مقدمهروش رس��وب دهی چرخش��ی ديفرانس��یلی يا DCS 1، روش��ی جديد و نوآورانه و در عین حال ساده است که در سال های اخیر تولدی تازه پیدا کرده اس��ت. امروزه با اس��تفاده از پیشرفت های اخیر فناوری، بر سختی ها و محدوديت هايی که روش ته نشینی داشت، غلبه و تعدادی دستگاه مناس��ب طراحی شده است. روش DCS، ابزاری قدرتمن��د در اندازه گیری توزي��ع اندازه ذرات تا حدود 2 نانومتر است. قابلیت منحصربه فرد اين روش اين است که مدل های توزيع اندازه ذرات را با دقت بس��یار بااليی حل می کند و تغییرات بس��یار کوچک را در ان��دازه و توزي��ع اندازه ی ذرات، تش��خیص می ده��د و به همی��ن دلیل محبوبیت عمومی يافته است. محدوده ی کاری اي��ن روش از ح��دود 2 نانومتر ت��ا 80 میکرون است )محدوده ی دقیق به چگالی وابسته است(. به هرحال، مزايای متنوع و واقعی آن، گذشته از اين که س��نتی هستند و در اصطالح، روش های تعیی��ن اندازه ي نانوذرات نام دارند، به طور کلی

در مح��دوده ای کمتر از 300 نانومتر اس��تفاده می شوند.

امروزه روش DCS بس��یار دقی��ق، تکرارپذير، سريع و آسان است و در يک بار اجرا، می تواند تا 40 نمونه را، به صورت هم زمان مورد اندازه گیری قرار ده��د. اي��ن روش همچنی��ن می تواند در زمانی که نمونه دارای گستره ي بزرگی از توزيع اندازه ذرات است، speed ramping انجام دهد و حت��ی می تواند ذرات معلق بدون چگالی، يعنی ذرات��ی با چگالی بس��یار کم تا متوس��ط که در

نمونه پراکنده شده اند، را اندازه گیری کند.

DCS تئوری روشمدت زيادی اس��ت که از رسوب دادن ذرات از درون ي��ک مايع برای تعیین توزيع اندازه ذرات استفاده می شود. از قانون استوکس برای تعیین توزيع نامش��خص ذرات کروی ش��کل اس��تفاده می ش��ود؛ بدي��ن صورت ک��ه زمان م��ورد نیاز برای ته نش��ین شدن اين ذرات در يک فاصله ي مش��خص درون مايع��ی، ب��ا غلظ��ت و چگالی

مش��خص، اندازه گیری می ش��ود. عمل رسوب می تواند هم به صورت عادی و با نیروی جاذبه ي زمین )1g( و هم با اس��تفاده از چرخش با دور باال2 و تولید نی��روی جاذبه ای چند برابر نیروی جاذبه ي عادی، انجام ش��ود. در يک آزمايش با اس��تفاده از چرخش با دور باال که سرعت و دما ثابت است، همه ي متغیرهای معادله به جز زمان در انجام آزمايش، ثابت هستند و مقادير آنها يا ش��ناخته شده هس��تند و يا با دقت بااليی قابل اندازه گیری می باش��ند. در گستره ي وسیعی از شرايط آزمايش، با اس��تفاده از صورت ويرايش شده ي معادله ي استوکس، قطر ذرات کروی بر اس��اس زمان رسیدن آنها به شناساگر، محاسبه می ش��ود. از اي��ن رو، با توجه به يک اس��تاندارد مش��خص و قاب��ل ردگی��ری، مقی��اس زمان را می ت��وان ب��رای تعیین اندازه ی ذرات اس��تفاده

کرد.V=D2(ρP-ρF)G/18ηD: The particle diameter (cm)ρP: Particle density (g/ml)

15سال دهم خرداد90 شماره 3 پياپي164

DCS مقدمه ای بر تعیین اندازه ذرات با روش

آیا اندازه واقعی نانوذرات خود را می دانید؟

مقـاالت

Analytik نویسنده: دكتر هيران وگاد، شركتمترجم: مجتبی نسب1

1. شبکه آزمايشگاهي فناوري نانو

ρF: The fluid density (g/ml)G: The gravitational acceleration (cm/sec2)η: The fluid viscosity (poise)

DCS طراحی دستگاهساختار رايج دس��تگاه های DCS بدين صورت اس��ت که يک صفحه ي گرد شفاف وجود دارد ک��ه در مرک��ز آن روزن��ه ای ايجاد شده اس��ت. اين صفح��ه به يک موتور وصل شده اس��ت که می تواند با سرعت های مختلفی بچرخد. شمايی کلی از س��طح مقطع اين صفحه در ش��کل )6( نشان داده شده اس��ت. پرتوي شناساگر معموالً نوری تک رنگ است که طول موج آن به نسبت کم اس��ت، در حدود 400 ت��ا 500 نانومتر، که

اي��ن امر موجب افزايش حساس��یت شناس��اگر می شود؛ به ويژه زمانی که برای اندازه گیری ذرات

کوچک تر از 100نانومتر استفاده شود.

