DCS روش با ذرات اندازه تعیین بر مقدمهای واقعی اندازه آیا میدانید را خود نانوذرات Analytik شرکت وگاد هیران دکتر نويسنده: 1 نسب مجتبی مترجم: نانو فناوري آزمايشگاهي شبکه 1. مقدمه يا دیفرانسیلی چرخشی رسوبدهی روش عینحال در و نوآورانه و جدید روشی 1 DCS پیدا تازه تولدی اخیر سالهای در که است ساده پیشرفتهای از استفاده با امروزه کردهاست. که محدودیتهایی و سختیها بر فناوری اخیر دستگاه تعدادی و غلبه داشت تهنشینی روش ابزاری DCS روش شدهاست. طراحی مناسب تا ذرات اندازه توزیع اندازهگیری در قدرتمند این منحصربهفرد قابلیت است. نانومتر 2 حدود ذرات اندازه توزیع مدلهای که است این روش تغییرات و میکند حل باالیی بسیار دقت با را اندازهی توزیع و اندازه در را کوچک بسیار دلیل همین به و میدهد تشخیص ذرات کاری محدودهی است. یافته عمومی محبوبيت میکرون 80 تا نانومتر 2 حدود از روش این است(. وابسته چگالی به دقیق )محدودهی است از گذشته آن واقعی و متنوع مزایای هرحال به روشهای اصطالح در و هستند سنتی اینکه کلی طور به دارند نام نانوذرات اندازهي تعیین استفاده نانومتر 300 از کمتر محدودهای در میشوند. تکرارپذیر دقیق بسیار DCS روش امروزه تا میتواند اجرا یک بار در و است آسان و سریع اندازهگیری مورد همزمان بهصورت را نمونه 40 در میتواند همچنین روش این دهد. قرار توزیع از بزرگی گسترهي دارای نمونه زمانیکه و دهد انجام speed ramping است ذرات اندازه یعنی چگالی بدون معلق ذرات میتواند حتی در که متوسط تا کم بسیار چگالی با ذراتی کند. اندازهگیری را شدهاند پراکنده نمونه DCS روش تئوری از ذرات رسوبدادن از که است زیادی مدت ذرات اندازه توزیع تعیین برای مایع یک درون تعیین برای استوکس قانون از میشود. استفاده استفاده کرویشکل ذرات نامشخص توزیع نیاز مورد زمان که صورت بدین میشود فاصلهي یک در ذرات این شدن تهنشین برای چگالی و غلظت با مایعی درون مشخص رسوب عمل میشود. اندازهگیری مشخص جاذبهي نیروی با و عادی به صورت هم میتواند دور با چرخش از استفاده با هم و )1g( زمین نیروی برابر چند جاذبهای نیروی تولید و 2 باال با آزمایش یک در شود. انجام عادی جاذبهي دما و سرعت که باال دور با چرخش از استفاده زمان بهجز معادله متغیرهای همهي است ثابت یا آنها مقادیر و هستند ثابت آزمایش انجام در قابل باالیی دقت با یا و هستند شده شناخته زا وسیعی گسترهي در میباشند. اندازهگیری ویرایش صورت از استفاده با آزمایش شرایط بر کروی ذرات قطر استوکس معادلهي شدهي محاسبه شناساگر به آنها رسیدن زمان اساس استاندارد یک به توجه با اینرو از میشود. را زمان مقیاس ردگیری قابل و مشخص استفاده ذرات اندازهی تعیین برای میتوان کرد. V=D 2 (ρ P -ρ F )G/18η D: The particle diameter (cm) ρ P : Particle density (g/ml) 15
