توصيف الجسيمات النانوية باستخدام تقنية جهد زيتا

الاستاذ الدكتوره: ندى يحيى فيروز

ملخص
يُعدّ توصيف الجسيمات النانوية خطوةً حاسمةً لضمان استقرارها وفعاليتها وسلامتها في تطبيقاتٍ متنوعة، بدءًا من توصيل الأدوية وصولًا إلى الهندسة البيئية. ومن بين الطرق التحليلية المختلفة، يبرز قياس جهد زيتا كتقنيةٍ أساسيةٍ لتقييم الشحنة السطحية والخصائص الكهروكينيتيكية للمحاليل الغروية. تستكشف هذه الورقة البحثية مبادئ جهد زيتا، المستندة إلى مفهوم الطبقة المزدوجة الكهربائية. وتناقش كيف تُستخدم قيم جهد زيتا كمؤشرٍ تنبؤيٍّ لاستقرار المحاليل الغروية؛ حيث تشير القيم المطلقة العالية إلى تنافرٍ كهروستاتيكيٍّ قويٍّ، مما يمنع تكتل الجسيمات. علاوةً على ذلك، تدرس هذه الدراسة تأثير العوامل البيئية، مثل الرقم الهيدروجيني والقوة الأيونية وتركيز المواد الخافضة للتوتر السطحي، على قياسات جهد زيتا. ومن خلال تجميع الأبحاث الحالية، تُسلّط هذه المقالة الضوء على مزايا وعيوب جهد زيتا في توصيف الجسيمات النانوية، مُقدّمةً دليلًا شاملًا للباحثين لتحسين التركيبات النانوية لتعزيز أدائها.

١. مقدمة

شهد مجال الطب النانوي تقدماً ملحوظاً في العقود الماضية، سواءً في التصميم أو في نطاق التطبيقات. تُستخدم تقنيات متنوعة لتوصيف الجسيمات النانوية والتنبؤ بمصيرها النهائي في جسم الإنسان، إلا أن التقنية الحالية تواجه تحدياً يتمثل في أن التوصيف غالباً ما يتم في ظروف لا تعكس تعقيد البيئة الفيزيولوجية. علاوة على ذلك، لا تزال الدراسات التي تُجرى على نماذج حيوانية في الجسم الحي تُعتبر إلى حد كبير نهجًا غامضًا، حيث تخضع حركية الدواء وتوزيع الجسيمات النانوية لسلسلة من الأحداث البيولوجية التي يصعب التنبؤ بها في المختبر. ولتسريع تحويل الجهود المخبرية إلى منتج فعال سريريًا، من الضروري أن يستخدم الباحثون منهجيات مناسبة لتوصيف الطب النانوي، وربط آثاره وعواقبه البيولوجية، والتنبؤ بالنتائج العلاجية في المرضى في المراحل المبكرة من تطوير المنتج. يهدف هذا الاستعراض إلى تسليط الضوء على التقنيات الحالية المستخدمة في تقييم الجسيمات النانوية من منظور نقدي، ومناقشة المخاطر المحتملة والتحذيرات، وعرض التقنيات الناشئة التي تستحق اهتمامًا بالغًا من مجال الطب النانوي.
1.1 توصيف الجسيمات النانوية
من أهم المعايير التي تُدرس عند توصيف الجسيمات النانوية: الحجم والشكل. كما يُمكن قياس توزيع الأحجام، ودرجة التكتل، والشحنة السطحية، ومساحة السطح، وتقييم التركيب الكيميائي للسطح إلى حد ما.(1) قد يؤثر الحجم وتوزيعه والروابط العضوية الموجودة على سطح الجسيمات على خصائص أخرى وتطبيقاتها المحتملة. إضافةً إلى ذلك، تُدرس البنية البلورية للجسيمات النانوية وتركيبها الكيميائي بدقة كخطوة أولى بعد تصنيعها. وحتى الآن، لا توجد بروتوكولات موحدة لهذا الغرض. ستؤثر طرق القياس الموثوقة والدقيقة للجسيمات النانوية بشكل كبير على استخدام هذه المواد في التطبيقات التجارية، وستُمكّن الصناعة من الامتثال للوائح. ومع ذلك، توجد تحديات مهمة في تحليل المواد النانوية نظرًا لطبيعة هذا المجال متعددة التخصصات، وعدم وجود مواد مرجعية مناسبة لمعايرة الأدوات التحليلية، والصعوبات المرتبطة بتحضير العينات للتحليل وتفسير البيانات. بالإضافة إلى ذلك، توجد تحديات لم تُحل بعد في توصيف الجسيمات النانوية، مثل قياس تركيزها في الموقع وأثناء الإنتاج، لا سيما في الإنتاج على نطاق واسع، فضلاً عن تحليلها في مصفوفات معقدة. كما ستكون هناك حاجة إلى مراقبة النفايات والمخلفات الناتجة عن الإنتاج الضخم (2). مع توسع نطاق تصنيع الجسيمات النانوية، ستكون هناك حاجة إلى تقنيات قياس كمي أكثر موثوقية. لهذا السبب، من الضروري توصيف المواد النانوية المُحضّرة بعدة طرق إلى أقصى حد. لا نركز فقط على توصيف لب الجسيمات النانوية، بل نركز أيضًا على الروابط السطحية التي تؤثر على الخصائص الفيزيائية. علاوة على ذلك، لا نعرض فقط التقنيات التي يمكن تصنيفها على أنها “شائعة”، بل نعرض أيضًا أمثلة على تقنيات التشغيل الحديثة في الموقع المستخدمة لمراقبة حركية تكوين الجسيمات النانوية ودراسة العيوب المُتحكّم بها التي تؤثر على خصائص الجسيمات النانوية بشكل حاسم، وذلك من خلال بعض التطورات الحديثة في هذا المجال.

