مبدأ العمل
تعتمد NTA على مبدأين أساسيين: حركة براون وتشتت الضوء. حركة براون هي الحركة العشوائية للجسيمات الصغيرة المعلقة في سائل ناتج عن تصادمها مع جزيئات السائل. تتناسب سرعة حركة براون عكسياً مع حجم الجسيم، أي أن الجسيمات الأصغر تتحرك بشكل أسرع. تقوم NTA بتسجيل مقطع فيديو لحركة الجسيمات النانوية في السائل باستخدام مجهر مزود بكاميرا حساسة. ثم يتم تحليل هذا الفيديو باستخدام برنامج متخصص لتتبع حركة كل جسيم على حدة. من خلال تحليل مسارات حركة الجسيمات، يمكن تحديد معامل الانتشار (Diffusion Coefficient) لكل جسيم، والذي بدوره يستخدم لحساب حجم الجسيم باستخدام معادلة ستوكس-أينشتاين:
D = kT / (3πηd)
- D: معامل الانتشار
- k: ثابت بولتزمان
- T: درجة الحرارة المطلقة
- η: لزوجة السائل
- d: قطر الجسيم
بالإضافة إلى تحديد حجم الجسيمات، يمكن لـ NTA أيضاً تحديد تركيز الجسيمات في العينة من خلال حساب عدد الجسيمات الموجودة في حجم معين من السائل.
مكونات جهاز NTA
يتكون جهاز NTA النموذجي من المكونات التالية:
- مصدر ضوء الليزر: يستخدم لإضاءة الجسيمات النانوية في العينة.
- خلية العينة: حاوية شفافة تحتوي على العينة السائلة.
- مجهر: يستخدم لتكبير صورة الجسيمات النانوية.
- كاميرا حساسة: تسجل مقطع فيديو لحركة الجسيمات النانوية.
- برنامج التحليل: يقوم بتحليل الفيديو لتتبع حركة الجسيمات وحساب حجمها وتركيزها.
إعداد العينة
يعتبر إعداد العينة خطوة حاسمة للحصول على نتائج دقيقة باستخدام NTA. يجب أن تكون العينة متجانسة ومشتتة جيداً لتجنب تجمع الجسيمات، مما قد يؤدي إلى تقدير خاطئ لحجمها. غالباً ما تتطلب العينات تخفيفاً في مذيب مناسب لضمان وجود تركيز مناسب من الجسيمات داخل نطاق القياس الأمثل للجهاز. يجب أيضاً التأكد من أن المذيب المستخدم شفاف ولا يتداخل مع إشارة تشتت الضوء.
مزايا وعيوب NTA
مزايا:
- دقة عالية: توفر NTA معلومات دقيقة حول حجم وتركيز الجسيمات النانوية.
- تحليل فردي للجسيمات: تقوم NTA بتحليل حركة كل جسيم على حدة، مما يسمح بتحديد توزيع حجم الجسيمات بدقة.
- لا تتطلب تخفيفاً كبيراً: يمكن استخدام NTA لتحليل العينات ذات التركيزات العالية نسبياً.
- تطبيق واسع: يمكن استخدام NTA لتحليل مجموعة واسعة من الجسيمات النانوية في مختلف المجالات.
عيوب:
- الحساسية للشوائب: يمكن أن تتداخل الشوائب الموجودة في العينة مع نتائج القياس.
- صعوبة تحليل الجسيمات الصغيرة جداً: قد يكون من الصعب تحليل الجسيمات التي يقل حجمها عن 10 نانومتر باستخدام NTA.
- تكلفة الجهاز: تعتبر أجهزة NTA مكلفة نسبياً.
- تتطلب خبرة في التشغيل والتحليل: يتطلب تشغيل جهاز NTA وتحليل البيانات خبرة فنية.
تطبيقات NTA
تستخدم NTA على نطاق واسع في مختلف المجالات، بما في ذلك:
- علم الأحياء: تستخدم NTA لدراسة الإكسوسومات (Exosomes)، والفيروسات، والبروتينات، والجسيمات النانوية المستخدمة في توصيل الأدوية.
- الطب: تستخدم NTA لتوصيف الجسيمات النانوية المستخدمة في العلاج، والتصوير الطبي، وتشخيص الأمراض.
