تحليل DLS

تحلیل DLS (تشتت الضوء الدینامیکی)

مقدمة. إن وجود طريقة غير مدمرة وسريعة لتحديد حجم الجسيمات في نطاق بضعة نانومترات إلى ميكرونات هو أحد هدايا التقدم التكنولوجي لمختلف العلوم. تشتت الضوء الديناميكي أو تحليل DLS قادر على إجراء تقدير توزيع حجم الجسيمات بسرعة وسهولة ودون الحاجة إلى تحضير العينة المعقّد. في هذه المقالة سوف نتعرف على تحليل DLS ونقاطه الفنية …

يعد حجم المواد وجزيئاتها من أهم الخصائص التي تمت دراستها واختبارها من القديم حتى الآن. في العصر الراهن، أصبح هذا العامل موضوع نقاش في تكنولوجيا النانو ويتطور بسرعة في العالم.

إحدى الطرق التي يمكن استخدامها لتحقيق توزيع حجم الجسيمات (حتى في الأبعاد النانوية) هي طريقة تشتت الضوء الديناميكي أو تشتت الضوء الفعال، والتي تسمى DLS باختصار. أساس تحليل DLS هو الحركة البراونية للجسيمات العالقة في الطور السائل.

يجب أن تكون العينات المراد اختبارها بهذه التقنية على شكل مستعلق أو مستحلب. تم تصنيع أجهزة مختلفة من قبل شركات مختلفة في العالم لقياس وإجراء هذا الاختبار.

الآلية الرئسية لجميع هذه الأجهزة هي شيء واحد وتختلف فقط في بعض الأجزاء الجانبية. في هذه المقالة، بعد تقديم اختبار DLS ونظريته، نحاول فحص أساس عمله وتطبيقاته.

ما هو تحلیل DLS ؟

تحليل DLS هو طريقة فيزيائية لتحديد توزيع الجسيمات في المحاليل والمستعلقات. في هذه الطريقة، بعد تفاعل ضوء الليزر مع الجسيم، يتم تقييم تشتت الضوء وتغيرات شدته وفقا للحركات البراونية للجسيمات، وبناء على ذلك، يتم حساب توزيع أبعاد الجسيمات.

بسبب حركة الجسيمات وتفاعلها مع السوائل، تختلف شدة تشتت الضوء حسب الوقت وفي زوايا مختلفة، ويمكن محاسبة حجم الجسيمات من خلال العلاقة بين هذه التغييرات والمعلمات (بارامتر) الغراونية.

بعبارة أخرى، يتم تحديد قياس الحركة البراونية في اختبار DLS عن طريق حساب مقدار التقلبات في شدة أشعة الضوء المنتشرة بواسطة الجسيمات الصغيرة والكبيرة. يعتمد هذا التمييز على التغييرات في نمط النقاط التي يتم تعتيمها أو تفتيحها بنقاط مظلمة ومضيئة. يؤدي تحديد شدة تشتت الأشعة الضوئية إلى قياس الجسيمات.

دور إمکانیة زیتا فی اختبار DLS

يؤدي فهم العلاقة بين قياس الجسيمات وإمكانياتها إلى إمكانية تدفق سائل زيتا. يشير هذا الجهد إلى درجة المقاومة الكهروستاتيكية بين الجسيمات. أحد الاختبارات التي يمكن إجراؤها عادة باستخدام جهاز DLS هو تحديد إمكانية زيتا للجسيمات.

غالبا ما تُستخدم إمكانية زيتا كمؤشر لقياس استقرار تشتت العينة. تعني إمكانية زيتا العالية من حيث الحجم أن المستعلق في حالة جيدة من الاستقرار الكهروستاتيكي.

تُستخدم هذه المعلمة كدالة PH وعامل في التغيير الكيميائي للعينة، لإنشاء تركيبات ومواد جديدة أكثر ثباتا. تحديد النقطة التي يكون عندها إمكانية زيتا صفرا (نقطة تساوي الكهربائية) يوفر الظروف المثلى لفصل الجسيمات أو ضد تكوين التجلط.

