اندازه گیری سایز و بار سطحی نانو ذرات

اندازه گیری سایز و بار سطحی نانو ذرات ، یکی از مهم‌ترین مراحل در شناخت و کنترل خواص فیزیکی و شیمیایی آن‌هاست. این دو ویژگی نقش کلیدی در پایداری، رفتار در محیط‌های زیستی، قابلیت نفوذ به سلول و حتی اثربخشی نانوذرات در کاربردهایی مانند دارورسانی، کاتالیز و حسگرها دارند. انتخاب روش مناسب برای تعیین اندازه و بار سطحی، می‌تواند مسیر پژوهش یا فرآیند صنعتی را به‌درستی هدایت کند و از اتلاف منابع جلوگیری کند.

چطور بار سطحی نانوذرات را اندازه‌گیری می‌کنند؟

یکی از رایج‌ترین و دقیق‌ترین روش‌ها برای اندازه گیری سایز و بار سطحی نانو ذرات ، استفاده از زتا پتانسیل (Zeta Potential) است. این روش اطلاعات ارزشمندی درباره پایداری کلوییدی ذرات و برهم‌کنش‌های الکتروستاتیکی آن‌ها فراهم می‌کند. در ادامه، مراحل و جزئیات این روش را بررسی می‌کنیم.

مفهوم زتا پتانسیل چیست؟

زتا پتانسیل در واقع پتانسیل الکتریکی موجود در مرز لغزشی اطراف یک نانوذره در محلول است. این پتانسیل تعیین می‌کند که ذرات نسبت به یکدیگر چه نوع رفتاری از خود نشان دهند؛ جذب، دفع یا خنثی. هر چه مقدار مطلق زتا پتانسیل بالاتر باشد (مثلاً بالاتر از ±۳۰ میلی‌ولت)، سیستم از نظر پایداری کلوییدی پایدارتر است و احتمال تجمع ذرات کاهش می‌یابد.

مراحل اندازه‌گیری زتا پتانسیل

1. ابتدا نانوذرات در یک محیط مایع (معمولاً آب یا بافر) معلق می‌شوند.

2. نمونه درون سلول مخصوص دستگاه قرار داده می‌شود.

3. دستگاه زتاسایزر با اعمال یک میدان الکتریکی، حرکت الکتروفورزی ذرات را بررسی می‌کند.

4. بر اساس سرعت حرکت ذرات در میدان، زتا پتانسیل محاسبه می‌شود.

دستگاه‌های مورد استفاده

دستگاه‌هایی مانند Malvern Zetasizer از جمله ابزارهای رایج برای اندازه‌گیری زتا پتانسیل هستند. این دستگاه‌ها علاوه بر دقت بالا، قابلیت اندازه‌گیری هم‌زمان سایز ذرات با روش DLS را نیز دارند.

عواملی که بر مقدار زتا پتانسیل تأثیر می‌گذارند

• pH محیط: تغییر pH می‌تواند باعث تغییر بار سطحی شود.

• یون‌های موجود در محلول: غلظت و نوع یون‌ها در میزان بار مؤثر هستند.

• نوع و پوشش سطحی ذرات: عامل‌های سطحی مثل پلیمرها یا سورفکتانت‌ها می‌توانند زتا پتانسیل را تغییر دهند.

اهمیت تعیین بار سطحی نانوذرات در کاربردهای درمانی و دارویی

اندازه گیری سایز و بار سطحی نانو ذرات یکی از پارامترهای کلیدی در طراحی سیستم‌های دارورسانی و درمان‌های مبتنی بر نانو است. این ویژگی تعیین می‌کند که نانوذره چگونه در محیط زیستی رفتار کند، چه میزان پایداری در محلول داشته باشد، و چطور با سلول‌ها، بافت‌ها یا مولکول‌های زیستی برهم‌کنش پیدا کند. به همین دلیل، ارزیابی دقیق بار سطحی، نقش مهمی در موفقیت بالینی داروها و درمان‌های نانومقیاس ایفا می‌کند.

