Kích thước hạt nano có ý nghĩa quan trọng trong các nghiên cứu tương tác giữa vật liệu nano và các đối tượng sinh học như tế bào, mô, v.v… Kích thước của vật liệu nano có ảnh hưởng đến tương tác của các phân tử trên bề mặt hạt với các thụ thể trên bề mặt tế bào, tổng lượng hạt tế bào hấp thu, quá trình lưu thông, phân phối sinh học và thanh thải hạt. Ái lực liên kết của các phối tử trên bề mặt vật liệu và các thụ thể trên bề mặt tế bào tăng tỉ lệ thuận với kích thước của hạt, ví dụ như ái lực liên
kết của Herceptin đối với các thụ thể (receptor) ErbB2 thể hiện qua hằng số phân ly Kd trong trường hợp Herceptin trong dung dịch là 10-10 M, trên hạt nano 10 nm là 5,5 x 10-12 M và trên hạt nano 70 nm là 1,5 x 10-13 M. Đối với một dạng hình học nhất định, kích thước của vật liệu nano là yếu tố quyết định tổng lượng hạt tế bào hấp thu. Các hạt nano vàng hình cầu, hạt nano silica, ống nano carbon đơn thành và các chấm lượng tử có tốc độ hấp thu và nồng độ nội bào đạt tối đa khi đường kính hạt là 50 nm [56]. Hạt nano có kích thước nhỏ hơn 10 nm có thể dễ dàng đi qua các mạch máu và bị đào thải bởi thận [57]. Hạt vàng kích thước 4 nm và 15 nm lưu thông trong máu lâu hơn, còn các hạt lớn (từ 50 đến 152 nm) nhanh chóng bị đào thải khỏi dòng máu, có xu hướng tích tụ trong gan và lá lách [58]. Thay đổi đường kính của hạt nano cho phép kiểm soát sự tích tụ và độ sâu thâm nhập của hạt vào khối u. Các hạt nano 20 nm thâm nhập sâu vào mô khối u nhưng không lưu lại quá 24 giờ. Ngược lại, các hạt nano lớn hơn (100 nm) không thoát ra ngoài mạch máu vì chúng bị giữ lại trong chất nền ngoại bào (matrix) giữa các tế bào [56].
Hạt nano được nghiên cứu ứng dụng trong các hệ dẫn thuốc nhằm phát triển các loại thuốc có hiệu quả và an toàn hơn. Độ lớn của hạt có ảnh hưởng đến sự giải phóng thuốc: các hạt nhỏ có diện tích bề mặt lớn giải phóng thuốc nhanh hơn [57]. Kích thước hạt có ảnh hưởng đến tương tác và độ ổn định của các hạt nano trong các hệ dẫn thuốc như vậy [59-61], do đó ảnh hưởng đến chất lượng và tính hiệu quả của các hệ dẫn thuốc này.
Yêu cầu xác định kích thước của hạt trở nên ngày càng quan trọng khi sử dụng hạt nano cho các mục đích cụ thể [62-64]. Tương tác giữa vật liệu nano và các đối tượng sinh học xảy ra trong dung dịch, do đó cần xác định kích thước thuỷ động lực học, đại lượng có liên quan chặt chẽ đến đặc tính khuếch tán của hạt. Kích thước thuỷ động lực học được tính từ hệ số khuếch tán theo phương trình Stokes-Einstein, là kích thước của một khối cầu nhẵn giả định chuyển động với cùng tốc độ của hạt trong dung dịch. Kích thước thuỷ động lực học chịu ảnh hưởng của các phân tử dung môi, các phối tử bề mặt được sử dụng để phân tán hạt trong môi trường, các phân tử liên kết với bề mặt của hạt. Thông thường, các hạt nano được biến tính bề mặt để làm chúng phù hợp với các điều kiện sinh lý, có tính hướng đích và khả năng giải phóng thuốc tại vị trí hoạt động. Quá trình biến tính này dẫn đến sự thay đổi về kích thước hạt, đặc biệt là kích thước thuỷ động lực học của hạt. Sau khi được chức năng hoá
với lớp phân tử hữu cơ hoặc polyme trên bề mặt, hạt nano kích thước vật lý vài nano- mét có thể có kích thước thuỷ động lực học lên tới hàng chục nano-mét [58]. Các hạt cũng có thể tạo thành các đám hạt trong dung dịch. Vì vậy, đo đạc kích thước thuỷ động lực học của hạt là rất cần thiết để kiểm soát chất lượng.
