Анализ траекторий наночастиц

Визуализация, подсчет количества и определение размеров

Анализ траекторий наночастиц - метод визуализации и изучения наночастиц в растворах. В его основе лежит наблюдение за Броуновским движением отдельных наночастиц, скорость которого зависит от вязкости и температуры жидкости, а также размера и формы наночастицы. Это позволяет использовать данный принцип для измерения размера наночастиц в коллоидных растворах и суспензиях. В дополнение к размеру, одновременно возможно измерение интенсивности рассеянного света индивидуальной наночастицей, что позволяет разделять частицы по их материалу. Третьим измеряемым параметром является концентрация каждой из фракций наночастиц.

Для визуализации наночастиц используют освещение их раствора сфокусированным лазерным лучом. Отдельные наночастицы размером менее длины волны при этом ведут себя как точечные рассеиватели. При наблюдении освещенного объема раствора через ультрамикроскоп сверху отдельные наночастицы выглядят как светлые точки на темном фоне. Высокочувствительная видеокамера регистрирует Броуновского движения таких точек и в реальном времени передает видео на персональный компьютер для сохранения и обработки: выделения отдельных наночастиц на каждом кадре и отслеживания перемещений частиц между кадрами. Скорость Броуновского движения, выраженная в виде среднеквадратичного смещения частицы за определенное время (связана с размером частицы уравнением Стокса-Эйнштейна), позволяет рассчитать диаметр частицы. Кроме того, измеренная усредненная по всем кадрам интенсивность рассеяния этой же самой частицы потенциально может быть использована для разделения наночастиц по материалу, а также для обнаружения присутствия сильно анизотропных наночастиц (стержней, трубок, пластин). Исходя из известного объема области наблюдения и количества частиц, посчитанных в ней, рассчитывают концентрацию каждой из фракций в шт/мл.

Метод Анализа траекторий наночастиц применим для коллоидных растворов и суспензий с размером частиц от 10 до 2000 нм. Диапазон сильно зависит от характера конкретного образца. Нижнюю границу определяют оптические свойства материала наночастиц - они должны рассеивать достаточно света для того, чтобы быть различимыми на фоне шума. Так, для золотых и серебряных наночастиц нижняя граница составляет 10 нм, для оксидных материалов - 15-20 нм, для белков и полимеров - около 20-25 нм. Верхняя граница диапазона измерения зависит от ряда лимитирующих факторов:

  • седиментационная устойчивость дисперсной системы;
  • появление значительной анизотропии формы пятна рассеянного излучения.

Но и в отсутствии упомянутых ограничений верхний предел диапазона определяет точность измерения положения частицы на отдельных кадрах в сравнении с ее смещением между кадрами. Для типичного случая водных систем эта граница примерно равна 1000 нм, однако может варьироваться как в большую, так и в меньшую сторону в зависимости от вязкости используемого дисперсанта.

Важным преимуществом метода, в сравнении с другими методами исследования наночастиц, является возможность изучения растворов, флуоресцирующих наночастиц, например, квантовых точек, латексных наночастиц с включенным в состав полимера флуоресцентным красителем или специфически флуоресцентно-меченных биологических наночастиц (экзосом, липосом, вирусных частиц и т.д.). Для этого используют особую конфигурацию оборудования - между образцом и видеокамерой помещают длинноволновый светофильтр, отсекающий излучение, упруго рассеянное частицами (с длиной волны лазера). Таким образом, видео регистрирует только флуоресцирующие частицы. Это позволяет селективно изучать интересующую исследователя меченную фракцию наночастиц на фоне значительно превосходящего числа обычных. Во флуоресцентном режиме, аналогично основной конфигурации, проводят измерения распределения частиц по размерам и их концентрации. Два последовательных измерения - одно без, другое со светофильтром - позволяют оценить долю флуоресцирующих частиц от их общего количества.

Дополнительная информация о применении метода анализа траекторий наночастиц в соответствии со стандартом ASTM E2834-12(2012) (Standard Guide for Measurement of Particle Size Distribution of Nanomaterials in Suspension by Nanoparticle Tracking Analysis (NTA)).