- علوم المواد: تستخدم NTA لتوصيف الجسيمات النانوية المستخدمة في تصنيع المواد النانوية، والمستحضرات الصيدلانية، ومستحضرات التجميل.
- علوم البيئة: تستخدم NTA لرصد الجسيمات النانوية في البيئة، مثل الجسيمات النانوية الناتجة عن التلوث.
NTA مقابل تقنيات أخرى
هناك العديد من التقنيات الأخرى المتاحة لتوصيف الجسيمات النانوية، مثل:
- تشتت الضوء الديناميكي (Dynamic Light Scattering – DLS): تقنية تعتمد على تحليل تقلبات شدة الضوء المتشتت لتحديد حجم الجسيمات. تعتبر DLS أسرع وأسهل في الاستخدام من NTA، ولكنها أقل دقة في تحليل العينات غير المتجانسة.
- المجهر الإلكتروني (Electron Microscopy – EM): تقنية تستخدم حزمة من الإلكترونات لتكوين صورة للجسيمات النانوية. توفر EM صوراً عالية الدقة للجسيمات، ولكنها تتطلب تحضيراً معقداً للعينة وقد لا تكون مناسبة لتحليل العينات السائلة.
- قياس منطقة المسام الكهربائية القابلة للضبط (Tunable Resistive Pulse Sensing – TRPS): تقنية تعتمد على قياس التغيرات في التيار الكهربائي عند مرور الجسيمات عبر مسام نانوية. توفر TRPS معلومات دقيقة حول حجم وتركيز الجسيمات، ولكنها تتطلب معايرة دقيقة وقد لا تكون مناسبة لتحليل العينات ذات التركيزات المنخفضة.
يعتمد اختيار التقنية المناسبة على طبيعة العينة والمعلومات المطلوبة. تعتبر NTA خياراً جيداً لتحليل العينات السائلة غير المتجانسة عندما تكون الدقة العالية وتحديد توزيع حجم الجسيمات أمراً ضرورياً.
تحسين دقة القياسات
لتحسين دقة القياسات باستخدام NTA، يجب مراعاة ما يلي:
- التحضير الجيد للعينة: يجب التأكد من أن العينة متجانسة ومشتتة جيداً وخالية من الشوائب.
- اختيار المذيب المناسب: يجب اختيار مذيب شفاف ولا يتداخل مع إشارة تشتت الضوء.
- التحكم في درجة الحرارة: يجب الحفاظ على درجة حرارة ثابتة أثناء القياس لتجنب التغيرات في لزوجة السائل.
- المعايرة المنتظمة للجهاز: يجب معايرة الجهاز بشكل منتظم باستخدام جسيمات ذات حجم معروف لضمان دقة القياس.
- تحليل البيانات بعناية: يجب تحليل البيانات بعناية باستخدام برنامج متخصص لتجنب الأخطاء.
تحديات مستقبلية
على الرغم من أن NTA هي تقنية قوية، إلا أن هناك بعض التحديات التي يجب معالجتها لتحسين أدائها وتوسيع نطاق تطبيقاتها. تشمل هذه التحديات:
- تحسين قدرة NTA على تحليل الجسيمات الصغيرة جداً: يتطلب ذلك تطوير أجهزة أكثر حساسية وبرامج تحليل أكثر تطوراً.
- تطوير طرق جديدة لتحضير العينات: يجب تطوير طرق جديدة لتحضير العينات التي تسمح بتحليل العينات المعقدة، مثل العينات البيولوجية.
- دمج NTA مع تقنيات أخرى: يمكن أن يوفر دمج NTA مع تقنيات أخرى، مثل المجهر الإلكتروني، معلومات أكثر تفصيلاً حول خصائص الجسيمات النانوية.
خاتمة
تحليل تتبع الجسيمات النانوية (NTA) هو تقنية قيمة لتوصيف الجسيمات النانوية في السوائل. توفر NTA معلومات دقيقة حول حجم وتركيز الجسيمات، مما يجعلها أداة أساسية في العديد من المجالات العلمية والتكنولوجية. مع استمرار التطورات في تكنولوجيا NTA، من المتوقع أن تلعب هذه التقنية دوراً متزايد الأهمية في المستقبل.