مزایای DCS شکل 3 شکل 4 شماری از مزایای مختلف با روش DCS همراه شدهاست که در این بخش شرح داده خواهند شد: قابلیت شناسایی با دقت بسیار باال: شناسایی و اندازهگیری تحلیل پیکهایی با اختالف اندازهای به میزان 2 درصد )شکل 1 ( حساسیت باال: شناسایی و اندازهگیری تغییرات بسیار کوچک و دقیق در توزیع اندازه ذرات با ایجاد پیکهای اضافه )شکل 2 ( نتایج دقیق قابل اطمینان و تکرارپذیر: کالیبراسیون و قابلیت ردیابی از استانداردهای اندازهگیری اندازه ذرات در NIST )شکل 3 ( قابل مقایسه بودن نتایج با تصاویر و بررسیهای میکروسکوپی بهویژه میکروسکوپ الکترونی روبشی )شکل 4 ( بررسیهای کمی برای دستیابی به توزیع عددی و وزنی )شکل 5 (. شکل 1 شکل 5 شکل 2 ρ F : The fluid density (g/ml) G: The gravitational acceleration (cm/sec2) η: The fluid viscosity (poise) طراحی دستگاه DCS ساختار رایج دستگاههای DCS بدین صورت است که یک صفحهي گرد شفاف وجود دارد که در مرکز آن روزنهای ایجاد شدهاست. این صفحه به یک موتور وصل شدهاست که میتواند با سرعتهای مختلفی بچرخد. شمایی کلی از سطح مقطع این صفحه در شکل )6( نشان داده شدهاست. پرتوي شناساگر معموال نوری تکرنگ است که طول موج آن به نسبت کم است در حدود 400 تا 500 نانومتر که این امر موجب افزایش حساسیت شناساگر میشود بهویژه زمانیکه برای اندازهگیری ذرات کوچکتر از 100 نانومتر استفاده شود. برای آمادهسازی دستگاه برای آنالیز ابتدا سرعت چرخش صفحه ثابت میشود و سپس مخزن آن از مایعی پر میشود که دارای شیب شکل 6 16 سال دهم خرداد 90 شماره 3 پياپي 164
ویژه کاربردهای 11 شکل 12 شکل بسیار که میشود ارایه DCS دستگاه از کاربردهایی بخش این در هستند. ویژه و مفید آگلومرهها: و تودهها کردن حل )9 )شکل تنفسی بیماریهای تولید در DNA ویروسهای از مخلوطی شناسایی قابل بهراحتی 10( )شکل ویروس همان تودهشدهي ذرات و شدهاست داده نشان اینجا در که همانگونه هستند نانوذرات: از پوششهایی مشخصات تعیین 11 ( )شکل دارد را الیه ضخامت اندازهگیری یا و دادن نشان قابلیت تخلخل: اندازهي توزیع تعیین از استفاده با را میکرون 0/4 فیلترهای اندازهگیری قابلیت دستگاه این 12 ( )شکل دارد استاندارد الستیک یک 13 ( )شکل سلول شکست آزمایشهای دنبالکردن 9 شکل 13 شکل 10 شکل )در نمونهاي زمانیکه است. ناچیزی غلظت سرنگ یک از استفاده با و 100 میکرولیتر حدود داخلی سطح پشت به میشود تزریق کوچک( شعاعی شتاب براساس و میکند برخورد صفحه از میشود وارد آن به صفحه چرخش اثر در که را سطح و میکند عبور سطح روی مایع میان تماس مایع سطح با نمونه زمانیکه میپوشاند. میشود. آغاز ذرات رسوب میکند پیدا کمتر زمانی در )معموال سریع نمونه تزریق بنابراین میشود انجام ثانیه( میلی 50 از در و است مشخص بهخوبی آنالیز شروع زمان است. خوب بسیار رسوبدهی زمان دقت نتیجه برای دستگاه میشود کامل آنالیز یک زمانیکه تخلیه به نیازی و است آماده بعدی نمونهي بنابراین و نیست سانتريفیوژ کردن تمیز یا و استفاده یکبار در میتوان را زیادی نمونههای باشد نیاز اینکه بدون کرد بررسی دستگاه از شود. متوقف سانتریفیوژ که دستگاههای طراحی در انجامشده پیشرفتهای 24000 توان با رومیزی سانتریفیوژهایی جدید قابلیت این است. کرده