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DLS(動的光散乱法)より、高感度検出が実現

下のグラフは、大きさの異なる2種類のポリスチレン粒子を混合して、qNanoとDLSで計測した結果です。 DLSでは260.4nmに1つのピークしか検出されませんが、qNanoでは220、380nmにピークを検出できており、高感度なサイズ分布検出を実現しました。

 

 

DLS(動的光散乱法)より、高感度検出が実現

 

【関連文献】
Lin Yang, Murray F. Broom and Ian G. Tucker.
"Characterization of a Nanoparticulate Drug Delivery System Using Scanning Ion Occlusion Sensing"
Pharmaceutical Research, DOI: 10.1007/s11095-012-0788-3, Published Online: May 26, (2012).

 

Abstract:
Purpose: To explore the application of scanning ion occlusion sensing (SIOS) as a novel technology for characterization of nanoparticles. Methods: Liposomes were employed as model nanoparticles. The size distribution of the liposomes was measured by both SIOS and dynamic light scattering (DLS). Particle number concentration was determined based on particle translocation rate. The ability of SIOS and DLS to resolve bimodal samples was evaluated by measuring a mixture of 217 and 355 nm standard nanoparticles. Opsonization of liposomes by plasma was also studied using SIOS. Results: SIOS was shown to measure the size of different liposomes with higher sensitivity than DLS and it requires a smaller sample volume than DLS. With appropriate calibration, SIOS could be used to determine particle number concentrations. In comparison, SIOS analysis of the mixture showed accurate resolution of the population as a bimodal distribution over a wide range of number ratios of the particles. SIOS could detect plasma opsonization of liposomes by demonstrating a increase in particle size and also changes in the particle translocation rate. Conclusion: SIOS is a useful technology for nanoparticle characterization. It shows some advantages over DLS and is clearly a useful tool for the study of nanoparticle drug delivery systems. KEY WORDS: DLS – liposomes – nanoparticles – opsonization – SIOS

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光学測定法と比較して、TEMと高い相関性

220、330、410nmのポリスチレンパーティクルを異なる測定手法で計測し比較した事例です。
下図左は3種類をそれぞれ個別に、下図右は混合して計測しています。
qNanoやDCSはTEMの計測結果との相関が非常に高いことがわかります。一方、光散乱法を採用したDLS、PTAでは実際とは異なる、ブロードなサイズ分布しか得ることができません。

様々な形状が混在する試料、光学特性(屈折率、色)が異なる試料など、
他の測定手法では困難だった試料でも高精度なサイズ測定を実現しました。

 

 

TEMと高い相関性データ

 

【関連文献】
Will Anderson, Darby Kozak, Victoria A. Coleman, Åsa K. Jämting, Matt Trau
"A comparative study of submicron particle sizing platforms: Accuracy, precision and resolution analysis of polydisperse particle size distributions Original Research Article"
Journal of Colloid and Interface Science, Volume 405, 1 September 2013, Pages 322–330

 

 

Abstract:
► The accuracy of particle size distribution measurements is technique dependent. ► The disparity between measurements made by different techniques increases with sample complexity and polydispersity. ► Only TRPS and DCS techniques resolved all particles present in complex multimodal samples. ► PTA and DLS techniques had lower resolution and reported higher polydispersity than truly present in all test samples. ► All four techniques tested had high repeat measurement precision.

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再現性高く定量濃度評価

グラフ ポリスチレンを5度測定



表 ポリスチレンを5度測定


Certificated Mean Diameter 400nm のNIST 標準粒子(ポリスチレン)をTRISバッファーに1000倍希釈したサンプルを5度に渡りqNanoで測定し、再現性が得られるかを検証したデータです。
【測定条件】
NP200使用(推奨測定範囲100nm-400nm)、 Voltage: 0.46V/Stretch: 45.42mm/ Pressure 9で測定


 

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リポソームの凝集をサイズ分布と濃度で定量化

リポソームの凝集をサイズ分布と濃度で定量化

 

粒子濃度の定量化
上のグラフではリポソームの凍結による安定性を評価したグラフです。 凍結後は凝集により、リポソームのサイズが大きくなり、濃度が減少しています。 qNanoでは高分解能なサイズ分布と濃度の定量化により、凝集解析を行うことが可能です。

 

