Points isoélectriques des nanomatériaux – Questions & Réponses

Points isoélectriques des nanomatériaux (PIE)

Lors d’un récent webinaire présenté par Ana Morfesis intitulé « Caractériser le potentiel zêta & Point isoélectrique des nanomatériaux », nous avons eu une si grande participation que nous n’avons pas pu répondre à toutes les questions posées lors de l’événement.

Merci pour votre participation!

En raison d’un intérêt si marqué, nous avons fourni la liste suivante de questions et réponses pour bénéficier à tous ceux qui sont intéressés. Nous avons aussi fourni un tableau des PIEs communs des oxydes métalliques, comme montré à gauche.

Pour ceux qui n’ont pas pu assister à l’événement en direct, la session a été enregistrée et est disponible pour être rejouée.

Pouvons-nous estimer la charge de surface par surface des nanoparticules à partir de leurs valeurs de potentiel zêta ?

En principe, c’est possible, bien que de manière détournée : Vous pouvez activer les utilitaires/calculateur de protéines avancées et regarder l’onglet « Charge Protéine & F(κ a) ». Pour utiliser le calculateur, la mobilité électrophorétique, le rayon hydrodynamique Rh, la force ionique, la viscosité de la solution et la température doivent être entrés. Le calculateur prédira un nombre « Z Calculé » de charges correspondant à la mobilité électrophorétique mesurée. La charge de surface par surface serait alors

Densité de charge de surface = « Z Calculé » / { 4 π Rh^2 }

Quelle est la meilleure manière de déterminer la tension appliquée lors de la mesure d’échantillons dilués dans un tampon (par exemple, tampon phosphate) ? ­

La tension appliquée de tout enregistrement zêta stocké peut être trouvée en l’ajoutant à la vue des enregistrements, pour éditer l’espace de travail, suivez ce blog (sous le titre comment afficher un paramètre personnalisé, FAQ éditer les espaces de travail) et ajoutez « Tension Mesurée » à la vue des enregistrements, ou ajoutez simplement le graphique « Tension et Courant (M) » à l’espace de travail pour qu’il devienne un rapport disponible.

Pour déterminer quelle tension appliquer, le plus simple serait de permettre au système d’utiliser le mode automatique. Comme alternative, pour des échantillons sensibles, sélectionnez manuellement la tension de telle sorte qu’un bon graphique de phase puisse être obtenu. Pour le guidage, ce post sur les échantillons à haute force ionique peut être utile.

Quelle cellule recommanderiez-vous pour une particule consistant en un ingrédient actif dans l’industrie pharmaceutique qui n’est pas soluble dans l’eau : une cellule de 0,8 mL pour les dispersions dans l’eau, ou une cellule de 1 mL ? Le but principal est la mesure du potentiel zêta et de la taille des particules inférieures à 200 nm.

Si les échantillons doivent être mesurés dans des dispersions non-aqueuses, alors pour le potentiel zêta le mieux serait la cellule d’immersion ZEN1002 conjointement avec la cuvette en verre PCS8501. Pour la taille uniquement, les cuvettes à bas volume résistantes aux solvants ZEN0040 peuvent être appropriées, dépendant du solvant utilisé. Il y a une note technique sur les suspensions particulaires non-aqueuses avec des détails supplémentaires.

Concernant la limite du potentiel zêta où le colloïde est stable, je me demande s’il doit aussi dépendre de la taille des particules ?

Le potentiel zêta ne devrait pas dépendre de la taille. Ainsi la « règle empirique » souvent appliquée d’environ ~30mV serait appropriée pour des nanoparticules de très petite taille ~nm jusqu’à plusieurs microns.

Quelle est la différence entre PIE et PZC ?

C’est une question assez compliquée. Pour la plupart des fins, le point de charge zéro PZC est équivalent au point isoélectrique PIE. Certaines publications considèrent que le PZC est composé de toutes les charges, et le PIE n’inclut que les charges de surface. Cependant, le PIE est généralement mesuré par titrage et mobilité électrophorétique et inclura (des interactions avec) les ions (proches) du milieu tampon environnant. Le PIE peut être mesuré par diffusion de lumière électrophorétique utilisant un titrage en fonction du pH.

Est-il possible de mesurer le potentiel zêta pour une dispersion non-aqueuse comme dans le propulseur HFA? si oui, comment ?

