeta alta concentração ZEN1010. Confira também esta Nota Técnica sobre Suspensões Particuladas Não Aquosas.

A estabilização estérica pode estabilizar um sistema que o potencial zeta prevê que seria instável?

Sim. A estabilização estérica sozinha pode ser a causa de uma dispersão coloidal estável. A estabilização por carga é frequentemente encontrada em amostras aquosas, e muitas formulações adquirem estabilidade através de uma combinação de estabilização eletrostática e estérica. Mesmo um sistema com potencial zeta relativamente baixo pode ainda estar estável quando a estabilização estérica (também conhecida como interações de volume excluído) está presente.

Confira também esta nota técnica sobre estabilidade e conceitos de potencial zeta.

Tenho uma pergunta sobre os eletrodos das cubetas descartáveis. Tentei fazer medições de ZP (sílica dissolvida em solução de NaCl 20mM), mas depois de um tempo, os eletrodos começaram a corroer. Por quê? É possível evitar isso?

Os eletrodos corroem devido a reações redox eletroquímicas. O processo de corrosão depende da voltagem aplicada, do tempo aplicado e da condutividade. Se houver menos sal em um tampão, isso reduzirá, mas nunca evitará a oxidação dos eletrodos. Se a amostra e a qualidade dos dados permitirem, a voltagem aplicada pode ser reduzida. Para reduzir esses efeitos, pode ser uma boa ideia definir o número máximo de subexecuções para 20-40 no modo automático. Normalmente, se o gráfico de fases não foi repetível pela ~30ª subexecução, então pode não haver muito ponto em coletar muito mais. Você também pode achar o método de barreira de difusão de interesse e um aplicativo sobre partículas de sílica revestidas com polímero, tamanho e zeta.

Podemos medir o ponto isoelétrico de soluções de polímero catiônico usando seu equipamento?

O Zetasizer pode ser usado para obter o potencial zeta de soluções de polímero em água. Medir um ponto isoelétrico envolve a preparação de várias amostras em diferentes condições (pH). A preparação da amostra pode ser automatizada com o acessório titulador automático MPT2, que pode manusear até três frascos de titulantes. Veja este aplicativo sobre determinação automática de Pontos Isoelétricos.

Se ocorrer floculação durante a medição do potencial zeta, isso afetará os resultados?

Se sua amostra já está floculada, não há mal específico em medir o potencial zeta: desde que haja um gráfico de fases de boa qualidade, o sistema pode determinar o potencial zeta de partículas até 100 microns. Se a floculação ocorrer durante e como resultado da voltagem aplicada, isso sugere que pode haver alguma interação eletroquímica levando à degradação da amostra. Pode ser bom estudar se a amostra ainda flocula sem nenhuma voltagem aplicada (ou seja, apenas dentro da cubeta por alguns minutos) ou se uma voltagem aplicada reduzida não causa floculação.

Veja também esta nota técnica sobre tamanho máximo de 100 microns para potencial zeta.

Qual é a diferença entre potencial zeta da superfície e potencial zeta como indicado na série Malvern Nano?

O potencial zeta é o potencial efetivo da partícula no plano de deslizamento. O potencial zeta da superfície é o potencial zeta extrapolado de uma superfície plana obtida a partir da medição de partículas de sonda em função da distância de uma superfície carregada.

Detalhes da técnica de medição são descritos em este aplicativo sobre potencial zeta da superfície e com um exemplo de aplicativo para material de sílica. Assista ao vídeo de treinamento do método de superfície zeta no canal YouTube da Malvern.

Como podemos medir o potencial zeta de um pó sólido, ele não pode ser dissolvido em nenhum líquido, deve ser medido em estado sólido?

O potencial zeta é um parâmetro sistêmico, que descreve o potencial eletrostático no plano de deslizamento de partículas difusas em um meio aquoso. O potencial zeta não pode ser medido no ar ou em forma sólida. Se o pó puder ser disperso em um líquido, por exemplo, água, então o potencial zeta das partículas dispersas nesse líquido pode ser medido, desde que o tamanho da partícula seja menor que 100 microns e a sedimentação seja lenta o suficiente para permitir a conclusão gráfica de fases de dados de qualidade adequada.

Veja também esta nota técnica sobre o tamanho máximo de 100 microns para potencial zeta.

Por que a região de instabilidade coloidal está em +/- 30 mV? 30 mV está próximo da energia térmica à temperatura ambiente?

Esse é um ponto excelente. A regra prática de 30mV veio da experiência experimental. Nessa voltagem, a repulsão eletrostática entre as partículas é tipicamente mais forte que o movimento Browniano térmico aleatório e evita que as partículas acidentalmente “colidam“.

Como estabilizar as leituras de potencial zeta em células descartáveis para uma suspensão onde os resultados de zeta estão variando? E, além disso, você pode fornecer uma ideia geral de qual concentração deve ser usada para medição de potencial zeta em uma célula descartável?

