Analýza trajektorií nanočástic

Analýza trajektorie nanočástic je metoda pro vizualizaci a studium nanočástic v roztocích vyvinutých společností Nanosight (UK) [1] . Je založen na pozorování Brownova pohybu jednotlivých nanočástic, jehož rychlost závisí na viskozitě a teplotě kapaliny a také na velikosti a tvaru nanočástice. To umožňuje použít tento princip k měření velikosti nanočástic v koloidních roztocích [2] [3] [4] [5]. Kromě velikosti je možné současně měřit intenzitu rozptylu světla jednotlivou nanočásticí, což umožňuje rozlišovat mezi nanočásticemi na základě jejich materiálu. Třetím měřeným parametrem je koncentrace každé z nanočásticových frakcí.

Metoda si aktivně získává popularitu ve vědecké komunitě. Na začátku podzimu 2012 tak počet vědeckých publikací využívajících metodu Nanoparticle Trajectory Analysis dosáhl 400 [6] , z nichž jen v roce 2012 bylo publikováno více než 100.

Fyzikální základ metody

Pro vizualizaci nanočástic je jejich roztok osvětlen zaostřeným laserovým paprskem. V tomto případě se jednotlivé nanočástice menší než vlnová délka chovají jako bodové rozptylovače. Když je osvětlený objem roztoku pozorován ultramikroskopem shora, v pravém úhlu k laserovému paprsku, jednotlivé nanočástice vypadají jako světlé tečky na tmavém pozadí. Vysoce citlivá vědecká kamera zaznamenává videozáznam Brownova pohybu takových bodů. Tento videozáznam je přenášen v reálném čase do osobního počítače ke zpracování: izoluje jednotlivé nanočástice v každém snímku a sleduje pohyby částic mezi snímky.

Rychlost Brownova pohybu, vyjádřená jako rms posunutí částice v čase, souvisí s velikostí částice podle Stokes-Einsteinovy rovnice . Přísně vzato, dvourozměrná (2D) difúze částic je zaznamenávána metodou nanočásticové analýzy trajektorie, nicméně nezávislost všech tří jejích ortogonálních složek umožňuje přepsat rovnici do následující podoby, přičemž se mění pouze číselný koeficient:

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

kde je průměrná druhá mocnina posunutí částic v časových intervalech (trvání jednoho snímku videa), $<(x,y)^{2}>$ $t$

{\displaystyle D_{t))

je koeficient translační (translační) difúze,

k_B

je Boltzmannova konstanta ,

T

je absolutní teplota ,

\eta

je viskozita kapaliny,

d

je hydrodynamický průměr částice.

Jak se shromažďují statistiky jednotlivých částic, jsou shrnuty ve formě histogramu distribuce velikosti částic. Počet kroků na trajektoriích nanočástic může být různý. Zároveň u příliš krátkých trajektorií (2-5 kroků) je chyba měření velikosti vysoká kvůli nízké statistické významnosti. Do histogramu distribuce velikosti částic jsou proto zahrnuty pouze částice s počtem kroků, které splňují požadavky na požadovanou přesnost analýzy.

Kromě takto vypočítaného průměru částice se měří intenzita rozptylu stejné částice zprůměrovaná ve všech snímcích. Tato data mohou být potenciálně použita k rozlišení nanočástic ve vzorku podle jejich materiálu a také k detekci přítomnosti vysoce anizotropních nanočástic (tyčinek, trubek, destiček).

Na základě známého objemu pozorované oblasti a počtu v ní napočítaných částic se vypočítá absolutní koncentrace každé z frakcí v kusech/ml.