الحركة البراونية للجسيمات في اختبار DLS

عندما توضع جسيمات مختلفة في محاليل مشتتة(Dispersant) ، تدفع الجزيئات المحلولة القوة للجسيمات. تسمى الحركة العشوائية للجسيمات في محلول الناشر الناتجة عن تطبيق القوة بواسطة جزيئات المحلول الحركة البراونية (Brownian Motion).

يتم إجراء قياس الحركة البراونية للجسيمات في تحليل DLS باستخدام جهاز DLS وإشعاع الأشعة المرئية من مصدر ضوء نيون – هيليوم بطول موجي يبلغ 633 نانومتر. تعتمد الحركة البراونية للجسيمات داخل محلول الناشر على حجم الجسيمات. كلما زاد حجم الجسيم في المحلول، كانت الحركة البراونية للجسيم أبطأ، وعلى هذا، مع انخفاض حجم الجسيمات، ستتحرك بشكل أسرع في محلول الناشر.

تعتمد الحركة البراونية للجسيمات أيضا على عوامل أخرى مثل درجة الحرارة واللزوجة. لذلك، من الضروري أن تكون العوامل التي تؤثر على أداء الاختبار ثابتة تماما. وإلا، سيكون هناك خطأ في الاختبار.

كيف يتم إجراء تحليل DLS؟

يتحرك كل جسيم في المستعلق باستمرار بشكل مستقل عن الجسيمات الأخرى. يلعب هذا التنقل دورا مهما في تحليل DLS. تتحرك الجسيمات ذات الأبعاد الأكبر ببطء أكبر في درجة حرارة ثابتة. عندما يضرب أشعة الليزر الجسيمات المتحركة بتردد معين، فإنه ينتشر بتردد مختلف ويتأرجح في طور الضوء المتناثر. تسمى هذه الظاهرة بتأثير دوبلر (Doppler effect).

معدل التغير في تردد الضوء المنبعث مرتبط بحجم الجسيم. حيث أنه عند السرعات المتوسطة الأعلى، تسبب الجسيمات الأصغر تغيرا أكبر في تردد الضوء. أيضا تعتمد العلاقة بين حجم الجسيم وسرعة الحركة البراونية على معامل اختراق الجسيمات.

يخلق تداخل إشعاعات المتناثرة من جسيمات مختلفة موجات تداخل يتم تسجيلها بواسطة الكاشف. يتم حساب معامل انتشار الجسيمات وبالتالي حجم الجسيمات من خلال دراسة هذه الموجات في محلل DLS.

يتكون جهاز اختبار DLS من الأجزاء التالية:

• مصدر الضوء

يعد مصدر ضوء الليزر من أهم أجزاء الجهاز، وتتمثل مهمته في إنتاج الضوء اللازم لإشعاع عينة الاختبار. في هذه الطريقة، يمكن استخدام العديد من مصادر الليزر. يجب أن يمر الضوء المنبعث من مصدر ضوء الليزر للجهاز عبر جزء يسمى المخفف (الموهن) (Attenuator) قبل أن يصل إلى العينة.

• المخفف (الموهن)

يجب أن يكون المخفف قادرا على تخفيف شدة الضوء المنبعث من المصدر وفقا لنوع العينة التي يتم اختبارها. يمكن للمخففات الحديثة تغيير كمية الضوء المنبعث من حيث نسبة الإشعاع من 0.0003٪ إلى 100٪ إشعاع.

يتم تحديد دور المخفف عندما تكون شدة الضوء المنتشر من العينة عالية. في هذه الحالة، لا يمكن إجراء الاختبار. على سبيل المثال، في العينات التي تحتوي على تركيز عالٍ أو العينات ذات معدل تشتت الضوء العالي.

