Analiza traiectoriilor nanoparticulelor

Analiza traiectoriei nanoparticulelor este o metodă pentru vizualizarea și studiul nanoparticulelor în soluții dezvoltate de Nanosight (UK) [1] . Se bazează pe observarea mișcării browniene a nanoparticulelor individuale, a căror viteză depinde de vâscozitatea și temperatura lichidului, precum și de dimensiunea și forma nanoparticulei. Acest lucru permite utilizarea acestui principiu pentru a măsura dimensiunea nanoparticulelor în soluții coloidale [2] [3] [4] [5]. În plus față de dimensiune, este posibil să se măsoare simultan intensitatea împrăștierii luminii de către o nanoparticulă individuală, ceea ce face posibilă discriminarea între nanoparticule pe baza materialului lor. Al treilea parametru măsurat este concentrația fiecărei fracții de nanoparticule.

Metoda câștigă în mod activ popularitate în comunitatea științifică. Astfel, la începutul toamnei anului 2012, numărul publicațiilor științifice care utilizează metoda Nanoparticle Trajectory Analysis a ajuns la 400 [6] , dintre care peste 100 au fost publicate doar în 2012.

Baza fizică a metodei

Pentru a vizualiza nanoparticulele, soluția lor este iluminată cu un fascicul laser focalizat. În acest caz, nanoparticulele individuale mai mici decât lungimea de undă se comportă ca niște dispersori de puncte. Când un volum de soluție iluminat este observat printr-un ultramicroscop de sus, la un unghi drept față de fasciculul laser, nanoparticulele individuale arată ca puncte strălucitoare pe un fundal întunecat. O cameră științifică extrem de sensibilă înregistrează videoclipul mișcării browniene a unor astfel de puncte. Această înregistrare video este transmisă în timp real către un computer personal pentru procesare: izolarea nanoparticulelor individuale în fiecare cadru și urmărirea mișcărilor particulelor între cadre.

Viteza mișcării browniene, exprimată ca deplasarea rms a unei particule în timp, este legată de dimensiunea particulei prin ecuația Stokes-Einstein . Strict vorbind, difuzia particulelor bidimensionale (2D) este înregistrată în metoda analizei traiectoriei nanoparticulelor, cu toate acestea, independența tuturor celor trei componente ortogonale permite rescrierea ecuației în următoarea formă, modificând doar coeficientul numeric:

{<(x,y)^{2}> \over 4}=D_{t}t={\frac {k_{B}Tt}{3\pi \eta d)),

unde este pătratul mediu al deplasării particulelor pe intervale de timp (durata unui cadru video), $<(x,y)^{2}>$ $t$

D_{t)

este coeficientul de difuzie translațională (translațională),

k_B

este constanta Boltzmann ,

T

este temperatura absolută ,

\eta

este vâscozitatea lichidului,

d

este diametrul hidrodinamic al particulei.

Pe măsură ce se acumulează statistici privind particulele individuale, acestea sunt rezumate sub forma unei histograme a distribuției dimensiunii particulelor. Numărul de pași pe traiectoria nanoparticulelor poate fi diferit. În același timp, pentru traiectorii prea scurte (2-5 pași), eroarea de măsurare a dimensiunii este mare datorită semnificației statistice scăzute. Prin urmare, numai particulele cu numărul de pași care îndeplinesc cerințele de precizie a analizei necesare sunt incluse în histograma distribuției dimensiunii particulelor.

În plus față de diametrul particulei calculat în acest mod, se măsoară intensitatea împrăștierii aceleiași particule media pe toate cadrele. Aceste date pot fi utilizate pentru a discrimina nanoparticulele dintr-o probă în funcție de materialul lor, precum și pentru a detecta prezența nanoparticulelor extrem de anizotrope (tije, tuburi, plăci).

Pe baza volumului cunoscut al zonei de observare și a numărului de particule numărate în aceasta, se calculează concentrația absolută a fiecărei fracții în bucăți/ml.

