A Comprehensive Review of Nanoparticle Synthesis Methods and Characterization Techniques with Emphasis on Recent Applications in Wastewater Remediation and Biomedical Fields

Abstract

Over the past three decades, nanoscience and nanotechnology have emerged as transformative disciplines, enabling the design and manipulation of matter at the 1–100 nanometer scale and unlocking size-dependent properties — optical, magnetic, electronic, mechanical, and catalytic — with no equivalent in conventional bulk materials. This graduation thesis presents a comprehensive and integrated review of nanoparticle synthesis strategies, physicochemical characterization techniques, and their recent applications in two high-impact engineering domains: wastewater remediation and biomedical science. Four principal synthesis routes are systematically examined — physical, chemical, green and biogenic, and emerging microfluidic methods — and evaluated against criteria of scalability, cost, environmental footprint, and control over particle properties. A full portfolio of characterization techniques is subsequently surveyed, encompassing structural and morphological methods (XRD, TEM, SEM, AFM), solution-phase colloidal analysis (DLS, zeta potential, NTA), spectroscopic tools (UV–Vis, FTIR, Raman, photoluminescence), and surface chemistry analysis (XPS, EDX, ICP-MS, NMR), with emphasis on the complementarity of these methods and the limitations inherent to each. In the domain of wastewater remediation, nanoparticles — including iron oxide adsorbents, TiO₂ and ZnO photocatalysts, and carbon-based nanomaterials — are shown to achieve remarkable contaminant removal efficiencies, while key challenges of particle recovery, ecotoxicity, and regulatory uncertainty are critically assessed. In the biomedical domain, polymeric and lipid-based nanocarriers for targeted drug delivery, inorganic nanoparticles for MRI and optical imaging, and antimicrobial nanoplatforms are reviewed in relation to their physicochemical determinants of biodistribution, cellular uptake, and cytotoxicity. The thesis concludes by identifying reproducibility, rigorous multi-modal characterization, and sustainability as the defining challenges and opportunities for the responsible translation of nanoparticle technologies from laboratory to real-world deployment. على مدار العقود الثلاثة الماضية، تطوّرت علوم وتقنيات النانو لتصبح من أكثر التخصصات العلمية تأثيراً وديناميكية، إذ باتت تتيح تصميم المادة والتحكم فيها عند مقياس يتراوح بين 1 و100 نانومتر، مما أفضى إلى الكشف عن خصائص فريدة — بصرية ومغناطيسية وإلكترونية وميكانيكية وحفازية — لا نظير لها في المواد التقليدية الضخمة. تُقدّم هذه المذكرة مراجعةً شاملةً ومتكاملةً لاستراتيجيات تصنيع الجسيمات النانوية، وتقنيات التوصيف الفيزيوكيميائي، وتطبيقاتها الحديثة في مجالَين هندسيَّين بالغَي الأهمية: معالجة مياه الصرف وعلوم الطب الحيوي. تُدرس أربع مسارات تصنيع رئيسية بصورة منهجية — الطرق الفيزيائية، والكيميائية، والخضراء والبيوجينية، وتقنيات التدفق المستمر الناشئة — وتُقيَّم وفق معايير قابلية التوسع، والتكلفة، والأثر البيئي، ودرجة التحكم في خصائص الجسيمات. يُستعرض بعد ذلك المحفظة الكاملة لتقنيات التوصيف، شاملةً الأساليب البنيوية والمورفولوجية مثل XRD، TEM، SEM، AFM، وتحليل الغرويات في الطور السائل DLS، جهد زيتا، NTA، والأدوات الطيفية UV-Vis، FTIR، رامان، التألق الضوئي، وتحليل كيمياء السطح XPS، EDX، ICP-MS، NMR، مع التركيز على التكامل بين هذه الأساليب والقيود الملازمة لكل منها. وفي مجال معالجة مياه الصرف، تُظهر الجسيمات النانوية — بما فيها المواد الماصة القائمة على أكسيد الحديد، والمحفزات الضوئية TiO2 و ZnO، والمواد النانوية الكربونية — كفاءات استثنائية في إزالة الملوثات، فيما تُقيَّم بموضوعية تحديات استرداد الجسيمات والسُّمية البيئية وعدم اليقين التنظيمي. وفي المجال الطبي الحيوي، تُراجَع الناقلات النانوية البوليمرية والدهنية للإيصال الدوائي الموجّه، والجسيمات النانوية غير العضوية لأغراض التصوير بالرنين المغناطيسي والتصوير الضوئي، ومنصات النانو المضادة للميكروبات، في ارتباطها بمحدداتها الفيزيوكيميائية من توزيع حيوي وامتصاص خلوي وسُمية. وتختتم المذكرة بتحديد قابلية الاستنساخ، والتوصيف المتعدد الأساليب، والاستدامة باعتبارها التحديات والفرص المحورية للتحويل المسؤول لتقنيات النانو من نطاق المختبر إلى التطبيق الفعلي.