تأثیر بار سطحی بر پایداری کلوئیدی

یکی از مهم‌ترین کاربردهای تعیین بار سطحی، پیش‌بینی پایداری نانوذرات در محلول است. ذرات با بار سطحی مناسب (چه مثبت، چه منفی) به دلیل دافعه‌ی الکترواستاتیکی از یکدیگر دور می‌مانند و از تجمع و رسوب جلوگیری می‌شود. ناپایداری ذرات می‌تواند اثربخشی دارورسانی را به شدت کاهش دهد و باعث تخریب فرمولاسیون شود.

نقش بار سطحی در جذب سلولی و انتقال دارو

بار سطحی نانوذرات تعیین می‌کند که ذرات چطور به سلول‌ها متصل می‌شوند و به درون آن‌ها انتقال می‌یابند. برای مثال، نانوذرات با بار مثبت اغلب تمایل بیشتری به جذب توسط غشاء سلولی (که بار منفی دارد) نشان می‌دهند. این ویژگی در طراحی داروهای هدفمند و واکسن‌های نانویی اهمیت ویژه‌ای پیدا می‌کند.

کنترل رفتار زیستی و ایمنی نانوذرات

بار سطحی همچنین بر واکنش سیستم ایمنی بدن نسبت به نانوذرات تأثیر می‌گذارد. ذرات با بارهای خاص ممکن است باعث فعال شدن یا سرکوب پاسخ ایمنی شوند. تعیین و تنظیم دقیق بار سطحی کمک می‌کند تا نانوذرات بدون ایجاد التهاب یا پاسخ‌های ایمنی ناخواسته، در بدن عمل کنند.

اثر بار سطحی بر مسیرهای توزیع و دفع

نانوذرات پس از ورود به بدن می‌توانند در بافت‌های مختلف تجمع یابند یا از طریق کلیه و کبد دفع شوند. بار سطحی یکی از عواملی است که مسیر حرکت، مدت‌زمان ماندگاری و الگوی توزیع آن‌ها را در بدن مشخص می‌کند. انتخاب مناسب بار سطحی به بهبود عملکرد درمانی و کاهش عوارض جانبی کمک می‌کند.

طبقه‌بندی روش‌های تعیین مشخصات مواد بر اساس نحوه عملکرد

روش‌های تعیین مشخصات مواد را می‌توان بر اساس نحوه عملکرد آن‌ها به چند دسته اصلی تقسیم کرد. این دسته‌بندی‌ها به پژوهشگران کمک می‌کند تا بسته به نوع ماده، ویژگی مورد نظر و شرایط آزمایش، مناسب‌ترین روش را انتخاب کنند. در ادامه، این طبقه‌بندی‌ها را به‌صورت کامل بررسی می‌کنیم:

۱. روش‌های اپتیکی (نوری)

در این دسته از روش‌ها، از برهم‌کنش نور با ماده برای استخراج اطلاعات استفاده می‌شود. از جمله روش‌های معروف می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• UV-Vis: اندازه‌گیری جذب نور در طول‌موج‌های مختلف.

• فلورسانس: بررسی تابش مجدد نور توسط ماده پس از تحریک نوری.

• DLS (پراکندگی دینامیکی نور): اندازه‌گیری سایز ذرات معلق از طریق تحلیل نوسانات شدت نور پراکنده‌شده.

۲. روش‌های الکتریکی و الکتروشیمیایی

این روش‌ها بر پایه برهم‌کنش مواد با میدان الکتریکی یا واکنش‌های الکتروشیمیایی عمل می‌کنند:

• زتا پتانسیل: اندازه‌گیری بار سطحی نانوذرات در محیط مایع.

• ولتامتری و پتانسیومتری: بررسی خواص الکتروشیمیایی مواد مانند ظرفیت انتقال الکترون.

۳. روش‌های طیف‌سنجی

این روش‌ها با تجزیه و تحلیل طیف‌های حاصل از برهم‌کنش انرژی (نور، تابش، ذرات) با ماده کار می‌کنند:

• FTIR (طیف‌سنجی مادون قرمز): بررسی گروه‌های عاملی و ساختار مولکولی.

• NMR (رزونانس مغناطیسی هسته‌ای): تحلیل ساختار اتمی و پیکربندی مولکولی.