Alguns conselhos são dados na aba “Expert Advice” durante medições ao vivo, bem como ao destacar execuções repetidas relacionadas. Se houver uma tendência mais ou menos consistente em uma direção, isso pode ser um efeito de temperatura. A amostra pode precisar de mais tempo para equilibrar antes de iniciar a medição, ou pode ser prudente incluir um tempo de espera entre as execuções repetidas se o aquecimento de Joule estiver causando o desvio.

A taxa de contagem para a medição de zeta deve ser suficiente para obter um bom gráfico de fases. O relatório de qualidade zeta deve sinalizar isso se as contagens estiverem muito baixas. Isso pode ser superado aumentando a concentração da amostra. (Uma exceção a esta recomendação são amostras absorventes, aqui reduzir a concentração pode melhorar, já que a luz tem que passar através da cubeta para chegar ao detector no outro lado da cubeta). O Zetasizer deve ser capaz de lidar com uma ampla gama de concentrações de amostra, desde que luz suficiente não espalhada seja transmitida. Como uma regra vaga: se for possível ler um jornal através da amostra, então deve estar OK para medições (incidentalmente isso também se aplica a óticas de dispersão a 90 graus tradicionais para medições de tamanho).

Você pode falar novamente sobre o efeito do sal — é possível prever se o PZC mudaria com a adição de sal? Estou medindo partículas de óxido de ferro em DI e com adição de NaCl. Obrigado por uma apresentação fantástica!

O ponto isoelétrico só mudará quando um efeito chamado adsorção específica de íons estiver ocorrendo. Assim, se tanto o sódio Na+ quanto os íons de cloreto Cl- se ligarem especificamente à superfície das partículas de óxido de ferro, então um desvio poderia ocorrer. Ao nosso conhecimento, não há como prever totalmente isso, exceto determinando-o experimentalmente. (ou tentar verificar se a pesquisa foi publicada, mas muitas vezes as partículas são produzidas e estabilizadas de forma diferente, o que alteraria seu ponto isoelétrico). Aqui está um gráfico resumindo o efeito da adsorção de íons específicos e não específicos em amostras de Alumina, conforme observado pela sobreposição (não específico) e o desvio (íons específicos são adsorvidos) no ponto isoelétrico.

Quando você realiza uma titulação de pH em uma amostra que está em pH8 como está, como você titulária a amostra se deseja fazer medições de pH 4-12? Como você leva em conta a adição de íons de ácido e base quando o faz?

Existem muitas maneiras de realizar uma titulação, e elas levarão a resultados diferentes porque o potencial zeta é uma quantidade dependente do sistema. Em outras palavras, não é possível descrever completamente uma amostra com “amostra em pH7” ao invés de uma descrição completa dos componentes do tampão circundante e a condutividade, força iônica, tipos de íons, pH, aditivos,… seria necessário.

Para realizar uma titulação simples, você poderia usar HCl e NaOH se isso for adequado à sua amostra. Se houver um aditivo desejado na amostra (talvez outro componente como 100mM sucrose), então isso deve ser incluído em ambos os pontos finais (ou seja, o ácido e a base usados devem conter esse componente). A mudança na condutividade é parte do experimento, e é por isso que a condutância é registrada. Um gráfico de titulação típico mostrando o ponto isoelétrico e as regiões instáveis e estáveis quando a estabilização eletrostática está envolvida é mostrado abaixo (este é para complemento do café).

O que você esperaria no potencial zeta de nanopartículas de ouro revestidas com dois ligantes com terminais de tiol (anexados à nanopartícula) e a outra extremidade da cadeia carboxílica. (Um dos ligantes é mais curto que o outro, em diferentes experimentos)

A carga geral será o resultado de todos os componentes na amostra. O ouro puro provavelmente será fortemente negativo, a adição de tiol pode aumentar essa carga negativa, as cadeias carboxílicas podem mover o plano de deslizamento para fora e, assim, reduzir a força/magnitude do potencial zeta. Confira também o aplicativo sobre ouro coloidal.

Eu sei que para obter um valor correto de potencial zeta de qualquer partícula em solução aquosa você precisa usar um suporte de eletrólito, no entanto, alguns artigos lidando com nanopartículas afirmam que isso não é necessário e eles usam apenas água desionizada, está correto?

Embora seja estritamente falando, não seja necessário ter uma força iônica mínima no tampão aquoso, para muitos sistemas de amostra (especialmente quando proteínas e biomoléculas estão envolvidas) uma certa quantidade de contra-íons muitas vezes parece ser benéfica e necessária para amostras estáveis. O potencial zeta pode ser medido em água desionizada, no entanto o uso desse número pode não ser tão prático, pois amostras “reais” frequentemente contêm componentes iônicos. (Muitos sistemas de nanopartículas são estabilizados com algum surfactante e isso pode ser removido se nenhum sal estiver presente, consulte um blog relacionado sobre como obter bons dados de padrões.)

Para obter valores precisos de potencial zeta de uma partícula em solução aquosa, que tipo de água é melhor usar, destilada, desionizada ou Milli-Q?