وكذلك، في الحالات التي يكون فيها معدل تشتت الضوء أقل من المطلوب، يمكن أن يوفر المخفف الظروف لإجراء اختبار DLS في الوضع المثالي عن طريق تقليل شدة الضوء المنبعث إلى الحجم المناسب وتحسين كمية شدة الضوء المتناثرة من العينة.

• الكويب (Cuvette)

الضوء المنبعث من مصدر الليزر، بعد المرور عبر المخفف، يصطدم عينة الاختبار، التي تم حقنها في مستعلق أو مستحلب في الكويب. الكويب هو أحد أجزاء جهاز DLS الذي يتم فيه سكب العينة. أي يتم وضع العينة في هذا المكان. يمر معظم الضوء الذي يصل إلى الكويب مباشرة دون تغيير الاتجاه.

• الکاشف

يتم تشتيت جزء من الضوء الذي يصل إلى عينة الاختبار ولا يمر عبرها بواسطة جزيئات عينة الاختبار. يستقبل الضوء المبعثر بزاوية 173 درجة، بواسطة الكاشف وهو جزء آخر من أجزاء الجهاز. تتمثل مهمة الكاشف في قياس وتسجيل شدة تشتت الضوء. في الواقع، يتم الحصول على نمط النقاط لاختبار DLS باستخدام الكاشف.

• مقیاس الارتباط

يتم إرسال إشارة كثافة الانتشار، التي يتم تسجيلها كنمط نقطة على الكاشف، إلى مقياس الارتباط. يحسب مقياس الارتباط أيضا معدل الاختلاف في الشدة في أوقات مختلفة من خلال مقارنة شدة التشتت في نطاقات زمنية مختلفة.

• الحاسوب

يتم نقل المعلومات التي تم الحصول عليها إلى الكمبيوتر باستخدام مقياس الاتصال. يقوم الكمبيوتر بتحليل البيانات المرسلة ببرمجيات خاصة. وفي النهاية، يتم عرض المعلومات المطلوبة كتوزيع لحجم الجسيمات.

لبناء العینة الناجحة، یجب النتباه علی ما یلي …

اليوم، يذهب معظم المتقدمين لاختبار DLS لهذه الطريقة لاختبار الجسيمات النانوية. يجب إذابة هذه الجسيمات النانوية في مذيب مناسب (يفضل أن يكون غير الأسيتون) للوصول إلى التركيز المطلوب. إذا لزم الأمر، بمساعدة جهاز التراسونيك، يجب تحضير العينة كمستعلق للاختبار ومن ثم تسليمها إلى المختبر بحجم لا يقل عن 2 إلى 5 مل.

عادة ما يكون الإجراء على هذا النحو أنه إذا حول المتقدمون عملية تحضير العينة للمختبر، فسوف يتلقون حوالي 30٪ من رسوم اختبار DLS. علاوة على ذلك، يجب على مقدم الطلب تزويد المختبر بمعامل الانكسار المطلوب للجسيمات النانوية المرغوبة، بالإضافة إلى معامل الانكسار واللزوجة عند درجة حرارة محددة تم اختيارها للمذيب للمختبر.

يجب ألا تكون عينة اختبار DLS مظلمة تماما ومعتمة حتى يمر شعاع الليزر من خلالها. تجدر الإشارة إلى أنه لا يمكن عادة إجراء اختبار DLS مع المحاليل المسببة للتآكل،والـ pH شديدة الحموضة أو القلوية.

نتائج اختبار  DLS

عادة ما يتم الإبلاغ عن بيانات تحليل DLS في ثلاثة أشكال: الشدة (Intensity) والحجم والعدد. في مخطط الشدة، تم الإبلاغ عن شدة تشتت الضوء من الجسيمات الصلبة. وفقا للتقارير التجريبية، فإن مقدار تشتت الضوء يساوي تقريبا قوة 6 أحجام للجسيمات. لذلك في مخطط الشدة، للجسيمات الأكبر قمم أكبر بكثير من الجسيمات الأصغر.