ایجاد را دقیقه بر دور بسیار نانوذرات آنالیز برای حتی را آنالیز زمان مثال برای میدهد. کاهش بسیار نیز ریز موجب که DNA در ویروس به مربوط دادههای شکلهای در میشود تنفسی بیماریهای دادهها این شدهاست. داده نشان )10( و )9( نمونه هر برای دقیقه 10 از کمتر زمانی در است. آمده بهدست دارد وجود خاصی روشهای و صفحات امروزه انجام زمان در را صفحه سرعت تغییر امکان که زمانی قابلیت این است. ساخته فراهم آزمایش دارای نمونهای مثال بهعنوان که است مفید نانوذرات همراه که باشد بزرگی بهنسبت ذرات آرام دور از استفاده با شوند. اندازهگیری باید اندازهگیری بزرگتر ذرات آنالیز ابتدای در ات دادهمیشود افزایش سرعت سپس میشوند زمان مدت یک در را نانوذرات بتوان حدیکه کرد. اندازهگیری قبول قابل ساخته و طراحی بهصورتی صفحات امروزه سخت بسیار آنالیزهای بتوانند که میشوند مثال برای دهند. انجام راحتی به را گذشته که آنچه متوسط از کمتر ذرات چگالی وقتیکه 17
بودن شناور به آنها تمایل باشد شدهاست توزیع ترکیبی از استفاده با است. رسوبکردن از بیشتر واژگون پایین چگالی با ویژهای صفحات از را نمونههایي چنین شناساگر موقعیت کردن داد. قرار اندازهگیری مورد آسانی به میتوان دستگاه درون سانتریفیوژ صفحهي )7( شکل بیرون شناساگر نور منبع که میدهد نشان را حال در را صفحه همان )8( شکل دارد. قرار آن نوارهایی میدهد. نشان آنالیز انجام و چرخش از دیدهمیشوند جدا هم از واضح صورت به که به که شدهاند تشکیل مختلف اندازههای با ذرات میشوند. نزدیک شناساگر کار روش مناسب چگالی طیف یک اول مرحلهي در چرخش آمادهي سانتریفیوژ صفحهي یک درون این در استفاده مورد مایع میشود. ایجاد توزیع آن داخل نمونه که مایعی با باید مرحله و رایجترین باشد. داشته همخوانی شدهاست 3 قند محلول استفاده مورد مایع سادهترین قندی محلول باشد بافر یک در نمونه اگر است. مایع مناسبترین مشابه بافر در ساختهشده و معدنی روغنهای آلی محلولهای از است. غیر نمونههای آنالیز برای میتوان نیز گیاهی کرد. استفاده آبی استاندارد نمونهي یک دوم مرحلهي در به مشخص اندازهي و غلظت با کالیبراسیون اب پلیاستایرن دانههای نمونهي مثال عنوان استاندارد در ردگیری قابلیت با یکنواخت توزیع زمان تا میشود تزریق دستگاه به (NIST) در نماید. کالیبره را ذرات اندازهي اندازهگیری آماده نمونهها تزریق برای دستگاه زمان این است. نمونه هر از میکرولیتر 100 حدود در معموال 40 از بیش عادی حالت در میشود. تزریق صفحه یک برای لیتری میکرو 100 تزریق تا است نیاز آن از پس و است انجام قابل از شود. انجام ابتدا از صفحه آمادهسازی فرایند برای که آنهایی مانند خودکار نمونهبردارهای کروماتوگرافی دستگاههای در نمونه تزریق دستگاه همراه به میتوان نیز میدهند انجام ایجادشده غلظت طیف کرد. استفاده DCS اینرو از است پایدار ساعت 72 تا صفحه روی کاری روز یک ابتدای در را دستگاه میتوان با را دستگاه سپس و نمود کالیبره و تنظیم نمونههای و بررسی مورد نمونههای از ترکیبی زمان در تا کرد راهاندازی