O tipo de água realmente não importa, desde que esteja limpa de poeira. O mais importante é como interpretar os dados e, ao comparar amostras, que a diluição exata seja realizada se quaisquer conclusões significativas forem tiradas dos dados.

Tentei obter o valor do potencial zeta de hematita em solução aquosa e o IEP encontrado está sempre em torno de pH 3, por que é isso? Deveria estar em torno de 7, 8 … porque é um material básico

Por favor, consulte esta publicação “Algumas Características de Superfície de Seis Minérios de Hematita da Área de Middleback Range, Sul da Austrália” International Journal of Mining Engineering and Mineral Processing 2012, 1(2): 73-83 onde este efeito também é relatado.

Como você testa o tamanho da partícula em protetor solar que você apresentou aqui?

Para protetor solar, as partículas podem ser adequadas para difração a laser ou para dispersão de luz dinâmica. Para ambos os métodos seria necessário alguma diluição. Os dados relatados no slide sobre o crescimento do tamanho das partículas de ZnO e TiO2 (pH7) foram obtidos usando dispersão de luz dinâmica

Estou trabalhando na formulação de herbicida. É uma suspensão de 30%. Mas precisa estar em pH3 para boa estabilidade. O que devemos fazer para mover o pH para 5-6 para ainda manter a estabilidade?

Você pode ser capaz de adicionar uma combinação de modificadores como APMA/PEG. Esta nota de aplicação para um problema diferente, mas semelhante, pode ser uma inspiração “A importância do potencial zeta no processamento cerâmico – Alumina“.

Posso ainda usar a célula se os eletrodos adquirirem uma cor mais escura? Por que os eletrodos escurecem com apenas um uso?

Os eletrodos são feitos de cobre com uma camada fina de ouro. Este material de eletrodo pode ser oxidado por reações eletroquímicas. Os eletrodos provavelmente ainda são utilizáveis, no entanto, seria melhor confirmar isso medindo um padrão (por exemplo padrão de transferência de potencial zeta DTS1235, a ficha de dados de segurança dos materiais para o padrão de transferência de zeta Malvern DTS1235 MSDS contém informações sobre armazenamento e composição). O escurecimento é menos rápido com amostras de menor condutividade, menos subexecuções e voltagens aplicadas mais baixas.

Podemos usar a mesma célula para medir potencial zeta e peso molecular?

A cubeta descartável de zeta DTS1070 pode ser usada para fazer medições de potencial zeta e tamanho. A célula não é projetada para medições de espalhamento de luz estático, onde cubetas de alta qualidade (tipicamente quartzo) são necessárias para evitar quaisquer artefatos devido a leves tolerâncias de fabricação. Por exemplo, algum reflexo de cubetas plásticas pode contribuir para a intensidade geral. Isso não importa para dispersão de luz dinâmica onde apenas as flutuações de intensidade são analisadas. Mas para o espalhamento de luz estático, a intensidade total é medida, e essas contribuições de reflexo interfeririam com a quantidade à medida que uma cubeta pode ser ligeiramente diferente de outra (e também o reposicionamento da mesma cubeta pode ter esse efeito). Você está convidado a testar isso comparando o espalhamento de uma série de concentrações conforme medido com uma cubeta de vidro maior e a cubeta de potencial zeta. Observe que é necessário um ajuste no software para selecionar qualquer cubeta disponível, mas depois para forçar a posição de medição para 5.5mm, já que a cubeta DTS1070 não está disponível para medições de peso molecular no software.

É vantajoso sonicar amostras antes de analisar o ZP? Quão eficazes são estas com partículas que se agregam em soluções? Em particular, estou trabalhando com Partículas de Amido Regular e Nanopartículas.

A sonicação pode ser útil para quebrar grandes aglomerados e permitir medições antes das partículas se sedimentarem completamente fora da dispersão. Sempre seria bom verificar se a amostra é então estável ao longo do tempo após a sonicação, e que as partículas não apenas se agregam novamente. Outra dica pode ser combinar a densidade do dispersante, por exemplo, adicionando sucrose. Conseguimos determinar potencial zeta para partículas com diâmetro de 100 microns.

Você disse que a célula de alta concentração pode gerenciar suspensões com no máximo 10w% de amostra dentro. Qual concentração a célula capilar descartável pode gerenciar? Ao variar o pH, em cada suspensão existe um ponto isoelétrico? Vi uma publicação sem IEP, o que me confundiu um pouco.

A concentração máxima depende da amostra se a amostra for bastante clara até certa “opacidade” ainda deve ser mensurável. Na prática e para muitas amostras, isso provavelmente está na faixa de frações de percentagem. Nem toda amostra precisa ter um ponto isoelétrico. Se a estabilização é inteiramente não-iônica e apenas baseada na estabilização estérica, então o material pode permanecer sem carga em uma ampla faixa de pH.

Espero que da próxima vez que você estiver procurando pela carga de nanomateriais dispersos, as dicas e sugestões acima possam ajudar.

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