في مخطط الحجم، يتم عرض حجم الجسيمات بأحجام مختلفة. في هذا الرسم البياني، نسبة حجم الجسيمات ذات الأبعاد المختلفة قابلة للمقارنة. حجم الجسيمات يتناسب تقريبا مع قوتها المكونة من 3 أحجام.

يوضح الرسم البياني الرقمي أيضا توزيع حجم الجسيمات، وهي البيانات الأكثر فائدة والأكثر شيوعا المستخدمة في تحليل DLS. النقطة المهمة في نتائج اختبار DLS هي أن برمجية الجهاز يفترض أن الجسيمات هي كرات.

لكي يعمل اختبار DLS بشكل صحيح، يجب أن تكون جزيئات العينة على شكل كروية.

لذلك، إذا لم تكن جزيئات الاختبار كروية، فلن تكون نتيجة اختبار DLS دقيقة تماما. لاحظوا أنه إذا كانت الجسيمات على شكل قضبان أو صحيفة، فإن نتائج DLS ليست دقيقة جدا وقد يتم اتساع توزيع الحجم أو يمكن رؤية عدة قمم توزيع للحجم في النتائج.

مثال عملي

تتمثل إحدى الطرق البسيطة لوصف الاختلاف في مخططات الحجم والشدة والعدد في الاعتماد على تحليل الجسيمات الكروية التي يبلغ قطرها 50 نانومتر و 5 نانومتر الموجودة بأعداد متساوية. في مخطط التوزيع العددي لهاتين الكتلتين من الجسيمات، يتم الحصول على رسم بياني يحتوي على قمتين (عند 5 و 50 نانومتر) بنسبة 1: 1. إذا تم تحويل هذا التوزيع إلى حجم، فسوف ينتج عن القمتين نسبة 1: 1000 (بسبب صيغة حساب حجم الكرة). إذا تم الاستخراج بطريقة موزعة بقوة، فسيتم الحصول على نسبة 1: 1000000 بين القمتين (لأن شدة التشتت تتناسب مع القطر إلى القوة 6).

محتويات نتيجة تحليل DLS

في معظم المراكز التي لديها جهاز اختبار DLS، تتضمن النتائج المرسلة إلى الباحث، ملفي PDF وإكسل. يحتوي ملف إكسل على بيانات طريقة SBL التحليلية من حيث الشدة وعدد الجسيمات والحجم لهذا التحليل. يعد ملف PDF المقدم أكثر أهمية، والذي سنقوم بدراسة أقسامه في التالي.

القسم الأول: مواصفات تحليل  DLS

يحتوي هذا القسم على مواصفات الجهاز وخصائص العينة، وقد تم تعريف مصطلحاته كما يلي.

• Time interval: يعني الفاصل الزمني. كلما كانت العينة أرق، زاد الحجم. تتراوح القيمة النموذجية لهذه المعلمة بين 1 و 160. يتم تعيين هذه القيمة من قبل المشغل.
• Number of channels: هو عدد قنوات جهاز اختبار DLS.كلما اتسع توزيع الجسيمات، يزداد هذا الحجم.
• Laser power: هي قوة الليزر التي يحددها المشغل. كلما زادت سماكة العينة، يقلل الحجم. غالبا ما يتم الإعلان عن الحجم هذا في شكل نسبة مئوية.
• Wavelength: هو الطول الموجي للجهاز وهو 657 نانومترا بصورة ثابتة.
• DTC Position: موقع منشور الجهاز بالنسبة للعينة. يمكن تغيير هذه المعلمة على حد سواء المنخفضة والعالية وتستخدم في الغالب هلاميا أو العينات المخففة للغاية. حالة منخفضة للعينات الهلامية.
• Angle: زاوية إشعاع ضوء الليزر للعينة والتي تعتبر 135 درجة بصورة ثابتة.
• Refractive index: هو معامل انكسار العينة.
• Viscosity: تدل على لزوجة العينة.

