Automated Measurements of Zeta Potential and Size

Význam tématu

Analýza zeta potenciálu a hydrodynamického poloměru částic je klíčová pro hodnocení kolloidní stability formulací používaných v bioterapeutikách, polymerních disperzích a dalších nanomateriálech. Rychlé, opakovatelné a škálovatelné metody měření (ELS a DLS) zkracují vývojové cykly, zlepšují kontrolu kvality a usnadňují screening velkého počtu podmínek bez kompromisu v přesnosti nebo přesnosti dat.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem aplikace bylo demonstrovat plně automatizovaný pracovní postup pro měření zeta potenciálu (ζ) a hydrodynamického poloměru (Rh) kombinací přístroje DynaPro ZetaStar se systémem Waters Arc HPLC a odpovídajícím softwarovým řízením. Studie ověřila opakovatelnost, robustnost, výtěžnost mytí (minimální carry‑over) a schopnost provádět souběžná měření ELS a DLS při dlouhých sekvencích vzorků (96 injekcí celkem, cyklické pořadí čtyř vzorků).

Použitá metodika a instrumentace

Metoda:

• Vzorce: čtyři standardizované kuličky z polystyrenu (PSL) s různými nominálními poloměry a povrchovými modifikacemi (sulfátové a karboxylátové skupiny).
• Příprava: 1000× ředění originálních standardů v 10 mM fosfátovém pufru (4 mM Na2HPO4, 6 mM NaH2PO4).
• Automatizace: uspořádání 24 identických autosampler lahviček pro každý vzorek (dva ANSI‑48 držáky, 2 mL), pořadí injekcí cyklicky A→B→C→D→A atd.
• Objem injekce a měření: 900 µL injekovaného vzorku; pro každou injekci sedm replikátních měření; jedno měření složeno z 30×1 s akvizic ELS a 10×1 s akvizic DLS.
• Proplach: mezi injekcemi proplach 10 mL mycího pufru (stejný 10 mM fosfát) při 2 mL·min−1 a následných sedm kontrolních mycích měření pro potvrzení odstranění vzorku.
• Zpracování: zeta potenciál vypočten z měřené elektroforetické mobility pomocí Henryho modelu s korekcí ionické síly v softwaru.

Instrumentace:

• DynaPro ZetaStar (kombinované DLS/ELS měření) s ELS detektorem a back‑scatter DLS detektorem.
• Waters Arc HPLC: Quaternary Solvent Manager a Sample Manager s ANSI‑48 2 mL držáky.
• Plastové vedení: PEEK tubing a 500 psi zpětný regulační ventil instalovaný za flow buňkou pro přetlakování systému.
• Softwarové řízení: DYNAMICS Software a HPLC CONNECT Software koordinované přes Experiment Designer ZetaStar přístroje.

Hlavní výsledky a diskuse

Automatizovaný protokol zajišťoval vysokou přesnost a reprodukovatelnost během rozsáhlého cyklu měření:

• Opakovatelnost v rámci jedné injekce: RSD pro jednotlivá měření Rh i ζ byla pro většinu injekcí <2% a nikdy nepřesáhla 5%.
• Stabilita napříč injekcemi: RSD pro Rh napříč všemi 24 injekcemi každého vzorku byla v rámci ~4%.
• Příklad: pro Vzorek A byla první injekce Rh = 51,1 ± 0,5 nm (1% RSD) a ζ = −58,1 ± 1,2 mV (2% RSD); injekce #93: Rh = 51,5 ± 1,7 nm (3% RSD) a ζ = −57,5 ± 1,7 mV (3% RSD).
• Celkové rozptyly: RSD napříč všemi 168 měřeními (7 měření × 24 injekcí) odpovídalo hodnotám z jednotlivých injekcí, což potvrzuje konzistenci automatizovaného protokolu.
• Carry‑over: kombinace injekce, objemu proplachu a kontrolních mycích měření minimalizovala přenos vzorku mezi injekcemi na zanedbatelnou úroveň.
• Srovnání s normami: výsledky splňují a často převyšují požadavky ISO pro měření DLS/ELS (koeficient varia‑ce pro průměrnou elektroforetickou mobilitu by měl být <10%).

Diskuse:

Data ukazují, že automatizace nevede k degradaci kvality měření ve srovnání s manuálními postupy. Vyšší propustnost umožňuje rozsáhlé screeny povrchových úprav, koncentrací či formulací za minimalizovaného rizika uživatelské chyby. Rozdíly v měřeném ζ mezi vzorky se stejnou chemickou funkcionalizací (např. karboxyláty) naznačily vliv velikosti částic a hustoty povrchových skupin na elektrostatické vlastnosti, což lze spolehlivě sledovat díky nízké chybovosti metody.

Přínosy a praktické využití metody

• Úspora času a práce: bezobslužný provoz výrazně snižuje nutnost operátorského dohledu a přípravných úkonů.
• Souběžná data: jedním průchodem se získá Rh i ζ, čímž se urychlí rozhodovací procesy v formulacích a stabilizačních studiích.
• Zlepšená reprodukovatelnost: standardizované sekvence a softwarové řízení minimalizují variabilitu mezi uživateli a běhy.
• Vyšší throughput: vhodné pro screening více formulací, podmínek pufrů nebo výrobních šarží v R&D i QC prostředí.
• Shoda s normami: metoda podporuje dodržení relevantních ISO standardů pro DLS a zeta‑potenciál.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Škálování a integrace do automatizovaných laboratoří (LIMS, robotické manipulátory) pro ještě vyšší propustnost a stoprocentní sledovatelnost.
• Rozšíření aplikací na komplexnější systémy (biokondezáty, proteinové suspenze, lipidové nanoformulace) s automatizovaným screenováním pH, ionické síly a excipientů.
• Pokročilá data‑analýza: využití strojového učení k detekci jemných trendů v ζ a Rh při velkých souborech dat získaných automaticky.
• Standardizace protokolů pro regulované prostředí: rozvoj validovaných automatizovaných metod vhodných pro QA/QC a klinické vývojové fáze.

Závěr

Integrace DynaPro ZetaStar s Waters Arc HPLC a odpovídajícím softwarem umožňuje spolehlivé, vysoce reprodukovatelné a plně automatizované měření zeta potenciálu a hydrodynamického poloměru. Protokol zajistil nízkou variabilitu, efektivní odstranění carry‑over a souběžné získání ELS i DLS dat, což významně zvyšuje efektivitu screeningových a QC prací bez obětování kvality výsledků. Tato kombinace hardwaru a softwaru je dobře použitelná pro vývoj bioterapeutik, formulací a průmyslovou analytiku.

Reference

1. International Organization for Standardization. 2025. Particle size analysis – Dynamic light scattering (DLS). ISO Standard No. 22412:2025.
2. International Organization for Standardization. 2025. Colloidal systems – Methods for zeta‑potential determination. ISO Standard No. 13099‑2:2025.