• XPS (طیف‌سنجی فوتوالکترون پرتو ایکس): تعیین ترکیب سطحی و حالت‌های شیمیایی.

۴. روش‌های پراش و تصویربرداری

این روش‌ها معمولاً برای بررسی ساختار، مورفولوژی و اندازه ذرات به کار می‌روند:

• XRD (پراش پرتو ایکس): شناسایی ساختار بلوری مواد.

• SEM و TEM (میکروسکوپ الکترونی روبشی و عبوری): مشاهده شکل، اندازه و ساختار سطحی نانوذرات با دقت بالا.

۵. روش‌های گرمایی و مکانیکی

این دسته از روش‌ها برای بررسی رفتار مواد در برابر حرارت یا فشار به کار می‌روند:

• TGA (آنالیز وزن‌سنجی گرمایی): اندازه‌گیری تغییر وزن ماده بر اثر گرمایش.

• DSC (کالریمتری تفاضلی پویشی): بررسی رفتار گرمایی مانند دمای ذوب یا انتقال شیشه‌ای.

• نانوسختی‌سنجی: تعیین سختی و خواص مکانیکی سطح مواد در مقیاس نانو.

دستگاه‌ها و تکنیک‌های تخصصی برای سنجش اندازه نانوذرات

در مطالعات نانوفناوری، سنجش دقیق اندازه و بار سطحی نانوذرات برای ارزیابی عملکرد زیستی و کنترل خواص فیزیکی آن‌ها اهمیت ویژه‌ای دارد.در اداممه برخی این دستگاه ها را نام میبریم؛

1. دستگاه NANOTRAC WAVE II DLS (ساخت Microtrac، آمریکا)

• تکنولوژی: پراکندگی دینامیکی نور (DLS) با مدل‌سازی طیف توان فرکانس (FPS)

• دامنه اندازه‌گیری: 0.3 نانومتر تا 10 میکرومتر

• قابلیت‌ها: اندازه‌گیری اندازه ذرات، پتانسیل زتا، غلظت و وزن مولکولی

• ویژگی منحصربه‌فرد: استفاده از پروب نوری ثابت با زاویه 180 درجه برای دقت بالا در اندازه‌گیری

2. سری Zetasizer (ساخت Malvern Panalytical، انگلستان)

• مدل‌ها: Zetasizer Lab، Zetasizer Pro، Zetasizer Ultra

• تکنولوژی: DLS و پراکندگی نور با زاویه بازگشتی غیرتهاجمی (NIBS)

• دامنه اندازه‌گیری: 0.3 نانومتر تا 10 میکرومتر

• قابلیت‌ها: اندازه‌گیری اندازه ذرات، پتانسیل زتا و وزن مولکولی

• ویژگی منحصربه‌فرد: مناسب برای نمونه‌های پیچیده مانند پروتئین‌ها و محلول‌های سورفکتانت​

3. سری nanoPartica SZ-100 (ساخت HORIBA، ژاپن)

• مدل‌ها: SZ-100، SZ-100-S2، SZ-100-Z2

• تکنولوژی: DLS

• دامنه اندازه‌گیری: 0.3 نانومتر تا 8 میکرومتر

• قابلیت‌ها: اندازه‌گیری اندازه ذرات، پتانسیل زتا، وزن مولکولی و ضریب ویریال دوم (A2)

• ویژگی منحصربه‌فرد: مناسب برای آنالیز نانوذرات، کلوئیدها، امولسیون‌ها و سوسپانسیون‌های زیر میکرون​

مقایسه روش‌های مختلف برای ارزیابی اندازه و بار سطحی نانوذرات

در حوزه نانوفناوری پزشکی، درک دقیق از اندازه و بار سطحی نانوذرات یکی از پایه‌های طراحی و استفاده مؤثر از این ساختارهای ریزمقیاس است. چرا که این ویژگی‌ها تعیین‌کننده‌ی پایداری، زیست‌سازگاری، مسیر انتقال و تعامل نانوذره با سلول‌ها و بافت‌های بدن هستند. برای اندازه‌گیری این پارامترها، از تکنیک‌های گوناگونی استفاده می‌شود که هر یک بسته به نوع نمونه و هدف تحقیق، مزایا و محدودیت‌های خاص خود را دارند. در این بخش به مقایسه مهم‌ترین روش‌ها برای اندازه‌ گیری سایز و بار سطحی نانو ذرات می‌پردازیم.