サンプル パーティクル濃度
(particles/mL)
Size d90/d10
リポソーム 3.5 × 1013 1.3
リポソーム (凍結後) 2.9 × 1013 2.6

 

d90/d10計量は、サンプルの粒径分布の尺度。値が1に近いほど、単分散であることを示しています。 単分散であったリポソームは、凍結によってアグリゲーション量が増加し、多分散になっていることが分かります。

 

表面電荷変化量の計測

 

表面電荷(チャージ)変化量の計測
凍結したリポソームはサイズが大きくなるため、移行時間も長くなる(=チャージが弱い)ことから、リポソームが融合して大きくなるだけでなく、凝集(アグリゲーション)を起こしていることが分かります。 凍結前に比べ、粒子サイズは多分散化し、(=均一性がなくなり、品質としては低下していることが分かります。)

 

【関連文献】
G. Seth Roberts, Sam Yu, Qinglu Zeng, Leslie C.L. Chan, Will Anderson, Aaron H. Colby, Mark W. Grinstaff, Steven Reid, Robert Vogel.
"Tunable Pores for Measuring Concentrations of Synthetic and Biological Nanoparticle Dispersions"
Biosensors and Bioelectronics 31, p. 17-25, Jan 15 (2012).

 

Abstract:
Scanning ion occlusion sensing (SIOS), a technique that uses a tunable pore to detect the passage of individual nano-scale objects, is applied here for the rapid, accurate and direct measurement of synthetic and biological nanoparticle concentrations. SIOS is able to characterize smaller particles than other direct count techniques such as flow cytometry or Coulter counters, and the direct count avoids approximations such as those necessary for turbidity measurements. Measurements in a model system of 210-710 nm diameter polystyrene particles demonstrate that the event frequency scales linearly with applied pressure and concentration, and that measured concentrations are independent of particle type and size. Both an external-calibration and a calibration-free measurement method are demonstrated. SIOS is then applied to measure concentrations of Baculovirus occlusion bodies, with a diameter of ~1 μm, and the marine photosynthetic cyanobacterium Prochlorococcus, with a diameter of ~600 nm. The determined concentrations agree well with results from counting with microscopy (a 17% difference between the mean concentrations) and flow cytometry (6% difference between the mean concentrations), respectively.

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粒子の表面電荷を計測

ナノ粒子ゼータ電位を1粒子ごとに定量

 

上のグラフはリポソームとPEG修飾リポソームの計測結果です。
右下の2Dグラフは横軸にサイズ、縦軸に表面チャージ量をゼータポテンシャルで定量化を示しています。
それぞれ、サイズとチャージ量別に濃度を算出することができます。

 

【関連文献】
Kozak et al.
"Simultaneous Size and ζ Potential Measurements of Individual Nanoparticles in Dispersion Using Size Tunable Pore Sensors"
ACS Nano, Just Accepted Manuscript DOI: 10.1021 / nn3020322, Published Online: July 18, (2012).

 

Abstract:
The prospect of characterizing individual nanoparticles, molecules, or DNA base pairs has generated considerable interest in resistive pulse sensing. In addition to size and concentration analysis, this technique also has the capacity to measure the charge density of objects in situations where electrophoretic forces dominate their motion. Here we present a methodology to simultaneously extract, via appropriate theoretical models, the size and ζ-potential of objects from the resistive pulse signal they generate. The methodology was demonstrated using a size-tunable elastic pore sensor to measure a complex "bimodal" suspension composed of two particle sets with different size and charge. Elastically tuning the size of the pore sensor, by stretching the elastic pore membrane, enables a larger sample size range to be analyzed, improves measurement sensitivity, and fine-tunes the forces acting on objects. This methodology represents a new approach for investigating and understanding the fundamental behavior of nanoscale dispersions.