القسم الثاني: تحليل اختبار  DLS

هناك ثلاثة أنواع شائعة من التحليل لنتائج اختبار DLS:

Pade Laplace: هذا التحليل في الغالب للاستخدام الصناعي ويظهر التأثير الكلي للجزيئات ويتضمن المخططات الشريطية.

Cumulants: هذه الطريقة هي طريقة تحليل شائعة تستخدم في الغالب لتحليل العينات ذات الأبعاد التي تزيد عن 200 نانومتر. عادة، ، تُظهر الأبعاد الهيدروديناميكية للجسيمات التي تتكون منها العينة في شكل مخططات التوزيع والتكرار. هذه الطريقة أكثر فائدة للتحليل الواقعي لعينات الأدوية.

SBL: تُحاول هذه الطريقة تقليل خطأ التكتل والأبعاد المتوفرة أقرب إلى حجم الجسيمات الفعلي. هذا التحليل أقرب إلى نتائج مجهر TEM.

تفوق اختبار DLS على TEM في قياس الجسيمات

يتمتع تحليل DLS في قياس حجم الجسيمات بالمزايا التالية على الفحص المجهري TEM (نكرر هذا في قياس حجم الجسيمات!)

• في اختبار DLS، تتناسب الشدة مباشرة مع القوة السادسة لحجم الجسيم ولا تتطلب مزيدا من المقياس.
• على عكس طرق التصوير، حيث يجب أولا تحضير الصورة وحساب الجسيمات وأخيرا الحصول على توزيع حجم الجسيمات، يشير تحليل DLS مباشرة إلى توزيع حجم الجسيمات.
• اختبار DLS هو طريقة غير مدمرة وسريعة.
• يحتوي طريقة DLS على عينات أكثر ملاءمة. لأنه يتم تحليل حجم كبير من العينة وتكون النتائج التي تم الحصول عليها أكثر موثوقية.

مزايا اختبار DLS

• تحليل الجسيمات ذات الأحجام الصغيرة حتى 1 نانومتر
• سرعة الاختبار العالية
• التكرار وموثوقية النتائج
• عدم الحاجة لتحضير صعب
• يتطلب حجم عينة منخفض
• قابلية تحليل العينات الرقيقة
• السعر المناسب

عيوب اختبار  DLS

• صعوبة تحليل نتائج التحليل
• غير مناسب للمحاليل ذات الوزن الجزيئي المنخفض جدا
• غير مناسب للأنظمة الجزيئية ذات خصائص امتصاص عالية
• قابلية تأثير نتائج الاختبار من تكتل الجسيمات
• الخطأ في الناتج في حالة التشتت المتعدد للعينة

استخدامات تحليل  DLS

• الحصول على متوسط ​​حجم الجسيمات في السوائل
• تحديد توزيع حجم الجسيمات
• تحليل سلوك الجزيئات في السوائل وميل التكتل فيها
• دراسة نشاط الدواء في سوائل الجسم
• دراسة كمية لعمليات بولي الببتيد أو DNA
• معالجة الاستقرار الغرواني والتراكم والترسيب في المركب الطليعي
• دراسة توزيع حجم الجسيمات في الردغة
• قياس إمكانية زيتا

جمیع التحلیلات

المصادر و المراجع

Zetasizer Nano User Manual MAN0317 Issue 4.0 May 2008

Pecora, “Dynamic Light Scattering: Applications of Photon Correlation Spectroscopy”, springer 1985.

G.Merkus, “Particle Size Measurements: Fundamentals, Practice, Quality”, Springer, 2009.

Akbari1, M. Pirhadi Tavandashti, and M. Zandrahimi, “Particle Size Characterization of Nanoparticles- a Practical Application”, Iranian Journal of Materials Science & Engineering, 8, 2, (2011).