Измерение размеров наночастиц по анализу их траектории движения Nanoparticle Tracking Analysis (NTA)
Все новое – это хорошо забытое старое.
Еще в далеком 1903 году Рихард Зигмонди совместно с Зидентопфом изобрел щелевой ультрамикроскоп, идея которого легла в основу метода Nanoparticle Tracking Analysis (NTA). Принцип, на котором основан ультрамикроскоп, заключается в том, что на исследуемый образец сбоку направляют мощный луч света и с помощью обычного оптического микроскопа наблюдают рассеянный свет отдельными наночастицами. Таким образом, в оптический микроскоп можно увидеть движение наночастиц. Сами наночастицы увидеть в оптический микроскоп нет возможности из-за законов физики, ограничивающих разрешение оптического микроскопа (дифракционный предел). При использовании описанной выше схемы освещения будет видно рассеяние от частиц, а не сами частицы. Такой метод не дает возможность напрямую измерить размер частиц, но дает возможность подсчитать их концентрацию и наблюдать их движение. Из анализа их траектории движения можно определить коэффициент диффузии. Подставив полученный таким образом коэффициент диффузии в формулу Эйнштейна-Стокса, и зная вязкость среды, в которой движутся наночастицы, можно определить их гидродинамический радиус.
В 1925 году Рихард Адольф Зигмонди получил Нобелевскую премию по химии «за установление гетерогенной природы коллоидных растворов и за разработанные в этой связи методы, имеющие фундаментальное значение в современной коллоидной химии, так как все проявления органической жизни, в конечном счете, связаны с коллоидной средой протоплазмы».
Если в те далекие времена, когда Зигмонди проводил свои исследования, были проблемы как с хорошим освещением для этого метода, так и отсутствовала возможность автоматического анализа изображений, то с появлением лазеров, цифровых камер и мощных компьютеров задача определения размеров частиц по анализу их траекторий движения стала легко решаема. Уже несколько лет существуют коммерческие решения, основанные на этом методе.
Мы попытались реализовать эту схему на имеющемся оборудовании. Для этих исследований, в качестве исследуемого образца, был использован раствор наночастиц латекса в воде R=135 нм. С весовой концентрацией около 10-8. Красный лазер мощностью около 1 мВт. Иммерсионный объектив 100 крат. Прямой микроскоп проходящего света с установленной цифровой камерой для захвата изображения.
На микрофотографии приведен один из кадров записанного на этом образце видео. Хорошо видны белые точки и красные круглые сгустки – рассеяние от наночастиц латекса.
Ниже приведены несколько видеороликов, записанных в ходе данного эксперимента.
Тридцати секундный ролик броуновского движения наночастиц. Наблюдение в оптический микроскоп.
В поле наблюдения попала большая частица. Она существенно отличается от остальных частиц, но и ее гидродинамический радиус можно определить из этих измерений.
Продвижение в «железе» — другая камера и доступ у ее настройкам съемки. Картинка стала лучше. Видны отдельные объекты.
На видео наночастицы 135 нм радиус в воде. Наблюдение в оптический микроскоп.