Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ nano, vật liệu nano cho thấy tiềm năng ứng dụng to lớn trong nhiều lĩnh vực như y sinh học, xúc tác, thiết bị điện tử, bảo vệ môi trường và dần dần thâm nhập vào cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Hạt nanoNó thường nằm trong khoảng 10-1000 nm, cho phép chúng thể hiện các đặc tính vật lý, hóa học và sinh học rất khác so với các vật liệu vĩ mô truyền thống. Những đặc tính này làm cho các hạt nano có giá trị ứng dụng tuyệt vời trong các lĩnh vực y sinh học như phân phối thuốc, chẩn đoán, điều trị. Do đó, đặc tính của các hạt nano đã trở thành một liên kết quan trọng trong nghiên cứu vật liệu nano, phân tích chính xác kích thước hạt, số lượng, nồng độ, hình thái, đặc tính bề mặt và tính chất điện không chỉ giúp hiểu sâu hơn về mối quan hệ cấu trúc và hiệu quả của chúng, mà còn cung cấp cơ sở khoa học để phát triển các công nghệ nano mới và tối ưu hóa các ứng dụng hiện có. Theo các nguyên tắc và thuật toán khác nhau, các phương pháp mô tả kích thước hạt nano khác nhau sẽ cung cấp cho người dùng nhiều kết quả dữ liệu, bài viết này sẽ mô tả chi tiết các dữ liệu và ý nghĩa tham số quan trọng hơn trong các thí nghiệm mô tả hạt nano.

01

Chìa khóa liên quan đến kích thước hạttham số

Kích thước hạt trung bình(Kích thước trung bình) ：

Kích thước hạt trung bình đề cập đến sự phân bố trung bình của tất cả các kích thước hạt trong mẫu và đại diện cho kích thước chung của mẫu. Tính toán thường được thực hiện bằng cách sử dụng trung bình số học, tức là tổng kích thước hạt của tất cả các hạt được phát hiện chia cho tổng số hạt. Nó là một tham số đặc trưng quan trọng của phân phối hạt, nhưng trong các hệ thống đa phân tán, nó dễ bị ảnh hưởng bởi các hạt và phạm vi phương pháp phát hiện (LOD) và do đó chỉ có thể được tham chiếu như một ước tính sơ bộ.

Công thức:

Trong số đó,Đối với kích thước hạt của mỗi hạt,nLà số hạt.

Độ lệch chuẩn kích thước hạt (StdDev Size):

Độ lệch chuẩn kích thước hạt (Standard Deviation - STD) là một chỉ số để định lượng mức độ phân bố kích thước hạt rời rạc, cho biết mức độ lệch kích thước hạt so với giá trị trung bình của nó. Độ lệch tiêu chuẩn lớn hơn có nghĩa là sự thay đổi lớn hơn về kích thước hạt và tính đa phân tán của mẫu càng cao. Độ lệch chuẩn thường được tính toán dựa trên sự phân bố kích thước hạt của các hạt và có thể phản ánh tính đồng nhất của sự phân bố kích thước hạt.

Công thức:

Trong số đó,Là kích thước hạt của từng hạt,Là kích thước hạt trung bình của hạt.

Kích thước hạt tập trung(Kích thước chế độ) ：

Kích thước hạt tập trung là giá trị kích thước hạt xuất hiện thường xuyên nhất trong phân bố kích thước hạt của mẫu. Nó đại diện cho kích thước hạt phổ biến nhất trong phân phối hạt. Kích thước hạt tập trung phản ánh nhiều hơn các nhóm hạt chính trong mẫu so với kích thước hạt trung bình. Trong các mẫu phân tán đơn cao, kích thước hạt tập trung thường rất gần với kích thước hạt trung bình.

Kích thước hạt trung bình(Kích thước trung bình) ：

Chiều dày mối hàn góc (D₅₀Trong phân bố hạt, một nửa kích thước hạt lớn hơn giá trị này và nửa còn lại nhỏ hơn kích thước hạt của giá trị này. Nó là giá trị trung tâm của phân phối kích thước hạt và có thể phản ánh tốt hơn các đặc điểm điển hình của phân phối kích thước hạt, đặc biệt thích hợp cho các mẫu phân phối không đối xứng hoặc đa đỉnh.