برای آماده س��ازی دس��تگاه ب��رای آنالیز، ابتدا س��رعت چرخش صفحه ثابت می شود و سپس مخزن آن از مايعی پر می ش��ود که دارای شیب

DCS مزایای

ش��ماری از مزايای مختلف با روش DCS همراه شده اس��ت که در اين بخش شرح داده خواهند شد:

قابليت شناسایی با دقت بسيار باال: شناسايی و اندازه گیری تحلیل پیک هايی با اختالف اندازه ای به میزان

2درصد )شکل1(؛ حساسيت باال:

شناسايی و اندازه گیری تغییرات بسیار کوچک و دقیق در توزيع اندازه ذرات با ايجاد پیک های اضافه )شکل2(؛

نتایج دقيق، قابل اطمينان و تکرارپذیر: کالیبراسیون و قابلیت رديابی از استانداردهای اندازه گیری اندازه ذرات

در NIST )شکل3(؛قابل مقايسه بودن نتايج با تصاوير و بررسی های میکروسکوپی، به ويژه

میکروسکوپ الکترونی روبشی )شکل4(؛بررسی های کمی برای دستیابی به توزيع عددی و وزنی )شکل5(.

شکل 1

شکل 2

شکل 3

شکل 4

شکل 5

شکل 6

سال دهم خرداد90 شماره 3 پياپي164 16

مقـاالت

غلظت ناچیزی اس��ت. زمانی ک��ه نمونه اي )در حدود 100میکرولیتر و با استفاده از يک سرنگ کوچک( تزريق می شود، به پشت سطح داخلی صفحه برخورد می کند و براساس شتاب شعاعی که در اثر چرخش صفحه به آن وارد می شود، از میان مايع روی س��طح عبور می کند و سطح را می پوشاند. زمانی که نمونه با سطح مايع تماس

پیدا می کند، رسوب ذرات آغاز می شود.تزريق نمونه س��ريع )معم��والً در زمانی کمتر از 50 میل��ی ثانی��ه( انجام می ش��ود، بنابراين، زمان ش��روع آنالیز به خوبی مشخص است و در نتیجه دقت زمان رسوب دهی بسیار خوب است. زمانی که يک آنالیز کامل می شود، دستگاه برای نمونه ي بعدی آماده اس��ت و نی��ازی به تخلیه

و يا تمیز کردن س��انتريفیوژ نیس��ت و بنابراين نمونه های زيادی را می توان در يک بار اس��تفاده از دستگاه بررس��ی کرد، بدون اين که نیاز باشد

که سانتريفیوژ متوقف شود.پیشرفت های انجام شده در طراحی دستگاه های جديد، سانتريفیوژهايی رومیزی با توان 24000 دور ب��ر دقیقه را ايجاد کرده اس��ت. اين قابلیت زمان آنالیز را حتی برای آنالیز نانوذرات بس��یار ري��ز نیز بس��یار کاه��ش می دهد. ب��رای مثال، داده های مربوط به ويروس در DNA که موجب بیماری های تنفس��ی می ش��ود، در ش��کل های )9( و )10( نش��ان داده شده اس��ت. اين داده ها در زمان��ی کمتر از 10 دقیقه ب��رای هر نمونه،

به دست آمده است.

امروزه صفحات و روش های خاصی وجود دارد که امکان تغییر سرعت صفحه را در زمان انجام آزمايش فراهم س��اخته است. اين قابلیت زمانی مفید اس��ت که به عنوان مث��ال، نمونه ای دارای ذرات به نس��بت بزرگی باشد که همراه نانوذرات بايد اندازه گیری ش��وند. با اس��تفاده از دور آرام در ابت��دای آنالی��ز، ذرات بزرگ ت��ر اندازه گیری می شوند؛ سپس سرعت افزايش داده می شود تا حدی که بتوان نان��وذرات را در يک مدت زمان

قابل قبول اندازه گیری کرد.ام��روزه صفحات به صورتی طراحی و س��اخته می ش��وند که بتوانند آنالیزهای بس��یار سخت گذش��ته را به راحتی انجام دهن��د. برای مثال، وقتی که چگالی ذرات کمتر از متوسط آنچه که

کاربردهای ویژه

در اين بخش، کاربردهايی از دس��تگاه DCS ارايه می ش��ود که بسیار مفید و ويژه هستند.