粒子の表面チャージ変化量測定

 

qNanoは圧力可変モジュール(VPM)を使用して、粒子の表面電荷に関わる1次情報を測定可能です。
上図はVPMの圧力と粒子の電気泳動速度の関連を示しています。S字カーブの湾曲点は圧力と電荷のバランスがとれている点で粒子の表面電荷に相当します。

 

【関連文献】
Robert Vogel, Will Anderson, James Eldridge, Ben Glossop, and Geoff Willmott.
"A variable pressure method for characterising nanoparticle surface charge using pore sensors"
Anal. Chem., 2012, 84 (7), pp 3125–3131 DOI: 10.1021 / ac2030915 Publication Date (Web): February 27, 2012

 

Abstract:
A novel method using resistive pulse sensors for electrokinetic surface charge measurements of nanoparticles is presented. This method involves recording the particle blockade rate while the pressure applied across a pore sensor is varied. This applied pressure acts in a direction which opposes transport due to the combination of electro-osmosis, electrophoresis, and inherent pressure. The blockade rate reaches a minimum when the velocity of nanoparticles in the vicinity of the pore approaches zero, and the forces on typical nanoparticles are in equilibrium. The pressure applied at this minimum rate can be used to calculate the zeta potential of the nanoparticles. The efficacy of this variable pressure method was demonstrated for a range of carboxylated 200 nm polystyrene nanoparticles with different surface charge densities. Results were of the same order as phase analysis light scattering (PALS) measurements. Unlike PALS results, the sequence of increasing zeta potential for different particle types agreed with conductometric titration.

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洗浄殺菌や新規DDSの開発に ナノバブル測定

ナノバブルの分散状態と濃度を測定

 

ナノバブルの分散状態と濃度を測定
1μm以下の微細な気泡のナノバブルは、気泡を形成しているガスの種類によって、殺菌効果や生理活性作用、DDSなど、今後の産業分野への応用が期待されています。
粒度分布が幅広いナノバブルですが、それらも正確に個数分布を取得する事が可能です。

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迅速診断・疾病マーカーの開発に エクソソーム測定

血液や尿、唾液等の体液中に存在する微小胞のエクソソームは、体内の様々な部位から発生し、その疾病由来マーカーとして期待されています。

スタンダード装置

 

■ エクソソームのサイズと濃度を定量化 【ユーザー測定事例】

エクソソームデータ サイズと濃度を定量

超遠心で回収したエクソソームや培地を計測してエクソソームのサイズ分布と濃度を計測しています。


【資料御提供】 広島大学 大学院医歯薬学総合研究科 細胞分子生物学研究室
教授 田原 栄俊 様

■ エクソソームのサイズと濃度を定量化 【ユーザー測定事例】

エクソソームデータ サイズと濃度を定量

エクソソーム診断デバイスの開発を目指し、qNanoを用いてエクソソームの濃度・粒径分布を計測した事例です。
上のグラフはヒト血清を110,000×g,70 minで超遠心した後に、220nmのフィルターにかけて抽出したエクソソームを計測した結果です。


【資料御提供】 東京大学 大学院 工学系研究科 バイオエンジニアリング専攻 一木 隆範様

■ 尿中エクソソームの高精度サイズ分布を取得

尿中のエクソソームの測定

 

【関連文献】
Jeroen de Vrij, Sybren LN Maas, Malisa van Nispen, Miguel Sena-Esteves, Ronald WA Limpens, Abraham J Koster, Sieger Leenstra, Martine L Lamfers, and Marike LD Broekman
"Quantification of nanosized extracellular membrane vesicles with scanning ion occlusion sensing"
Nanomedicine, , Vol. 0, No. 0 , Pages 1-16 (doi: 10.2217/nnm.12.173)


Abstract:
Background: Cells secrete different types of membrane vesicles (MVs), which may act as important entities in normal human physiology and in various pathological processes. The established methods for quantification of MVs require purification or preanalytical handling of samples with labeling moieties. Aim: The authors' aim was to develop a method for high-throughput, labeling-free quantification of nonpurified MVs. Materials & methods: Scanning ion occlusion sensing technology, which relies on the detection of particles upon their movement through a nanopore, was investigated for the ability to quantify nanosized MVs (<400 nm) in bodily fluids and cell culture supernatants. Results: Scanning ion occlusion sensing allowed for rapid and easy measurement of the concentration of MVs in all biological fluids tested. Conclusion: Scanning ion occlusion sensing technology enables the quantification of MVs in biological samples without the requirement of MV isolation and/or labeling. This offers a highly valuable addition to the currently used repertoire of MV quantification methods.