اندازه‌گیری سایز نانوذرات

۱. پراکندگی دینامیکی نور (DLS)

DLS یکی از پرکاربردترین روش‌ها در اندازه‌گیری نانوذرات در حالت کلوئیدی یا محلول است. این روش بر پایه تحلیل حرکات براونی ذرات در یک محیط مایع عمل می‌کند. از مزایای آن می‌توان به سرعت بالا، سادگی انجام آزمایش و قابلیت استفاده برای ذرات در محیط زیستی اشاره کرد. با این حال، برای نمونه‌هایی که چند توزیع اندازه دارند (پلی‌دیپرس) یا ذرات غیرکروی، دقت آن کاهش می‌یابد.

۲. میکروسکوپ الکترونی (SEM و TEM)

این روش‌ها امکان مشاهده مستقیم شکل و اندازه واقعی نانوذرات را فراهم می‌کنند. در TEM، تصاویر با دقت نانومتری ثبت می‌شوند و حتی ساختار داخلی ذره هم قابل بررسی است. SEM بیشتر برای مشاهده سطح ذرات به‌کار می‌رود. این روش‌ها اطلاعات تصویری ارزشمندی ارائه می‌دهند، اما آماده‌سازی نمونه، نیاز به خلأ و هزینه بالا از محدودیت‌های آن‌ها هستند.

۳. میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM)

AFM با حرکت یک سوزن بسیار ظریف روی سطح ذرات، تصویر سه‌بعدی با دقت بالا ایجاد می‌کند. مزیت این روش در مشاهده نمونه در شرایط نزدیک به حالت طبیعی و بدون نیاز به پوشش فلزی یا محیط خلأ است. با این حال، تحلیل داده‌های آن زمان‌بر بوده و برای نمونه‌های کلوئیدی مناسب نیست.

اندازه‌گیری بار سطحی نانوذرات

۱. پتانسیل زتا (Zeta Potential)

این روش پرکاربردترین تکنیک برای سنجش بار سطحی ذرات در محیط مایع است. پتانسیل زتا میزان پایداری کلوئیدی نانوذرات را مشخص می‌کند و در پیش‌بینی تمایل ذرات به تجمع یا پراکندگی نقش دارد. این روش سریع، دقیق و برای فرمولاسیون‌های دارویی بسیار ارزشمند است.

۲. تیتراسیون سطحی و آنالیز طیفی

در برخی موارد خاص از تکنیک‌هایی مثل تیتراسیون شیمیایی یا طیف‌سنجی برای بررسی ویژگی‌های سطحی نانوذرات استفاده می‌شود. این روش‌ها معمولاً مکمل روش‌های مستقیم هستند و برای تحلیل برهم‌کنش سطحی با مولکول‌های زیستی کاربرد دارند.

نکات کلیدی در انتخاب روش مناسب اندازه‌گیری نانو ذرات در پزشکی

در پزشکی مبتنی بر نانو، دقت در اندازه‌گیری ویژگی‌های فیزیکی نانوذرات می‌تواند تفاوت بین یک درمان موفق و یک نتیجه ناموفق را رقم بزند. چرا که پارامترهایی مثل اندازه، توزیع اندازه، بار سطحی و شکل نانوذرات به‌طور مستقیم بر نحوه‌ی جذب، انتقال، تجمع در بافت‌ها و دفع آن‌ها از بدن اثرگذار هستند. انتخاب روش مناسب برای آنالیز این ویژگی‌ها نیازمند درک درستی از نیاز بالینی، نوع نانوذره، محیط هدف و کاربرد نهایی است.

ماهیت کاربرد نانوذره در پزشکی

قبل از انتخاب روش آنالیز، باید مشخص شود نانوذره در چه زمینه‌ای استفاده می‌شود: دارورسانی هدفمند، تصویربرداری پزشکی، درمان با نانوذرات فلزی یا ساخت واکسن. برای نمونه، در دارورسانی، اندازه دقیق و یکنواختی ذرات اهمیت بالایی دارد، در حالی که در تصویربرداری زیستی ممکن است شکل و پراکندگی سیگنال اولویت بیشتری داشته باشند.