D₅₀củaÝ nghĩa vật lý: Tức là thể tích (số lượng) của các hạt lớn hơn hoặc nhỏ hơn đường kính này chiếm 50% tổng thể tích (tổng số) của các hạt.

D₉₀ ：

D₉₀Có nghĩa là trong phân bố kích thước hạt, 90% thể tích hạt (số lượng) nhỏ hơn kích thước hạt này. Đặc biệt là trong các hệ thống đa phân tán,D₉₀VớiD₁₀Các giá trị tương đối, đại diện cho một phần lớn hơn của phân phối hạt và thường liên quan đến kích thước tối đa của hạt (Max Size). Cũng thường viếtD_v0.9hoặcD_V09。

D₁₀ ：

D₁₀Chỉ ra rằng trong phân bố kích thước hạt, 10% thể tích hạt (số lượng) nhỏ hơn kích thước hạt này. VớiD₉₀Giá trị tương đối,D₁₀Nó đại diện cho một phần nhỏ hơn của phân bố hạt và thường liên quan đến kích thước tối thiểu của hạt (Min Size). Cũng thường viếtD_v0.1hoặcD_V01。

Ngoài ra, còn có thể dùngD₀₃vàD₉₇Đợi để biểu thị tình hình phân bố của các hạt.D₀₃hoặcD_v03Các hạt đại diện cho đường kính nhỏ hơn này chiếm 3% tổng thể tích (số lượng) của các hạt, v.v.

Chiều dày mối hàn góc (Span) ：

Span (Span) là một tham số được sử dụng để định lượng chiều rộng phân phối kích thước hạt, phản ánh mức độ phân tán của kích thước hạt.Nó đi quaD₉₀、D₅₀vàD₁₀Để tính toán, thường được sử dụng trong trường hợp mô tả sự phân bố kích thước hạt không đều.Giá trị span càng lớn cho thấy sự phân bố kích thước hạt càng rộng và mẫu càng không đồng đều.

Công thức:

Trong số đó,D₉₀、D₁₀vàD₅₀Số lượng hạt tương ứng là 90%, 10% và 50% nhỏ hơn kích thước hạt này.

Hệ Trung cấp (Hệ số phân tán) ：

Hệ số phân tán được sử dụng để mô tả định lượng mức độ phân tán của từng thành phần trong mẫu hạt đa phân tán hoặc phân phối không đồng đều, và thích hợp hơn để biểu thị sự phân bố của các thành phần riêng lẻ trong mẫu đa phân phối. Hệ số phân tán thường được sử dụng cùng với độ lệch chuẩn kích thước hạt và có thể mô tả hiệu quả phân tán của các hạt tốt hơn.

Mô tả thuật toán: sau khi nhận được phân phối thực tế của mẫu; Nếu mẫu là mẫu hỗn hợp nhiều đỉnh, thì phân tích nhiều bộ phân bố. Tỷ lệ giữa giá trị STD (độ lệch chuẩn kích thước hạt) và kích thước hạt trung bình của thành phần này được tính riêng cho từng nhóm phân phối, và tỷ lệ lớn nhất trong các nhóm được lấy là giá trị của hệ số phân tán.

Hệ số phân tán cũng có thể được sử dụng kết hợp với tham số span, hệ số phân tán tốt hơn để phân tích độ phân tán của mẫu, đặc biệt là trong trường hợp đa phân phối, hệ số phân tán có thể mô tả chính xác hơn tình trạng phân tán của mẫu, không bị ảnh hưởng bởi đa phân phối; Khi sử dụng có thể chọn cả hệ số phân tán và giá trị span để đánh giá tổng hợp tình hình mẫu. Trong trường hợp phân phối đơn, hệ số phân tán và span chỉ là các hình thức mô tả khác nhau, chọn một trong số chúng làm tham chiếu.