Rozsah velikosti částic

Metodu analýzy trajektorie nanočástic lze použít pro koloidní roztoky částic o velikosti od 10 [8] do 1000 [2] nm . Rozsah je velmi závislý na povaze konkrétního vzorku. Spodní mez je určena optickými vlastnostmi nanočásticového materiálu [9] . Nanočástice musí rozptylovat dostatek světla, aby byly viditelné proti šumu na pozadí. Pro nanočástice zlata a stříbra je tedy spodní hranice 10 nm, pro oxidové materiály 15–20 nm, pro proteiny a polymery asi 20–25 nm. Horní hranici rozsahu měření lze nastavit řadou omezujících faktorů:

Sedimentační stabilita koloidního systému. Pokud je mezi materiálem částic a roztokem velký rozdíl v hustotě, částice menší než 1000 nm se již rychle vysrážejí, což brání měření.
Projev výrazné anizotropie ve tvaru skvrny rozptýleného záření v důsledku výskytu preferenčních směrů rozptylu.
Při absenci výše uvedených omezení je horní hranice rozsahu stanovena přesností měření polohy částice na jednotlivých snímcích v porovnání s jejím posunem mezi snímky. Pro typický případ vodných roztoků je tato mez přibližně rovna 1000 nm, může se však měnit nahoru i dolů v závislosti na viskozitě použitého rozpouštědla.

Diskriminace částic na základě jejich materiálu

Průměrná intenzita rozptylu naměřená pro každou částici může být použita k rozlišení frakcí nanočástic podle materiálu. Pro částice mnohem menší než vlnová délka platí Rayleighův zákon rozptylu . Intenzita záření rozptýleného částicí o průměru závisí na následujících faktorech: $já$ $d$

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}}\vpravo )^{2}\left({\frac {d}{2}}\right)^{6}

kde je intenzita dopadajícího nepolarizovaného paprsku s vlnovou délkou , $I_0$ $\lambda$

R

je vzdálenost k částici,

\theta

je úhel rozptylu,

pan}

je komplexní index lomu částicového materiálu vzhledem k rozpouštědlu , kde je index lomu částicového materiálu vzhledem k rozpouštědlu, je relativní absorpční koeficient, je imaginární jednotka

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

n_{r}

k_{r}

i

$I_0$ , , a jsou během experimentu pro všechny částice konstantní, takže výraz se zjednoduší na $R$ $\theta$ $\lambda$

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

kde je rozptylová síla materiálu částic, $R_i$ $R_{i}=\left({\frac {\left|m_{r}\right|^{2}-1}{\left|m_{r}\right|^{2}+2} }\vpravo)^{2}$

Na grafu by tedy částice sestávající ze stejného materiálu s určitou experimentální chybou měly dopadat na křivku . V přítomnosti částic skládajících se z různých materiálů tento graf ukáže několik seskupení bodů patřících do různých křivek [10] . $I(d)$ $d^{6}$

Je třeba poznamenat, že v praxi je striktní oddělení dvou větví souvisejících s různými částicovými materiály zřídka pozorováno z mnoha důvodů:

Významné odchylky v naměřené intenzitě částic v důsledku různých poloh vzhledem k ohniskové rovině objektivu a ose laserového paprsku. Tento efekt je hlavním zdrojem experimentálních chyb (rozptyl bodů) na grafech . $I(d)$
Saturace pixelů fotoaparátu (přeexponování) pro centrální oblast bodu nejjasnějších částic. To vede ke vzniku plošiny v exponenciální závislosti.
Spíše kontinuální než diskrétní změna efektivních optických vlastností materiálu částic nebo výrazné změny jejich tvaru. V tomto případě se nejedná o mocenskou závislost, ale o sektor souvisle vyplněný body mezi dvěma mocenskými funkcemi.

Analýza fluorescenčních částic

Při studiu roztoků fluorescenčních nanočástic, např. kvantových teček , latexových nanočástic s fluorescenčním barvivem obsaženým v polymeru nebo specificky fluorescenčně značených biologických nanočástic ( exosomy , lipozomy , virové částice atd.), se používá speciální konfigurace zařízení [11 ] [12] . Mezi vzorek a videokameru je přidán dlouhovlnný světelný filtr , který odřízne záření pružně rozptýlené částicemi (s vlnovou délkou laseru). Ve videu jsou tedy zaznamenány pouze fluorescenční částice. To umožňuje selektivně studovat pouze zlomek nanočástic, které výzkumníka zajímají, na pozadí mnohem většího počtu běžných.

Ve fluorescenčním módu se podobně jako v hlavní konfiguraci měří distribuce velikosti částic [12] a jejich koncentrace. Dvě po sobě jdoucí měření – jedno bez, druhé se světelným filtrem – nám umožňují odhadnout podíl fluorescenčních částic v jejich celkovém množství.