Oui, il est possible de mesurer la mobilité électrophorétique des dispersions non-aqueuses. L’utilité du potentiel zêta en soi peut être discutable, car la théorie n’est vraiment définie qu’en milieux aqueux. Cependant, la mobilité globale due à un champ appliqué peut encore fournir des informations sur la charge globale des particules dans des milieux organiques. Il y a deux cuvettes spéciales utilisées pour les échantillons qui ne sont pas préparés dans l’eau : La cellule d’immersion ZEN1002 dans des cuvettes en verre et la cellule zêta à haute concentration ZEN1010. Consultez également cette note technique sur les suspensions particulaires non-aqueuses.

La stabilisation stérique peut-elle stabiliser un système que le potentiel zêta prédit comme étant instable ?

Oui. La stabilisation stérique à elle seule peut être la cause d’une dispersion colloïdale stable. La stabilisation par charge est souvent rencontrée dans les échantillons aqueux, et de nombreuses formulations acquièrent leur stabilité grâce à une combinaison de stabilisation électrostatique et stérique. Même un système avec un potentiel zêta relativement bas peut ainsi encore être stable lorsque la stabilisation stérique (également connue sous le nom d’interactions de volume exclu) est présente.

Consultez également cette note technique sur la stabilité et les concepts de potentiel zêta.

J’ai une question concernant les électrodes des cuvettes jetables. J’ai essayé de faire des mesures de potentiel zêta (silice dissoute dans une solution de NaCl 20mM), mais après un certain temps, les électrodes ont commencé à se corroder. Pourquoi ? Peux-tu l’éviter ?

Les électrodes se corrodent en raison de réactions rédox électrochimiques. Le processus de corrosion dépend de la tension appliquée, du temps d’application, et de la conductivité. Si il y a moins de sel dans un tampon alors cela réduira mais n’empêchera jamais l’oxydation des électrodes. Si la qualité de l’échantillon et des données le permet, la tension appliquée peut être réduite. Pour réduire ces effets, il pourrait être bon de limiter le nombre maximal de sous-exécutions à 20-40 en mode automatique. En général, si le graphique de phase n’a pas été répétable d’ici à la ~30^ème sous-exécution, alors il n’y a peut-être pas grand intérêt à collecter beaucoup plus. Vous pourriez aussi trouver la méthode de barrière de diffusion intéressante ainsi qu’une note d’application sur des particules de silice enrobées, taille et zêta.

Pouvons-nous mesurer le point isoélectrique de solutions de polymère cationique avec votre équipement ?

Le Zetasizer peut être utilisé pour obtenir le potentiel zêta de solutions de polymère dans l’eau. Mesurer un point isoélectrique implique la préparation de plusieurs échantillons dans des conditions différentes (pH). La préparation de l’échantillon peut être automatisée avec l’accessoire titrateur automatique MPT2, qui peut gérer jusqu’à trois bouteilles de titrant. Voir cette note d’application sur la détermination automatique des points isoélectriques.

Si une floculation se produit lors de la mesure du potentiel zêta, cela affectera-t-il les résultats ?

Si votre échantillon est déjà floculé alors il n’y a pas de mal spécifique à mesurer le potentiel zêta : tant qu’il y a un graphique de phase de bonne qualité, le système peut déterminer le potentiel zêta des particules jusqu’à 100 microns. Si la floculation se produit pendant et à cause de la tension appliquée, alors cela suggère qu’il peut y avoir une interaction électrochimique conduisant à la dégradation de l’échantillon. Il peut être bon d’étudier si l’échantillon flocule encore sans tension appliquée (c’est-à-dire simplement en étant assis dans la cuvette pendant quelques minutes) ou si une tension appliquée réduite ne cause pas de floculation.

Voir également cette note technique sur la taille maximale 100 microns pour le potentiel zêta.

Quelle est la différence entre le potentiel zêta de surface et le potentiel zêta tel qu’indiqué dans la série Malvern Nano?

Le potentiel zêta est le potentiel effectif de la particule au plan de glissement. Le potentiel zêta de surface est le potentiel zêta extrapolé d’une surface plane tel qu’obtenu à partir de la mesure de particules sonde en fonction de la distance par rapport à une surface chargée.