حل كردن توده ها و آگلومره ها: مخلوطی از ويروس های DNA در تولید بیماری های تنفسی )شکل 9( و ذرات توده شده ي همان ويروس )شکل 10(، به راحتی قابل شناسايی

هستند، همان گونه که در اينجا نشان داده شده است؛ تعيين مشخصات پوشش هایی از نانوذرات:

قابلیت نشان دادن و يا اندازه گیری ضخامت اليه را دارد )شکل 11(؛ تعيين توزیع اندازه ي تخلخل:

اين دستگاه قابلیت اندازه گیری فیلترهای 0/4 میکرون را با استفاده از يک الستیک استاندارد دارد )شکل 12(؛

دنبال کردن آزمايش های شکست سلول )شکل 13(؛

شکل 9

شکل 10

شکل 11

شکل 12

شکل 13

17سال دهم خرداد90 شماره 3 پياپي164

توزيع شده است باشد، تمايل آنها به شناور بودن، بیشتر از رسوب کردن است. با استفاده از ترکیبی از صفح��ات وي��ژه ای با چگالی پايی��ن، واژگون کردن موقعیت شناس��اگر، چنین نمونه هايي را

می توان به آسانی مورد اندازه گیری قرار داد.شکل )7(، صفحه ي سانتريفیوژ درون دستگاه را نش��ان می دهد که منبع نور شناساگر بیرون آن قرار دارد. شکل )8(، همان صفحه را در حال چرخش و انجام آنالیز نش��ان می دهد. نوارهايی که به صورت واضح از هم جدا ديده می شوند، از ذرات با اندازه های مختلف تشکیل شده اند که به

شناساگر نزديک می شوند.

روش كاردر مرحل��ه ي اول، يک طیف چگالی مناس��ب درون يک صفحه ي سانتريفیوژ آماده ي چرخش ايج��اد می ش��ود. مايع م��ورد اس��تفاده در اين مرحل��ه بايد با مايعی که نمونه داخل آن توزيع

شده است، هم خوانی داش��ته باشد. رايج ترين و س��اده ترين مايع مورد اس��تفاده، محلول قند3 است. اگر نمونه در يک بافر باشد، محلول قندی ساخته ش��ده در بافر مش��ابه، مناسب ترين مايع اس��ت. از محلول های آلی، روغن های معدنی و گیاهی نیز می توان ب��رای آنالیز نمونه های غیر

آبی استفاده کرد.در مرحل��ه ي دوم، ي��ک نمون��ه ي اس��تاندارد کالیبراس��یون با غلظت و اندازه ي مش��خص، به عن��وان مثال، نمونه ي دانه های پلی اس��تايرن با توزيع يکنواخت با قابلیت ردگیری در استاندارد (NIST) ، ب��ه دس��تگاه تزريق می ش��ود تا زمان اندازه گیری ان��دازه ي ذرات را کالیبره نمايد. در اين زمان، دس��تگاه برای تزري��ق نمونه ها آماده

است.معم��والً در حدود 100 میکرولیتر از هر نمونه تزريق می ش��ود. در حالت ع��ادی، بیش از 40 تزري��ق 100 میک��رو لیتری ب��رای يک صفحه

قاب��ل انجام اس��ت و پ��س از آن نیاز اس��ت تا فرايند آماده س��ازی صفحه از ابتدا انجام شود. از نمونه بردارهای خ��ودکار، مانند آنهايی که برای تزري��ق نمون��ه در دس��تگاه های کروماتوگرافی انجام می دهند، نیز می توان به همراه دس��تگاه DCS اس��تفاده ک��رد. طیف غلظت ايجاد ش��ده روی صفحه، تا 72 ساعت پايدار است؛ از اين رو، می توان دس��تگاه را در ابتدای ي��ک روز کاری تنظیم و کالیبره نمود و س��پس دس��تگاه را با ترکیبی از نمونه های مورد بررس��ی و نمونه های استاندارد کالیبراسیون راه اندازی کرد تا در زمان الزم، نمونه ي مورد نیاز به دستگاه تزريق شود.