02

Về hạtSố nồng độThông số chính

Hệ số pha loãng (Dilution factor):

Multiple pha loãng đề cập đến mối quan hệ tỷ lệ giữa mẫu ban đầu và thể tích dung dịch sau khi pha loãng khi mẫu được pha loãng trước khi thử nghiệm. Nó được sử dụng để đảm bảo rằng thiết bị kiểm tra hoạt động trong phạm vi phát hiện thích hợp của nó, trong khi tránh sự can thiệp của các hạt chồng chéo hoặc nhiều hiệu ứng do nồng độ quá cao. Trong đặc tính hạt nano, bội số pha loãng là một trong những thông số chính để tính toán nồng độ của mẫu ban đầu.

Điều quan trọng cần lưu ý là lỗi có thể được giới thiệu trong quá trình pha loãng, vì vậy cần phải sử dụng công cụ pipet chính xác và trộn đều mẫu để đảm bảo tính đồng nhất của pha loãng.

Số lượng hạt thử nghiệm (Particle number):

Số lượng hạt ở đây đề cập cụ thể đến tổng số hạt nano được phát hiện trong một thử nghiệm, thường là kích thước mẫu được ghi trực tiếp bằng thiết bị và được sử dụng để phân tích thống kê. Tham số này phản ánh số lượng hạt tham gia vào phép đo trong mẫu thực tế được thử nghiệm trong quá trình thử nghiệm và là cơ sở quan trọng để tính toán nồng độ hạt. Số lượng hạt cao và thấp là rất quan trọng đối với phân tích dữ liệu hạ lưu: mẫu nồng độ thấp: không đủ số lượng hạt có thể dẫn đến lỗi thống kê; Mẫu nồng độ cao: Quá nhiều hạt có thể gây chồng chéo hạt hoặc giảm hiệu quả phát hiện.

Trong các ứng dụng thực tế, số lượng hạt thường được tính toán hoặc đo bằng:

• Cảm biến xung điện trở (RPS): Các hạt đơn được phát hiện và đếm từng cái một, vì vậy số lượng hạt có nguồn gốc trực tiếp từ hồ sơ thử nghiệm;
• Phương pháp tán xạ ánh sáng động (DLS): ước tính gián tiếp nồng độ hạt;
• Microimaging: đếm số lượng hạt bằng phân tích hình ảnh;
• Trong các phương pháp thử nghiệm khác, số lượng hạt cũng có thể được tính bằng dụng cụ, kết hợp với thể tích mẫu để xác định nồng độ.
  
  

Nồng độ kiểm tra (Concentration):

Nồng độ thử nghiệm (tức là nồng độ mẫu trên) đề cập đến nồng độ thực tế của mẫu pha loãng tại thời điểm thử nghiệm. Đó là nồng độ được sử dụng để phát hiện dụng cụ bằng cách phân tán các hạt nano trong dung môi và sau khi pha loãng thích hợp, là giá trị nồng độ được đo trực tiếp trong thí nghiệm, thường được biểu thị bằng số lượng hạt (ví dụ particle/mL) hoặc khối lượng (ví dụ mg/mL).Phạm vi của nồng độ thử nghiệm phản ánh độ nhạy và độ chính xác của các phép đo bằng thiết bị, nồng độ quá cao có thể dẫn đến chồng chéo hoặc chặn các hạt, trong khi nồng độ quá thấp có thể dẫn đến tỷ lệ tín hiệu nhiễu không đủ.

Công thức:

Trong số đó,C_{thử nghiệm}Biểu thị nồng độ thử nghiệm,N_hạtlà số lượng các hạt thử nghiệm,V_mẫuLà khối lượng của mẫu thử nghiệm thực tế.

Cân nhắc kiểm tra nồng độ:

• Phạm vi phát hiện nồng độ của thiết bị kiểm tra (ví dụ: phương pháp cảm ứng xung điện trở, phương pháp theo dõi hạt quang học).

• Tính đồng nhất và phân tán của các hạt mẫu.

• Cuối cùng cần phải đảo ngược nồng độ ban đầu.