Interval de mărime a particulelor

Metoda de analiză a traiectoriei nanoparticulelor poate fi utilizată pentru soluții coloidale ale particulelor cu dimensiuni cuprinse între 10 [8] și 1000 [2] nm . Intervalul depinde în mare măsură de natura eșantionului particular. Limita inferioară este determinată de proprietățile optice ale materialului nanoparticulelor [9] . Nanoparticulele trebuie să împrăștie suficientă lumină pentru a fi vizibile împotriva zgomotului de fundal. Astfel, pentru nanoparticulele de aur și argint limita inferioară este de 10 nm, pentru materialele oxidice este de 15–20 nm, pentru proteine și polimeri este de aproximativ 20–25 nm. Limita superioară a domeniului de măsurare poate fi stabilită de o serie de factori limitatori:

Stabilitatea la sedimentare a sistemului coloidal. Dacă există o diferență de densitate mare între materialul de particule și soluție, particulele mai mici de 1000 nm vor precipita deja rapid, împiedicând măsurătorile.
Manifestarea unei anizotropii semnificative în forma punctului de radiație împrăștiată datorită apariției direcțiilor preferențiale de împrăștiere.
În absența restricțiilor de mai sus, limita superioară a intervalului este stabilită de precizia măsurării poziției particulei pe cadre individuale în comparație cu deplasarea acesteia între cadre. Pentru un caz tipic de soluții apoase, această limită este aproximativ egală cu 1000 nm, cu toate acestea, poate varia atât în sus, cât și în jos, în funcție de vâscozitatea solventului utilizat.

Discriminarea particulelor pe baza materialului lor

Intensitatea medie de împrăștiere măsurată pentru fiecare particulă poate fi utilizată pentru a discrimina fracțiile de nanoparticule în funcție de material. Pentru particulele mult mai mici decât lungimea de undă, legea de împrăștiere Rayleigh este valabilă . Intensitatea radiației împrăștiate de o particulă cu un diametru depinde de următorii factori: $eu$ $d$

I=I_{0}{\frac {1+\cos ^{2}\theta }{2R^{2}}}\left({\frac {2\pi }{\lambda }}\right )^{4}\left({\frac {\left|m_{r}\right|^{2}-1}{\left|m_{r}\right|^{2}+2}}\right )^{2}\left({\frac {d}{2}}\right)^{6}

unde este intensitatea fasciculului incident nepolarizat cu lungimea de undă , $I_0$ $\lambda$

R

este distanța până la particule,

\theta

este unghiul de împrăștiere,

Domnul}

este indicele de refracție complex al materialului în particule în raport cu solventul , unde este indicele de refracție al materialului în particule în raport cu solventul, este coeficientul de absorbție relativ, este unitatea imaginară

m_{r}=n_{r}-ik_{r)

n_{r}

k_{r}

i

$I_0$ , , și sunt constante în timpul experimentului pentru toate particulele, astfel încât expresia se simplifică la $R$ $\theta$ $\lambda$

I\sim {d}^{6}R_{i}

unde este puterea de împrăștiere a particulelor de material, $R_i$ $R_{i}=\left({\frac {\left|m_{r}\right|^{2}-1}{\left|m_{r}\right|^{2}+2} }\dreapta)^{2}$

Astfel, pe grafic , particulele formate din același material, cu o anumită eroare experimentală, ar trebui să cadă pe curba . În prezența particulelor formate din diferite materiale, acest grafic va arăta mai multe grupări de puncte aparținând diferitelor curbe [10] . $I(d)$ $d^{6}$

Trebuie remarcat faptul că, în practică, o separare strictă a două ramuri legate de diferite materiale particule este rareori observată din mai multe motive:

Variații semnificative ale intensității particulelor măsurate datorită diferitelor poziții față de planul focal al obiectivului și axa fasciculului laser. Acest efect este principala sursă de erori experimentale (împrăștierea punctelor) pe diagrame . $I(d)$
Saturația pixelilor camerei (supraexpunere) pentru zona centrală a spotului celor mai strălucitoare particule. Aceasta duce la apariția unui platou în dependența exponențială.
Schimbare continuă mai degrabă decât discretă a proprietăților optice efective ale materialului particulelor sau variații semnificative ale formei acestora. În acest caz, nu există o dependență de putere, ci un sector umplut continuu cu puncte între două funcții de putere.

Analiza particulelor fluorescente

Când se studiază soluții de nanoparticule fluorescente , de exemplu, puncte cuantice , nanoparticule de latex cu un colorant fluorescent inclus în polimer sau nanoparticule biologice marcate în mod specific fluorescent ( exozomi , lipozomi , particule virale etc.), este utilizată o configurație specială a echipamentului [11]. ] [12] . Între probă și camera video se adaugă un filtru de lumină cu undă lungă , care oprește radiația împrăștiată elastic de particule (cu lungimea de undă laser). Astfel, doar particulele fluorescente sunt înregistrate în videoclip. Acest lucru face posibilă studierea selectivă doar a fracțiunii de nanoparticule de interes pentru cercetător pe fondul unui număr mult mai mare de cele obișnuite.

În modul fluorescent, în mod similar cu configurația principală, se măsoară distribuția dimensională a particulelor [12] și concentrația acestora. Două măsurători succesive – una fără, cealaltă cu un filtru de lumină – ne permit să estimăm proporția particulelor fluorescente în cantitatea lor totală.