 ▶エクソソーム・Extracellular Vesicles 関連文献リスト



qev エクソソーム分離、精製キット

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ウイルスや溶存物質との相互作用解析に ナノバクテリア測定

ナノバクテリア測定

単細胞シアノバクテリア
単細胞シアノバクテリア
バクテリアサイズ:680nm
濃度=5.6×108 particle/ml

 

qNanoは最小20mMからのNaCl溶液で測定することが可能です。採取した海水を直接測定する事も可能で、海水中に含まれるウイルスやナノバクテリア、海洋有機物の測定が可能です。


●リファレンスカスタマー
Prof.Penny Chisholm
Massachusetts Institute of Technology Department of Civil and Enviromental Engineering

 

【関連文献】
G. Seth Roberts, Sam Yu, Qinglu Zeng, Leslie C.L. Chan, Will Anderson, Aaron H. Colby, Mark W. Grinstaff, Steven Reid, Robert Vogel.
"Tunable Pores for Measuring Concentrations of Synthetic and Biological Nanoparticle Dispersions"
Biosensors and Bioelectronics 31, p. 17-25, Jan 15 (2012).

 

Abstract:
Scanning ion occlusion sensing (SIOS), a technique that uses a tunable pore to detect the passage of individual nano-scale objects, is applied here for the rapid, accurate and direct measurement of synthetic and biological nanoparticle concentrations. SIOS is able to characterize smaller particles than other direct count techniques such as flow cytometry or Coulter counters, and the direct count avoids approximations such as those necessary for turbidity measurements. Measurements in a model system of 210-710 nm diameter polystyrene particles demonstrate that the event frequency scales linearly with applied pressure and concentration, and that measured concentrations are independent of particle type and size. Both an external-calibration and a calibration-free measurement method are demonstrated. SIOS is then applied to measure concentrations of Baculovirus occlusion bodies, with a diameter of ~1 μm, and the marine photosynthetic cyanobacterium Prochlorococcus, with a diameter of ~600 nm. The determined concentrations agree well with results from counting with microscopy (a 17% difference between the mean concentrations) and flow cytometry (6% difference between the mean concentrations), respectively.

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バクテリアの確認と存在量の比較

グラフ バクテリアの確認と存在量の比較


バクテリア計測グラフ:サイズ(nm) vs 濃度グラフ(個数/mL)
上のグラフはqNanoでMethylobacterium sp.()とSphingomonas sp.()とその混合物()をqNanoで計測した結果です。
サイズが異なるバクテリアでは、それぞれのバクテリアの存在を高精度のサイズ分布で確認することができます。またその存在を濃度で定量することができ、殺菌剤の開発や共生時の存在比を簡単に計測することができます。

 

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ワクチンやウイルスベクターの開発に アデノウイルス測定

ワクチンやウイルスベクターの開発

 

サンプルのほとんどが90~100nmの範囲にあることを示しています。また、2番目のピークは2つの粒子が凝集(アグリゲーション)した110nm(単一粒子の体積の2倍に相当)に見られます。

 

【関連文献】
Robert Vogel, Geoff Willmott, Darby Kozak, G. Seth Roberts, Will Anderson, Linda Groenewegen, Ben Glossop, Anne Barnett, Ali Turner and Matt Trau.
"Quantitative Sizing of Nano/Microparticles with a Tunable Elastomeric Pore Sensor"
Journal of Analytical Chemistry 83 (9), p. 3499–3506, (2011).

 

Abstract:
The use of a "size-tunable" polyurethane resistive pulse sensor for quantitative sizing of nano- and microparticles is presented. A linear relationship, as first suggested by Maxwell, between particle volume and change in electric resistance across the pore was observed. Particle sizes were quantified for a given size-tunable membrane, by first creating a linear calibration curve to a series of monodisperse carboxylated polystyrene particles of various diameters and then applying this curve to calculate the size of "unknown" nanoparticles. The diameters of a selection of synthetic and biological particles, being PMMA and nonfunctionalized polystyrene particles, along with biological nanoparticles (adenovirus) were calculated using this methodology. Calculated particle diameters and coefficients of variation were shown to be in good agreement with both transmission electron microscopy and dynamic light scattering results.