  
  

Nồng độ nguyên thủy (original concentration):

Nồng độ ban đầu đề cập đến nồng độ ban đầu của các hạt nano trong một mẫu không pha loãng sau khi chuẩn bị hoặc tinh chế hoàn tất và thường là giá trị mục tiêu cho phân tích cuối cùng. Đây là nồng độ chuẩn của mẫu trong ứng dụng hoặc nghiên cứu thực tế, phản ánh tổng số và trạng thái phân phối của các hạt nano trong quá trình chuẩn bị và có thể giúp các nhà nghiên cứu hiểu được quy trình chuẩn bị, năng suất và phạm vi nồng độ của các hạt nano trong ứng dụng thực tế. Việc xác định chính xác nồng độ ban đầu có ý nghĩa quan trọng trong nhiều lĩnh vực, chẳng hạn như kiểm soát liều lượng trong hệ thống phân phối thuốc, đánh giá độ nhạy của thuốc thử chẩn đoán, v.v. Bằng cách kết hợp bội số pha loãng và nồng độ thử nghiệm, nồng độ số hạt nano trong mẫu ban đầu có thể được tính toán chính xác.

Công thức:

Trong số đó,C_gốcThể hiện nồng độ ban đầu,C_{thử nghiệm}Biểu thị nồng độ thử nghiệm,nBiểu thị bội số pha loãng.

03

Về hạtPhí bề mặtThông số chính

Điện ZetaSố lượng (Tiềm năng Zeta)：

Tiềm năng Zeta đề cập đến sự khác biệt tiềm năng tại bề mặt cắt trượt (Shear Layer) của lớp điện kép trên bề mặt của các hạt nano và là một tham số quan trọng để mô tả đặc tính điện tích bề mặt của các hạt. Nó phản ánh trạng thái tích điện của các hạt trong môi trường lỏng và ảnh hưởng trực tiếp đến sự ổn định, phân tán của các hạt cũng như hành vi tương tác. Điện thế Zeta thường được biểu thị bằng milivolt (mV) và giá trị tuyệt đối của nó càng cao, lực đẩy tĩnh điện của các hạt càng mạnh và sự ổn định của hệ thống treo càng cao. Sự thay đổi tiềm năng Zeta có thể bắt nguồn từ các biến đổi hóa học trên bề mặt hạt, độ pH của dung dịch, cường độ ion và các điều kiện môi trường khác, do đó là một chỉ số quan trọng trong nghiên cứu chức năng hóa hạt nano và hiệu suất đáp ứng môi trường.

Phương pháp kiểm tra tiềm năng Zeta truyền thống thường dựa trên các phép đo quang học hoặc điện di, cung cấp tiềm năng Zeta trung bình của toàn bộ mẫu. Tuy nhiên, các phương pháp này rất khó để phản ánh các đặc tính cá nhân của các hạt khác nhau trong mẫu, đặc biệt là trong các mẫu hỗn hợp có độ không đồng nhất cao hơn. Phát hiện tiềm năng Zeta hạt đơn có thể cung cấp thêm thông tin quan trọng bằng cách đo các đặc tính điện tích bề mặt của từng hạt một:

• Sự khác biệt về điện tích giữa các hạt: tiết lộ tính không đồng nhất của phân phối điện tích của mẫu, cung cấp dữ liệu chính xác hơn để nghiên cứu sửa đổi hạt, sửa đổi bề mặt, v.v. Phân tích tiềm năng hạt đơn dựa trên công nghệ RPS cũng có thể cung cấp mối tương quan giữa tiềm năng hạt và kích thước hạt.
• Tính đồng nhất của mẫu: Giúp đánh giá sự ổn định và nhất quán của quá trình chuẩn bị mẫu.
• Phân biệt hỗn hợp hạt không đồng nhất: Trong các hệ thống phức tạp, chẳng hạn như các mẫu sinh học, khả năng phân biệt các đặc tính điện tích bề mặt của các hạt khác nhau giúp nghiên cứu sự tương tác giữa các hạt.

Phát hiện tiềm năng Zeta hạt đơn đặc biệt có lợi thế đáng kể trong lĩnh vực y sinh học, chẳng hạn như kiểm soát chất lượng các hạt phân phối thuốc, đặc tính chính xác của điện tích bề mặt của túi ngoài tế bào (EVs), v.v.