Separat, trebuie remarcat faptul că metoda nu permite studiul moleculelor individuale de coloranți fluorescenți organici. Pentru aceasta, se utilizează spectroscopie de corelație cu fluorescență .

Măsurători de potențial particule $\zeta$

O modificare a metodei de analiză a traiectoriilor nanoparticulelor, numită Z-NTA, permite măsurarea -potenţialului [aprox. 1] particule individuale [13] . Atunci când soluției i se aplică o diferență de potențial constantă, nanoparticulele din aceasta încep să se miște de la un electrod la altul cu o rată care depinde de potențialul lor. Viteza medie de mișcare în această direcție este utilizată pentru a calcula potențialul fiecărei particule conform ecuației Helmholtz-Smoluchowski: $\zeta$ $\zeta$ $<u>$ $\zeta$

\zeta \ ={\frac {4\pi \eta <u>}{\epsilon _{0}\epsilon E)),

unde este vâscozitatea lichidului, $\eta$

\epsilon_0

este constanta electrică ,

\epsilon

este permisivitatea relativă a lichidului,

E

este puterea câmpului electric .

După cum sa menționat deja, componentele ortogonale ale mișcării browniene a particulelor sunt independente. Prin urmare, mișcarea haotică a unei particule într-o direcție perpendiculară pe cea electroforetică direcționată poate fi utilizată pentru a măsura simultan dimensiunea acesteia.

Acest lucru face posibil nu numai obținerea unei histograme a distribuției supra-potențialelor nanoparticulelor , ci și studierea modului în care aceasta depinde de dimensiunea particulelor [13] . $\zeta$

Note

↑ În literatura în limba rusă, este folosit și termenul de potențial electrocinetic

Link -uri

↑ Site-ul oficial Nanosight Ltd. Preluat la 29 mai 2022. Arhivat din original la 21 martie 2015. (nedefinit)
↑ 1 2 V. Filipe, A. Hawe, W. Jiskoot, „Critical evaluation of Nanoparticle Tracking Analysis (NTA) by NanoSight for the measurement of nanoparticules and protein aggregates” [1] Arhivat 25 martie 2022 la Wayback Machine
↑ Considerații în dimensiunea particulelor. Partea 2: Specificarea unui analizor de dimensiune a particulelor [2] Arhivat 26 septembrie 2015 la Wayback Machine
↑ I. V. Fedosov, I. S. Nefedov, B. N. Khlebtsov, V. V. Tuchin, „Măsurarea coeficientului de difuzie al nanoparticulelor prin microscopie de iluminare plană selectivă” [3] (link inaccesibil) DOI:10.1134/S0030400X091
↑ Ghidul standard ASTM E2834-12 pentru măsurarea distribuției mărimii particulelor a nanomaterialelor în suspensie prin analiza de urmărire a nanoparticulelor (NTA) [4] Arhivat 3 septembrie 2012 la Wayback Machine
↑ Lista de publicații în reviste consultate și lucrări de conferințe folosind metoda Nanoparticle Trajectory Analysis Copie arhivată (link nu este disponibil) . Consultat la 18 octombrie 2011. Arhivat din original pe 17 octombrie 2011. (nedefinit)
↑ Software-ul Nanoparticle Tracking Analysis (NTA) (link nu este disponibil) . Preluat la 23 august 2011. Arhivat din original la 14 iulie 2011. (nedefinit)
↑ Nanoparticule de argint de 10 nm imagini deplasându-se sub mișcare browniană . Consultat la 14 octombrie 2011. Arhivat din original la 25 martie 2012. (nedefinit)
↑ Întrebări fundamentale despre NTA Arhivat 14 iulie 2011.
↑ D.Griffiths, P.Hole, J.Smith, A.Malloy, B.Carr „Dimensiunea și numărul de nanoparticule prin dispersie și analiza de urmărire a nanoparticulelor prin fluorescență (NTA)” [5] (link indisponibil)
↑ Vizualizarea, dimensionarea și numărarea nanoparticulelor fluorescente și etichetate fluorescent [6] Arhivat 14 iulie 2011 la Wayback Machine
↑ 1 2 V.Filipe, R.Poole, M.Kutscher, K.Forier, K.Braeckmans și W.Jiskoot „Fluorescence Single Particle Tracking for the Characterization of Submicron Protein Aggregates in Biological Fluids and Complex Formulations” [7]
↑ 1 2 Analiza potențialului Zeta folosind Z-NTA (link indisponibil) . Consultat la 7 septembrie 2011. Arhivat din original pe 22 august 2011. (nedefinit)