به طور خالصه، فرايند عادی استفاده از دستگاه DCS به صورت زير است:

1 تنظیم س��انتريفیوژ در سرعت مورد نیاز، بر اساس اندازه و چگالی ذرات )معموال با استفاده

از پیش فرض های موجود در نرم افزار دستگاه(؛2 پرکردن مخزن دستگاه از مايع مناسب برای

ايجاد طیف غلظت الزم؛3 کالیبره ک��ردن دس��تگاه با تزري��ق نمونه ي

استاندارد کالیبراسیون؛4 تزريق نمونه ها.

خالصهروش رسوب دهی چرخشی ديفرانسیلی، ابزاری بسیار قدرتمند برای تعیین مشخصات ذرات با دقت ب��اال، به ويژه در مح��دوده ي اندازه ذره ي بین 2 نانومتر تا 10 میکرون، است. اين روش، امکان تعیین توزيع اندازه ي ذرات با اندازه های مختل��ف را با خطای کمت��ر از 2 درصد فراهم می کند و از اين رو، تفاوت اندازه ها، تغییرات و جابجايی های بسیار کوچک با دقت و به صورت تکرارپذير، شناس��ايی و اندازه گیری می ش��وند. روش جدي��دی که برای اندازه گیری ذرات نادر با چگالی های پايین و ش��ناور، در اين مقاله به آن اشاره ش��د، تنها اش��اره به محدوديت های ) DC24000 مدل CPS مورد استفاده در این مقاله )سانترفيوژ صفحه ای DCS شکل 19. نماي دستگاه

شکل 8شکل 7

سال دهم خرداد90 شماره 3 پياپي164 18

مقـاالت

قبلی روش DCS بوده است. پیشرفت های اخیر در ساخت دستگاه، موارد اشاره شده در مطالب منتشر ش��ده ي قبلی در مورد اس��تفاده از اين روش، مانند س��هولت استفاده، س��رعت انجام آزمايش، دقت و قابلیت اندازه گیری چند نمونه،

را پوشش می دهد.دس��تگاه DCS م��ورد اس��تفاده در اين مقاله، DC24000 م��دل CPS س��انترفیوژ صفحه ای

بوده است )شکل 19(.

کاربردهای عمومی

کاربردهای گس��ترده ای برای استفاده از روش DCS وجود دارد که در اين بخش، تعدادی از موارد رايج آن آورده شده است.

1 علوم دارویی و زیست شناسی: ويروس ها و ذرات شبه ويروس؛

سلول ها و برش های سلولی )کشاورزی(؛ خوشه های پروتئین )شکل 14(؛

چربی ها؛ میکرو داروهای کپسوله شده؛

2 شيمی: شیرابه ها و الستیک های پلیمری؛

توزيع SiO2 )شکل 15(؛ بتونه ها )CaCO3، خاک رس، سولفات های باريم و غیره(؛

همه ي انواع ساينده ها )مانند الماس( )شکل 16(؛ نانولوله های کربنی؛

نقاط کوانتومی )شکل 17(؛3 چاپ و رنگ آميزی:

رنگ دانه ها )با پايه ي آب يا روغن(؛ رنگ های پوشش دهنده ي غلیظ میکروفیبری؛

پودرهای چاپگرها و دستگاه های کپی؛ جوهرهای چاپگرهای جوهر افشان؛

شکل18 دو توزيع اندازه ذره را نشان می دهد که مقداری هم پوشانی دارند. اين دو نمودار مربوط به جوهرهای زرد و آبی هستند که در شکل مشخص است. پیک کوچکی که در انتهای نمودار مربوط به جوهر آبی ديده می شود، بیانگر اين واقعیت است که احتمال ايجاد مشکل مسدود

شدن نازل چاپگر در استفاده از اين جوهر وجود دارد؛ کربن سیاه؛

اکسید مغناطیسی آهن؛

شکل 14

شکل 15

شکل 16

شکل 17

شکل 18

منبع1. Dr Hiran Vegad, Analytik Ltd, "An

introduction to particle size characteri-sation by DCS: Do you know the real

size of your nano particles?"Analytik Ltd, CPS-Instruments Europe,

پي نوشت1. Differential centrifugal sedimenta-

tion (DCS)2. Centrifugal3. Sucrose

19سال دهم خرداد90 شماره 3 پياپي164