Les détails de la technique de mesure sont décrits dans cette note d’application sur le potentiel de surface zêta et avec un exemple d’application pour la silice matériau. Regardez la vidéo de formation pour la méthode de surface zêta sur la chaîne YouTube Malvern.

Comment pouvons-nous mesurer le potentiel zêta d’une poudre solide, elle ne peut pas être dissoute dans un liquide, elle devrait être mesurée à l’état solide ?

Le potentiel zêta est un paramètre système, qui décrit le potentiel électrostatique au plan de glissement des particules diffusantes dans un milieu aqueux. Le potentiel zêta ne peut pas être mesuré dans l’air ou sous forme solide. Si la poudre peut être dispersée dans un liquide par exemple de l’eau, alors le potentiel zêta des particules dispersées dans ce liquide peut être mesuré tant que la taille des particules est inférieure à 100 microns et que la sédimentation est suffisamment lente pour permettre la complétion des données de graphique de phase de bonne qualité.

Voir également cette note technique sur la taille maximale 100 microns pour le potentiel zêta.

Pourquoi la région d’instabilité colloïdale se situe-t-elle à +/- 30 mV ? 30 mV est-il proche de l’énergie thermique à température ambiante ?

C’est un excellent point. La règle empirique de 30mV provient de l’expérience expérimentale. À cette tension, la répulsion électrostatique entre les particules est généralement plus forte que le mouvement brownien thermique aléatoire, et empêche les particules de « se rencontrer accidentellement« .

Comment stabiliser les lectures du potentiel zêta dans des cellules jetables pour une suspension où les résultats du zêta fluctuent ? Et pouvez-vous également fournir une idée générale de la concentration qui devrait être utilisée pour la mesure du potentiel zêta dans une cellule jetable ?

Des conseils sont donnés dans l’onglet « Conseils d’experts » lors des mesures en direct, ainsi que lors de la mise en évidence des exécutions répétées associées. S’il y a plus ou moins une tendance constante dans une direction, cela peut être un effet de température. L’échantillon peut nécessiter plus de temps pour s’équilibrer avant de commencer la mesure, ou il peut être prudent d’inclure un temps d’attente entre les exécutions répétées si le chauffage par effet Joule est à l’origine de la dérive.

Le taux de comptage pour la mesure du zêta doit être suffisant pour obtenir un bon graphique de phase. Le rapport de qualité du zêta devrait signaler cela si les comptes sont trop bas. Cela pourrait être surmonté en augmentant la concentration de l’échantillon. (Une exception à cette recommandation sont les échantillons absorbants, ici réduire la concentration peut améliorer puisque la lumière doit traverser la cuvette pour atteindre le détecteur de l’autre côté de la cuvette). Le Zetasizer devrait être capable de gérer une large gamme de concentrations d’échantillons tant qu’assez de lumière non dispersée est transmise. Comme règle générale : si l’on peut lire un journal à travers l’échantillon, alors cela devrait convenir pour les mesures (incidemment cela s’applique également aux optiques de dispersion de lumière à 90 degrés traditionnelles pour les mesures de taille).

Pouvez-vous parler à nouveau de l’effet du sel — pouvez-vous prédire si le PZC changerait avec l’ajout de sel ? Je mesure des particules d’oxyde de fer dans de l’eau distillée et avec ajout de NaCl. Merci pour une présentation fantastique !!

Le point isoélectrique ne changera que lorsqu’un effet appelé adsorption spécifique d’ions se produit. Donc, si les ions sodium Na+ ou chloride Cl- se lient spécifiquement à la surface des particules d’oxyde de fer, alors un décalage pourrait se produire. À notre connaissance, il n’y a pas de moyen de le prédire entièrement, sauf à le déterminer expérimentalement. (ou essayer de vérifier si des recherches ont été publiées, mais souvent les particules sont produites et stabilisées différemment, ce qui changerait leur point isoélectrique). Voici un graphique résumant l’effet de l’adsorption d’ions spécifiques et non spécifiques dans des échantillons d’alumine, comme observé par le chevauchement (non spécifique) et le décalage (des ions spécifiques sont adsorbés) dans le point isoélectrique.

Lorsque vous effectuez un titrage de pH sur un échantillon qui est à pH8 tel quel, comment titreriez-vous l’échantillon si vous voulez effectuer des mesures de pH 4 à 12 ? Comment tenez-vous compte de l’ajout d’ions des acides et des bases lorsque vous le faites ?