Một số kỹ thuật được sử dụng để xác định kích thước hạt bao gồm:
- Hiện ảnh: các kỹ thuật hiện ảnh trực tiếp là các phương pháp phổ biến để thu được kích thước vật lý, hình dạng và kết cấu của các hạt [65-69]. Các phương pháp này bao gồm hiển vi điện tử quét (SEM), hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và hiển vi lực nguyên tử (AFM). Đây là các phương pháp cho hình ảnh trực quan với độ phân giải cao của các hạt. Tuy nhiên, các phương pháp chụp ảnh đòi hỏi các bước chuẩn bị mẫu tốn nhiều công sức và mẫu phải được loại bỏ khỏi môi trường tồn tại hoặc môi trường làm việc, do đó có thể gây ra sự thay đổi của mẫu. Hiệu suất phân tích thấp và việc lấy mẫu hạn chế là những nhược điểm của các phương pháp này [66]. Để nghiên cứu các hạt nano như chấm lượng tử, hiển vi điện tử truyền qua (TEM) là một công cụ rất quan trọng, cung cấp nhiều thông tin hữu ích. Tuy nhiên, hiện ảnh TEM của các chấm lượng tử với độ phân giải cao khó thực hiện, đặc biệt là các mẫu chấm lượng tử có kích thước nhỏ hơn 10 nm phân tán trong nước. Trong nhiều trường hợp, chỉ có ảnh TEM có thể dẫn tới các đánh giá sai lầm về kích thước do các yếu tố như: không thể hiện đầy đủ cấu trúc, các hình ảnh giả tự xuất hiện trong ảnh TEM [4]. Các quá trình xử lý mẫu để đo TEM có thể làm thay đổi tính chất và kích thước hệ hạt nano, ví dụ như gây ra sự dính kết giữa các hạt [70]. Trong đa số các trường hợp, lớp vỏ bọc hữu cơ trên bề mặt chấm lượng tử không quan sát được bằng TEM.
- Phân tách theo kích thước hạt: tạo ra sự phân bố lại về mặt không gian của các hạt trong một môi trường, dựa trên sự khác nhau về khối lượng hoặc thể tích của các hạt tương ứng với kích thước của chúng [66]. Nhiều kỹ thuật khác nhau đươc sử dụng bao gồm sắc ký loại trừ kích thước (Size Exclusive Chromatography - SEC) và siêu ly tâm phân tích (Analytical UltraCentrifuge - AUC). Các kỹ thuật này dựa trên sự khác nhau trong quá trình rửa giải, lắng cặn hoặc khuếch tán của các hạt [71- 73]. Các kỹ thuật này hữu ích cho mẫu đa phân tán nhưng có thể làm biến đổi tình trạng mẫu do môi trường được sử dụng để phân tách [66].
- Tán xạ ánh sáng: Tán xạ ánh sáng động (DLS) là kỹ thuật đo không phá hủy [74] được sử dụng rộng rãi nhất. Khi được chiếu sáng bằng tia laze, cường độ ánh sáng tán xạ bởi các hạt trong huyền phù thay đổi cả về thời gian và không gian tùy thuộc vào kích thước và trọng lượng của các hạt. Sự thay đổi này được chuyển đổi thành thông tin kích thước [66, 75]. DLS xác định kích thước của một hạt từ sự thăng giáng của ánh sáng tán xạ sinh ra từ chuyển động Brown của các hạt. Tuy là một công cụ mạnh mẽ và dễ tiếp cận, DLS có một số nhược điểm do sự phát hiện thiên lệch cường độ: cường độ của ánh sáng tán xạ tỉ lệ với bình phương thể tích của hạt nên kết quả của DLS bị ảnh hưởng nhiều khi có sự hiện diện của một lượng nhỏ các đám hạt lớn hoặc các hạt có kích thước lớn hơn nhiều so với phân bố kích thước chính [75-77]. Phân tích các hạt nhỏ hơn 10 nm bằng DLS tương đối khó vì sai số của tín hiệu lớn. DLS cũng cần lượng mẫu lớn với nồng độ cao. Các kỹ thuật đo kích thước khác có thể được sử dụng nhằm khẳng định kết quả đo bằng DLS [78].
Định nghĩa kích thước được đo bằng các kỹ thuật khác nhau không phải hoàn toàn giống nhau. DLS đo đường kính thủy động lực học từ hệ số khuếch tán của các hạt trong trạng thái huyền phù, và hệ số khuếch tán này được chuyển đổi thành đường kính của một quả cầu giả định có cùng một hệ số khuếch tán [75]. Phương pháp FCS phát triển trong thời gian gần đây xác định kích thước của các hạt qua xác định hệ số khuếch tán [79], có nghĩa là định nghĩa của kích thước được đo bằng FCS giống với định nghĩa của DLS. FCS có thể là một phương pháp bổ trợ để xác minh kết quả của DLS vì chúng đo cùng một thuộc tính vật lý. Tuy nhiên, giữa FCS và DLS có sự khác biệt trong nguyên lý đo. Trong khi DLS dựa vào thay đổi cường độ của ánh sáng tán xạ của một tập hợp lớn các hạt để tìm hệ số khuếch tán của các hạt, FCS tính toán hệ số khuếch tán của các hạt riêng lẻ hoặc một số rất ít hạt trong thể tích đo dựa trên thăng giáng cường độ huỳnh quang. Điểm khác biệt của FCS so với các kỹ thuật đo kể trên chính là đo đạc dựa vào tín hiệu huỳnh quang của các đơn hạt.