1.2. جهد زيتا
على مدى العقود القليلة الماضية، أصبحت قياسات جهد زيتا طريقةً مهمةً لتوصيف وظائف سطح الجسيمات المشتتة أو استقرارها. ينصبّ التركيز الرئيسي لتحليل جهد زيتا على الحصول على معلومات حول الشحنة السطحية للمادة. تتراوح هذه المواد من الجسيمات النانوية الغروية (3) إلى الأسطح الكبيرة كالأغشية (4) أو رقائق السيليكون. تشرح هذه المقالة النظرية الكامنة وراء جهد زيتا، وتوضح سبب اعتماده على قيمة الرقم الهيدروجيني والقوة الأيونية للوسط، وتصف التقنيات المستخدمة في تحليل جهد زيتا.

1.2.1 ما هو جهد زيتا؟

يُعرف جهد زيتا (أو الجهد الكهروكينيتيكي) بأنه الجهد الذي ينشأ على سطح أي مادة عند ملامستها لوسط سائل. لذا، فهو خاصية سطحية، ويُقاس عادةً بوحدة الميلي فولت.

عند ملامسة مادة لسائل، تتفاعل المجموعات الوظيفية على سطحها مع الوسط المحيط. تُؤدي هذه العملية إلى شحنة سطحية تجذب تراكم الأيونات ذات الشحنة المعاكسة. تترتب هذه الأيونات المضادة تلقائيًا في ما يُسمى بالطبقة المزدوجة الكهروكيميائية. يُعرَّف جهد زيتا بأنه مجموع الشحنة السطحية الأولية والطبقة المتراكمة.

يجب مراعاة ما يلي عند الحديث عن جهد زيتا:

لا يوجد جهد زيتا إلا عند ملامسة المادة لسائل. وهو يُمثل صافي الشحنة الفعالة في هذه الحالة.

يمكن قياس جهد زيتا على الأسطح الكبيرة (مثل الأغشية، والشعر، والبوليمرات) وكذلك على الجسيمات المنتشرة في سائل (مثل الغرويات، والجسيمات النانوية (5)، والليبوسومات). يُعتبر كلا النوعين “مادة”. ومع ذلك، يُعد التمييز بينهما مهمًا لاختيار التقنية المناسبة لقياس جهد زيتا.

تلعب خصائص الوسط السائل دورًا هامًا في تكوين جهد زيتا، الذي يعتمد بشكل كبير على قيمة الرقم الهيدروجيني أو تركيز المحلول المنظم.