Điện trung bình ZetaSố lượng (Tiềm năng Zeta trung bình) ：

Tiềm năng Zeta trung bình đề cập đến giá trị trung bình số học của giá trị tiềm năng Zeta của tất cả (hoặc tất cả các hạt được phát hiện) trong mẫu, một trong những tham số thường được sử dụng để mô tả các đặc tính tích điện bề mặt tổng thể của mẫu. Điện thế Zeta trung bình có thể nhanh chóng cung cấp trạng thái điện tích tổng thể của mẫu để đánh giá tính ổn định và phân tán của mẫu.

Công thức:

Trong số đó,Đối với tiềm năng Zeta cho mỗi hạt,nLà số hạt.

Điều quan trọng cần lưu ý là điện thế Zeta trung bình có thể che giấu đặc điểm phân phối điện tích bề mặt của các hạt trong mẫu, do đó, trong các mẫu có tính đồng nhất kém, phân tích toàn diện nên được thực hiện kết hợp với các thông số khác, chẳng hạn như điện thế Zeta trung bình và phân phối điện thế Zeta.

Điện thế Zeta trung vị (median zeta potential):

-Hiển thị manipulator (Z₅₀), có nghĩa là 50% hạt Zeta trong mẫu có giá trị tiềm năng thấp hơn giá trị này và 50% hạt khác có giá trị tiềm năng Zeta cao hơn giá trị này, tương tự như kích thước hạt trung bình trong đặc tính kích thước hạt (D₅₀). Tiềm năng Zeta trung bình là một tham số thống kê phản ánh trung tâm phân phối điện tích của mẫu, có khả năng giảm đến một mức độ nào đó ảnh hưởng của một số ngoại lệ đối với mô tả tổng thể của dữ liệu.

So với điện thế Zeta trung bình, điện thế Zeta trung bình đại diện cho các mẫu có tính bất đối xứng trong phân phối điện tích bề mặt và đặc biệt thích hợp để mô tả các mẫu có độ phức tạp hoặc không đồng nhất cao.

Z₉₀vàZ₁₀：

Z₉₀Có nghĩa là 90% các hạt trong mẫu có tiềm năng Zeta thấp hơn giá trị này và được sử dụng để mô tả sự phân bố trên của điện tích bề mặt hạt.Z₁₀: đề cập đến 10% hạt trong mẫu có tiềm năng Zeta thấp hơn giá trị này và được sử dụng để mô tả sự phân bố giới hạn thấp hơn của điện tích bề mặt hạt.

Z₉₀vàZ₁₀Sự kết hợp có thể được sử dụng để mô tả phạm vi phân phối điện thế Zeta và tính đồng nhất của mẫu. Tương tự như phân tích phân bố kích thước hạt, có thể định lượng mức độ rời rạc của phân bố điện tích bề mặt hạt bằng cách tính toán khoảng cách của điện thế Zeta.

04

tổng kết

Đặc tính của hạt nano là liên kết trung tâm trong nghiên cứu và ứng dụng vật liệu nano, thông qua đo lường và phân tích chính xác các thông số chính như kích thước hạt, nồng độ, điện tích bề mặt, có thể tiết lộ toàn diện các đặc tính vật lý và hóa học của hạt nano và tương tác của chúng với môi trường bên ngoài. Các thông số này không chỉ là dữ liệu thực nghiệm mà còn là cửa sổ để giải mã mối quan hệ giữa các tác dụng của thuốc nano và vật liệu nano.

Thông qua sự đổi mới liên tục và tiêu chuẩn hóa các công nghệ đặc trưng, khoa học nano đang mang lại nhiều khám phá đột phá và ứng dụng thực tế hơn trong các lĩnh vực y sinh học, xúc tác và thiết bị điện tử. Cốt lõi của tất cả những điều này là sử dụng các phương pháp khoa học nghiêm ngặt để chuyển đổi các hạt nano từ thế giới vi mô vô hình thành dữ liệu vĩ mô có thể đo lường được, dễ hiểu và có thể kiểm soát được, từ đó thúc đẩy sự kết nối liền mạch giữa công nghệ nano và nhu cầu thực tế, thúc đẩy quá trình công nghiệp hóa công nghệ nano và mở ra triển vọng đổi mới rộng lớn hơn.