Il existe de nombreuses façons d’effectuer un titrage, et elles conduiront à des résultats différents car le potentiel zêta est une quantité dépendante du système. En d’autres termes, il n’est pas possible de décrire complètement un échantillon avec « échantillon à pH7 » au lieu d’une description complète des composants du tampon environnant et de la conductivité, de la force ionique, des types d’ions, du pH, des additifs,…) serait nécessaire.

Pour effectuer un titrage simple, vous pourriez opter pour HCl et NaOH si cela convient à votre échantillon. Si il y a un additif souhaité dans l’échantillon (peut-être un autre composant comme 100mM de sucrose) alors cela doit être inclus aux deux points d’extrémité (c’est-à-dire que l’acide et la base utilisés devraient contenir ce composant). Le changement de conductivité fait partie de l’expérience, et c’est pourquoi la conductance est enregistrée. Un graphe de titrage typique montrant le point isoélectrique et les régions instables et stables lorsque la stabilisation électrostatique est impliquée est montré ci-dessous (c’est pour complément de café).

Que prévoyez-vous pour le potentiel zêta des nanoparticules d’or enrobées de deux ligands ayant des terminaisons thiol (attachées à la nanoparticule) et l’autre bout de la chaîne carboxyle. (Un des ligands est plus court que l’autre, dans des expériences différentes)

La charge globale sera le résultat de tous les composants dans l’échantillon. L’or nu est probablement fortement négatif, l’ajout de thiol peut augmenter cette charge négative, les chaînes de carboxyle peuvent déplacer davantage le plan de glissement et ainsi réduire la force/amplitude du potentiel zêta. Voir également la note d’application sur l’or colloïdal.

Je sais que pour obtenir une valeur correcte de potentiel zêta de n’importe quelle particule en solution aqueuse, vous devez utiliser un électrolyte de support, cependant certains articles traitant de nanoparticules affirment que ce n’est pas nécessaire et qu’ils utilisent uniquement de l’eau déionisée, est-ce correct ?

Bien qu’en théorie il ne soit pas nécessaire d’avoir une force ionique minimale dans le tampon aqueux, pour de nombreux systèmes d’échantillons (surtout lorsque des protéines et des biomolécules sont impliquées) une certaine quantité d’ions opposés apparaît souvent bénéfique et nécessaire pour des échantillons stables. Le potentiel zêta peut être mesuré dans de l’eau déionisée, cependant l’utilisation de ce nombre peut ne pas être si pratique puisque les échantillons « réels » contiennent souvent des composants ioniques. (De nombreux systèmes de nanoparticules sont stabilisés avec un certain surfactant et cela peut être dépouillé si aucun sel n’est présent, voir un blog connexe sur comment obtenir de bonnes données à partir des standards.)

Pour obtenir des valeurs précises de potentiel zêta d’une particule en solution aqueuse, quel type d’eau est préférable d’utiliser, distillée, déionisée ou Milli-Q ?

Le type d’eau n’importe pas vraiment tant qu’elle est propre de poussière. Ce qui est plus important c’est comment interpréter les données, et lors de la comparaison des échantillons, que l’exacte même dilution soit effectuée si des conclusions significatives doivent être tirées des données.

J’ai essayé d’obtenir la valeur du potentiel zêta de l’hématite en solution aqueuse et le PIE trouvé est toujours autour de pH 3, pourquoi cela ? Il devrait être autour de 7, 8 …car c’est un matériau basique

Veuillez consulter cette publication « Certaines caractéristiques de surface de six minerais d’hématite de la région de Middleback Range, Australie Méridionale » International Journal of Mining Engineering and Mineral Processing 2012, 1(2): 73-83 où cet effet est également rapporté.

Comment testez-vous la taille des particules dans l’écran solaire que vous avez présenté ici ?

Pour l’écran solaire, les particules peuvent être adaptées pour la diffraction laser ou pour la diffusion de lumière dynamique. Pour les deux méthodes, une certaine dilution serait nécessaire. Les données rapportées dans la diapositive sur la croissance de taille de particules de ZnO et TiO2 (pH7) ont été obtenues en utilisant la diffusion de lumière dynamique

Je travaille sur la formulation d’herbicides. Il s’agit d’une suspension à 30 %. Mais elle doit être à pH3 pour une bonne stabilité. Que devrions-nous faire pour déplacer le pH à 5-6 tout en gardant la stabilité ?