يمكن ملاحظة الشحنة السطحية للمواد الصلبة (السطح البيني بين المواد الصلبة والسائلة) وكذلك قطرات السوائل (السطح البيني بين السوائل).
1.2.2 أهمية جهد زيتا
يوفر قياس جهد زيتا معلومات حول وظائف السطح، واستقرار الجسيمات المنتشرة، بالإضافة إلى تفاعل المركبات المذابة مع السطح الصلب.
لذا، يُعد جهد زيتا للأسطح الكبيرة مهمًا لفهم سلوك المواد الصلبة في العديد من العمليات التقنية التي تلعب فيها الأنظمة المائية دورًا، مثل الأغشية (6) لمعالجة المياه، والمواد الحيوية الملامسة للدم، أو المعالجة الرطبة لرقائق أشباه الموصلات. تساعد معرفة جهد زيتا للمادة على تحسين عمليات تعديل السطح المحددة لضمان أفضل أداء للمادة عند استخدامها.
يُعد جهد زيتا للجسيمات مؤشرًا رئيسيًا على استقرار التشتت الغرواني، مثل الجسيمات النانوية (7) أو الليبوسومات، لأنه يعكس قدرة الجسيمات على التنافر الكهروستاتيكي. عمليًا، يُعتبر أن قيم جهد زيتا المطلقة التي تزيد عن ± 30 ملي فولت تدل على تشتت مستقر. يشير مقدار جهد زيتا فقط إلى استقرار العينة، بينما تُحدد إشارة جهد زيتا ما إذا كانت الشحنات الموجبة أو السالبة هي السائدة على السطح. عند قيم أقل من ± 30 ملي فولت، تكون عمليات مثل التكتل والترسيب والتلبد أكثر احتمالًا.

1.2.3 الطبقة المزدوجة الكهروكيميائية
تكوّن الشحنة السطحية
عندما يتلامس سطح صلب مع وسط مائي، يتكوّن شحنة سطحية ينتج عنها جهد سطحي Ψ0. يحدث تكوّن الشحنة نتيجةً لـ
تفاعلات المجموعات الوظيفية أو
امتصاص الأيونات من المحلول.
يعتمد تكوّن الشحنة الناتج عن تفاعل المجموعات الوظيفية على المجموعات السطحية الحمضية والقاعدية. تتفكك المجموعات الحمضية، مثل حمض الكربوكسيل أو حمض السلفونيك، عند ملامستها للماء، أي يتحرر أيون الهيدروجين (H+) في الماء المحيط، ويكتسب السطح شحنة سالبة. تتأين المجموعات القاعدية، مثل مجموعات الأمين، عند ملامستها للماء، أي أن السطح يكتسب شحنة موجبة (الشكل 1). يعتمد توازن التفكك والتأين بشدة على قيمة الرقم الهيدروجيني للوسط السائل، وبالتالي يؤثر بشكل كبير على الشحنة السطحية المتكونة للمادة، ومن ثم على جهد زيتا. (8)
الشكل 1: رسم تخطيطي لتكوين الشحنة عند السطح البيني بين المادة الصلبة والسائلة لسطح مادة محبة للماء ذات مجموعات وظيفية حمضية أو قاعدية.

Reference
-1 C. Minelli, talk on ‘Measuring nanoparticle properties: are we high and dry or all at sea?’ at ‘Nanoparticle Characterisation – Challenges for the Community’ event – IOP (Institute of Physics), book of abstracts, July 2016, London.
-2 P. Dobson, talk on ‘NPs: What do we need to know and can we measure everything we need to?’ at ‘Nanoparticle Characteri sation – Challenges for the Community’ event – IOP (Institute of Physics), book of abstracts, July 2016, London.
3-Anton Paar. (n.d.) Faster, More Sensitive Zeta-Potential Measurements with cmPALS and the Litesizer™ 500. (https://www.anton-paar.com/?eID=documentsDownload&document=58054) [January 24 2019].
4- Bellmann, C., Caspari, A., Moitzi, C., Fradler, C., Babick, F. (2018) DLS & ELS Guide.
5- Luxbacher, T. (2014) The Zeta Guide. (https://www.anton-paar.com/corp-en/the-zeta-guide/)
6- R. J. B. Pinto et al., Materials 2020, 13, 1076 .
7-N. Goubard-Bretesché et al., Chem. Eur. J. 2019, 25, 6189–6195 .
8- N. Goubard-Bretesché et al., Mater. Chem. Front. 2019, 3, 2164–2174.