کالیبراسیون استاندارد شود. تزریق دستگاه به نیاز مورد نمونهي الزم دستگاه از استفاده عادی فرایند خالصه طور به است: زیر بهصورت DCS بر نیاز مورد سرعت در سانتریفیوژ تنظیم 1 استفاده با )معموال ذرات چگالی و اندازه اساس دستگاه( نرمافزار در موجود پیشفرضهای از برای مناسب مایع از دستگاه مخزن پرکردن 2 الزم غلظت طیف ایجاد نمونهي تزریق با دستگاه کالیبرهکردن 3 کالیبراسیون استاندارد نمونهها. تزریق 4 8 شکل 7 شکل ) DC24000 مدل CPS صفحهای )سانترفیوژ مقاله این در استفاده مورد DCS دستگاه نماي 19. شکل خالصه ابزاری دیفرانسیلی چرخشی رسوبدهی روش با ذرات مشخصات تعیین برای قدرتمند بسیار ذرهي اندازه محدودهي در بهویژه باال دقت روش این است. میکرون 10 تا نانومتر 2 بین اندازههای با ذرات اندازهي توزیع تعیین امکان فراهم درصد 2 از کمتر خطای با را مختلف و تغییرات اندازهها تفاوت رو این از و میکند بهصورت و دقت با کوچک بسیار جابجاییهای میشوند. اندازهگیری و شناسایی تکرارپذیر نادر ذرات اندازهگیری برای که جدیدی روش به مقاله این در شناور و پایین چگالیهای با محدودیتهای به اشاره تنها شد اشاره آن پياپي 164 3 شماره خرداد 90 دهم سال 18
عمومی کاربردهای در که دارد وجود DCS روش از استفاده برای گستردهای کاربردهای شدهاست. آورده آن رایج موارد از تعدادی بخش این زیستشناسی: و دارویی علوم 1 ویروس شبه ذرات و ویروسها )کشاورزی( سلولی برشهای و سلولها 14 ( )شکل پروتئین خوشههای چربیها شده کپسوله داروهای میکرو شیمی: 2 پلیمری الستیکهای و شیرابهها 15 ( )شکل SiO 2 توزیع غیره( و باریم سولفاتهای رس خاک CaCO 3 ( بتونهها 16 ( )شکل الماس( )مانند سایندهها انواع همهي کربنی نانولولههای 17 ( )شکل کوانتومی نقاط رنگآمیزی: و چاپ 3 روغن( یا آب پایهي )با رنگدانهها میکروفیبری غلیظ پوششدهندهي رنگهای کپی دستگاههای و چاپگرها پودرهای افشان جوهر چاپگرهای جوهرهای همپوشانی مقداری که میدهد نشان را ذره اندازه توزیع دو شکل 18 شکل در که هستند آبی و زرد جوهرهای به مربوط نمودار دو این دارند. آبی جوهر به مربوط نمودار انتهای در که کوچکی پیک است. مشخص مسدود مشکل ایجاد احتمال که است واقعیت این بیانگر میشود دیده دارد وجود جوهر این از استفاده در چاپگر نازل شدن سیاه کربن آهن مغناطیسی اکسید 16 شکل 17 شکل 14 شکل 18 شکل 15 شکل 1. Differential centrifugal sedimentation (DCS) 1. Dr Hiran Vegad, Analytik Ltd, "An introduction to particle size characterisation by DCS: Do you know the real اخیر پیشرفتهای بودهاست. DCS روش قبلی مطالب در شده اشاره موارد دستگاه ساخت در این از استفاده مورد در قبلی شدهي منتشر انجام سرعت استفاده سهولت مانند روش نمونه چند اندازهگیری قابلیت و دقت آزمایش میدهد. پوشش را مقاله این در استفاده مورد DCS دستگاه DC24000 مدل CPS صفحهای سانترفیوژ 19(. )شکل بودهاست پينوشت منبع 2. Centrifugal 3. Sucrose size of your nano particles?"analytik Ltd, CPS-Instruments Europe, 19