Vous pourriez être capable d’ajouter une combinaison modificateur comme APMA/PEG. Cette note d’application pour un problème différent mais similaire pourrait être une source d’inspiration « L’importance du potentiel zêta dans le traitement céramique – Alumine ».

Puis-je toujours utiliser la cellule si les électrodes prennent une couleur plus sombre ? Pourquoi les électrodes fonçent-elles dès la première utilisation ?

Les électrodes sont faites de cuivre avec une fine couche d’or. Ce matériau d’électrode peut être oxydé par des réactions électrochimiques. Les électrodes sont probablement encore utilisables, cependant il serait préférable de confirmer cela en mesurant un standard (par exemple, le standard de transfert de potentiel zêta DTS1235, la fiche de données de sécurité des matériaux pour le standard de transfert de zêta Malvern DTS1235 MSDS contient des informations sur le stockage et la composition). Le noircissement est moins rapide avec des échantillons de conductivité inférieure, moins de sous-exécutions et une tension appliquée inférieure.

Pouvons-nous utiliser la même cellule pour mesurer le potentiel zêta et le poids moléculaire ?

La cuvette zêta jetable DTS1070 peut être utilisée pour des mesures de potentiel zêta et de taille. La cellule n’est pas conçue pour des mesures de diffusion statique de lumière, où des cuvettes de haute qualité (généralement en quartz) sont nécessaires pour éviter tout artefact dû à de légères tolérances de fabrication. Par exemple, certains reflets des cuvettes en plastique peuvent contribuer à l’intensité globale. Cela n’a pas d’importance pour la diffusion dynamique de lumière où seules les fluctuations d’intensité sont analysées. Mais pour la diffusion statique de lumière, l’intensité totale est mesurée, et ces contributions de reflet interféreraient avec la quantité car une cuvette peut être légèrement différente d’une autre (et également le repositionnement de la même cuvette peut avoir cet effet.) Vous êtes invité à tester cela en comparant la diffusion d’une série de concentration telle que mesurée avec une cuvette en verre plus grande et la cuvette de potentiel zêta. Veuillez noter qu’une solution de contournement est nécessaire dans le logiciel pour sélectionner toute cuvette disponible mais ensuite forcer la position de mesure à 5,5mm puisque la cuvette DTS1070 n’est pas disponible pour les mesures de poids moléculaire dans le logiciel.

Est-il avantageux de soniquer les échantillons avant d’analyser le ZP? Quelle est l’efficacité de ceux-ci avec des particules qui forment des agrégats en solution ? En particulier, je travaille avec des particules d’amidon régulières et des nanoparticules.

La sonication peut être utile pour briser les gros agglomérats et permettre des mesures avant que les particules ne se décantent complètement hors de la dispersion. Il serait toujours bon de vérifier que l’échantillon est ensuite stable dans le temps après la sonication, et que les particules ne reviennent pas simplement s’agréger à nouveau. Un autre conseil pourrait être d’égaliser la densité du dispersant, par exemple en ajoutant du sucrose. Nous avons pu déterminer le potentiel zêta pour des particules de 100 microns de diamètre.

Vous avez dit que la cellule à haute concentration peut gérer des suspensions avec un maximum de 10w% de l’échantillon à l’intérieur. Quelle concentration la cellule capillaire jetable peut-elle gérer ? Lors de la variation du pH, y a-t-il dans chaque suspension un point isoélectrique? J’ai vu une publication sans PIE, ce qui m’a un peu dérouté.

La concentration maximale dépend de l’échantillon : si l’échantillon est assez clair jusqu’à une certaine « opacité », il devrait encore être mesurable. En pratique et pour de nombreux échantillons, c’est probablement dans les fractions de pourcentage. Pas chaque échantillon doit avoir un point isoélectrique. Si la stabilisation est entièrement non-ionique et uniquement basée sur la stabilisation stérique, alors le matériau pourrait rester non chargé sur une large plage de pH.

Espérons qu’à la prochaine fois que vous rechercherez la charge de nanomatériaux dispersés, les conseils et astuces ci-dessus pourront vous aider.

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