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枯草菌、芽胞の測定

芽胞グラフ

【枯草菌と芽胞の測定】
芽胞は一部の細菌が形作る、極めて耐久性の高い細胞構造です。
上図左側のグラフでは、1.1μm付近に芽胞、2μm付近に枯草菌が見られます。
サイズ(横軸)と通過時間(縦軸)を表した右側のグラフも、それぞれ芽胞と枯草菌が確認できます。
球形に近い芽胞に比べて、円筒形の枯草菌は通過時間にばらつきがあります。これは、ナノポアを通過する際に、
円筒形の枯草菌の向きによって通過時間が異なることから見られます。

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バイオフィルム形成評価

バイオフィルム1バイオフィルム2

(左)バクテリアのサイズ評価 (右)表面電荷の評価電気泳動移動度(ms)
qNanoはバクテリアのサイズと高精度濃度計測に加えて、最新の事例でバイオフィルム形成のメカニズム解明とコントロールのために利用されています。バイオフィルムの第一段階は表面への接着です。
バクテリア付着と表面電荷の影響を決定するためにqNanoでは表面電荷を電気泳動移動度(ms)から評価することができます。

【関連文献】
Chung MC, Dean S, Marakasova ES, Nwabueze AO, van Hoek ML. Chitinases Are Negative Regulators of Francisella novicida Biofilms. PLoS One. 2014 Mar 24;9(3):e93119. doi: 10.1371 / journal.pone. 0093119.

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食品の評価 牛乳と加工乳の比較

牛乳と加工乳の比較

 

標準的なミルク(青棒)にはカゼインミセルやラクトース、脂肪球などが含まれており、幅広い粒度分布を示します。
加工ミルク(緑棒)には粒子サイズが大きい成分が少ないことがわかります。しかし標準的なミルクのピークに近いところにピークを確認することができることから、ミルクの主成である脂質球が含まれていることが推測できます。

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顔料の評価 色素の分散比較

色素の分散比較

 

2種類の色素の測定評価の結果です。
色素Aは550nm付近、色素Bは220nm付近にピーク値が存在します。2つの色素でサイズ分布とサイズ毎の濃度に大きな違いがあることがわかります。

顔料の評価 色素の分散比較

色素の分散比較

 

水道水をqNanoで測定を行ったデータです。
低濃度のサンプルも高分解能で測定することが出来ます。
フィルタリング前後での粒度分布・サイズ毎の濃度数の変化も正確にご評価頂けます。

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In situで粒子間の相互作用をリアルタイムモニタリング

高分子粒子とタンパク質の相互作用測定

高分子粒子とタンパク質の相互作用測定

ナノポアを粒子が通過する時間はチャージ量によって変化します。この変化量を見る事で、粒子と粒子の相互作用を測定します。
左図は、マイナス電荷のカルボキシル化ポリスチレン粒子の計測10分後にプラス電荷のアビジンを滴下した時のナノポア通過時間を計測したグラフです。アビジンの吸着により、通過時間が長くなった事を示しています。
ポリスチレンとアビジンが結合していることがわかります。

 

 

【関連文献】
Platt, M., Willmott, G. R. and Lee, G. U.
"Resistive Pulse Sensing of Analyte-Induced Multicomponent Rod Aggregation Using Tunable Pores"
Small. doi: 10.1002/smll.201200058, Published Online: May9, (2012).

 

Abstract:
Resistive pulse sensing is used to monitor individual and aggregated rod-shaped nanoparticles as they move through tunable pores in elastomeric membranes. By comparing particles of similar dimensions, it is demonstrated that the resistive pulse signal of a rod is fundamentally different from that of a sphere. Rods can be distinguished using two measurements: the blockade event magnitude (Δi(p) ), which reveals the particle's size, and the full width at half maximum (FWHM) duration, which relates to the particle's speed and length. While the observed Δi(p) values agree well with simulations, the measured FWHM times are much larger than expected. This increase in dwell time, caused by rods moving through the pore in various orientations, is not observed for spherical particles. These differences are exploited in a new agglutination assay using rod-shaped particles. By controlling the surface chemistry and location of the capture ligand, rods are made to form either long "end-on-end" or wide "side-on" aggregates upon the addition of an analyte. This observation will facilitate multiplexed detection in agglutination assays, as particles with a particular aspect ratio can be distinguished by two measurements. This is first demonstrated with a biotinylated target and avidin capture probe, followed by the detection of platelet-derived growth factor (PDGF-BB) using an aptamer capture probe, with limits of detection down to femtomolar levels.

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