Samostatně je třeba poznamenat, že metoda neumožňuje studium jednotlivých molekul organických fluorescenčních barviv. K tomu se používá fluorescenční korelační spektroskopie .

Měření potenciálu částic $\zeta$

Modifikace metody analýzy trajektorií nanočástic, nazvaná Z-NTA, umožňuje měření -potenciálu [cca. 1] jednotlivé částice [13] . Když je na roztok aplikován konstantní potenciálový rozdíl, nanočástice v něm se začnou pohybovat z jedné elektrody na druhou rychlostí, která závisí na jejich -potenciálu. Průměrná rychlost pohybu v tomto směru se používá k výpočtu potenciálu každé částice podle Helmholtz-Smoluchowského rovnice: $\zeta$ $\zeta$ $<u>$ $\zeta$

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

kde je viskozita kapaliny, $\eta$

\epsilon_0

je elektrická konstanta ,

\epsilon

je relativní permitivita kapaliny,

E

je síla elektrického pole .

Jak již bylo zmíněno, ortogonální složky Brownova pohybu částic jsou nezávislé. Proto lze chaotický pohyb částice ve směru kolmém na směrovaný elektroforetický použít k současnému měření její velikosti.

To umožňuje nejen získat histogram distribuce nanočástic nad potenciály, ale také studovat, jak závisí na velikosti částic [13] . $\zeta$

Poznámky

↑ V ruskojazyčné literatuře se také používá termín elektrokinetický potenciál

Odkazy

↑ Oficiální stránky Nanosight Ltd. Získáno 29. května 2022. Archivováno z originálu dne 21. března 2015. (neurčitý)
↑ 1 2 V. Filipe, A. Hawe, W. Jiskoot, "Kritické hodnocení analýzy sledování nanočástic (NTA) pomocí NanoSight pro měření nanočástic a proteinových agregátů" [1] Archivováno 25. března 2022 na Wayback Machine
↑ Úvahy o velikosti částic. Část 2: Specifikace analyzátoru velikosti částic [2] Archivováno 26. září 2015 na Wayback Machine
↑ I. V. Fedosov, I. S. Nefedov, B. N. Khlebtsov, V. V. Tuchin, „Měření koeficientu difúze nanočástic selektivní mikroskopií planárního osvětlení“ [3] (nepřístupný odkaz) DOI:10.1134/S00920400X
↑ ASTM E2834-12 Standardní příručka pro měření distribuce velikosti částic nanomateriálů v suspenzi analýzou sledování nanočástic (NTA) [4] Archivováno 3. září 2012 na Wayback Machine
↑ Seznam publikací v recenzovaných časopisech a konferenčních příspěvcích využívajících metodu analýzy trajektorie nanočástic Archivovaná kopie (odkaz není k dispozici) . Získáno 18. října 2011. Archivováno z originálu 17. října 2011. (neurčitý)
↑ Software pro analýzu sledování nanočástic (NTA) (odkaz není k dispozici) . Získáno 23. srpna 2011. Archivováno z originálu 14. července 2011. (neurčitý)
↑ 10 nm Nanočástice stříbra zobrazené pohybující se pod Brownovým pohybem . Získáno 14. října 2011. Archivováno z originálu dne 25. března 2012. (neurčitý)
↑ Základní otázky o NTA Archivováno 14. července 2011.
↑ D.Griffiths, P.Hole, J.Smith, A.Malloy, B.Carr "Velikost a počet nanočástic podle rozptylu a fluorescenční analýzy sledování nanočástic (NTA)" [5] (nedostupný odkaz)
↑ Vizualizace, dimenzování a počítání fluorescenčních a fluorescenčně značených nanočástic [6] Archivováno 14. července 2011 ve Wayback Machine
↑ 1 2 V.Filipe, R.Poole, M.Kutscher, K.Forier, K.Braeckmans a W.Jiskoot „Sledování fluorescence jednotlivých částic pro charakterizaci submikronových proteinových agregátů v biologických tekutinách a komplexních formulacích“ [7]
↑ 1 2 Analýza potenciálu Zeta pomocí Z-NTA (odkaz není k dispozici) . Získáno 7. září 2011. Archivováno z originálu 22. srpna 2011. (neurčitý)