محیط فیزیکی یا بیولوژیکی مورد استفاده

روش‌های اندازه‌گیری باید با شرایط محیطی نمونه سازگار باشند. اگر نانوذرات در محیط آبی، سرم یا شرایط شبیه‌سازی‌شده بدن استفاده می‌شوند، روش‌هایی مانند DLS و پتانسیل زتا که در محیط مایع قابل استفاده‌اند، انتخاب بهتری هستند. روش‌هایی مانند SEM یا TEM نیاز به خلأ دارند و برای کاربردهای in vivo مناسب نیستند، اما اطلاعات تصویری با دقت بالا فراهم می‌کنند.

نوع ماده و ساختار نانوذره

نانوذرات می‌توانند از جنس‌های مختلفی مانند لیپیدی، پلیمری، فلزی یا سرامیکی ساخته شده باشند. برای ذرات فلزی، TEM یا AFM انتخاب بهتری هستند، زیرا وضوح ساختاری بالایی دارند. در حالی‌ که برای نانوذرات نرم مثل لیپوزوم‌ها، DLS و روش‌های نوری عملکرد بهتری دارند.

دقت مورد نیاز و محدودیت‌های فنی

در بعضی مطالعات، اندازه‌گیری تقریبی کافی است، اما در برخی دیگر دقت در حد نانومتر حیاتی است. اگر نیاز به اطلاعات بسیار دقیق باشد، باید به سراغ روش‌هایی مثل TEM یا AFM رفت. همچنین باید در نظر داشت که برخی روش‌ها نیاز به تجهیزات خاص، اپراتور حرفه‌ای یا زمان طولانی برای آماده‌سازی نمونه دارند.

امکان ترکیب چند روش برای دقت بالاتر

گاهی تنها یک روش نمی‌تواند اطلاعات کامل فراهم کند. ترکیب DLS برای توزیع اندازه، پتانسیل زتا برای بار سطحی، و TEM برای مشاهده مستقیم ساختار می‌تواند تصویری جامع از ویژگی‌های نانوذره ارائه دهد. در حوزه پزشکی که ایمنی و کارایی اهمیت بالایی دارد، این ترکیب رویکردی هوشمندانه است.

سوالات متداول

۱. اندازه گیری سایز و بار سطحی نانو ذرات دقیقا چیست و چرا اهمیت دارد؟
بار سطحی میزان بار الکتریکی است که روی سطح نانوذره قرار دارد و روی رفتار آن در محیط زیستی، پایداری در محلول و تعامل با سلول‌ها اثر مستقیم می‌گذارد.

۲. چگونه بار سطحی نانوذرات اندازه‌گیری می‌شود؟
معمولا با تکنیک‌هایی مثل اندازه‌گیری پتانسیل زتا (Zeta Potential) بار سطحی نانوذرات را به طور دقیق ارزیابی می‌کنند.

۳. بار مثبت بهتر است یا منفی برای دارورسانی؟
این بستگی به نوع درمان و هدف سلولی دارد. اغلب نانوذرات با بار مثبت راحت‌تر جذب سلول‌ها می‌شوند، اما گاهی بار منفی برای کاهش سمیت یا افزایش پایداری انتخاب می‌شود.

۴. آیا بار سطحی نانوذرات بر ایمنی آن‌ها تاثیر دارد؟
بله، بار سطحی می‌تواند واکنش‌های ایمنی بدن را تحریک کند یا کاهش دهد؛ بنابراین انتخاب مناسب بار سطحی به جلوگیری از پاسخ‌های التهابی ناخواسته کمک می‌کند.

۵. تغییر بار سطحی چگونه بر توزیع نانوذرات در بدن اثر می‌گذارد؟
بار سطحی تعیین می‌کند که نانوذره بیشتر در کدام اندام‌ها تجمع کند یا چگونه دفع شود، مثلا ذرات با بار خاص ممکن است بیشتر در کبد یا کلیه متمرکز شوند.