|
'''Анализ траекторий наночастиц''' - метод визуализации и изучения [[Нанотехнология#Наночастицы|наночастиц]] в растворах, разработанный компанией Nanosight (Великобритания)<ref>Официальный сайт Nanosight Ltd. [http://nanosight.com Официальный сайт Nanosight Ltd]</ref>. В его основе лежит наблюдение за [[Броуновское_движениеБроуновское движение|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 [[Коллоидные системы|коллоидных растворах]]<ref name="Filipe">V. Filipe, A. Hawe, W. Jiskoot, "Critical evaluation of Nanoparticle Tracking Analysis (NTA) by NanoSight for the measurement of nanoparticles and protein aggregates" [http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2852530/]</ref><ref>Considerations in Particle Sizing. Part 2: Specifying a Particle Size Analyzer [http://www.particlesciences.com/docs/technical_briefs/TB_7.pdf]</ref><ref>И.В.Федосов, И.С.Нефедов, Б.Н.Хлебцов, В.В.Тучин, "Измерение коэффициента диффузии наночастиц методом микроскопии селективного планарного освещения" [http://144.206.159.178/ft/7925/647555/12988794.pdf] [http://dx.doi.org/10.1134/S0030400X09120030 DOI:10.1134/S0030400X09120030]</ref><ref>ASTM E2834-12 Standard Guide for Measurement of Particle Size Distribution of Nanomaterials in Suspension by Nanoparticle Tracking Analysis (NTA)[http://www.astm.org/Standards/E2834.htm]</ref>. В дополнение к размеру, одновременно возможно измерение интенсивности рассеяния света индивидуальной наночастицей, что позволяет дискриминировать наночастицы по их материалу. Третьим измеряемым параметром является концентрация каждой из фракций наночастиц.
Метод активно набирает популярность в научной среде. Так, на начало осени 2012 года количество научных публикаций с использованием метода Анализа траекторий наночастиц достигло 400<ref>Список публикаций в реферируемых журналах и докладов на конференциях с использованием метода Анализа траекторий наночастиц [http://www.nanosight.com/publications/third-party-papers-]</ref>, из них более 100 - только за 2012 год.
[[Файл:NTA instrument setup.png|thumb|160px|right|alt=Схема измерений в методе анализа траекторий наночастиц.|Схема измерений в методе анализа траекторий наночастиц]]
[[Файл:Single frame in NTA.jpg|thumb|160px|right|alt=Типичная картина рассеяния излучения на индивидуальных наночастицах, получаемая в методе анализа траекторий наночастиц (один кадр видеозаписи)|Типичная картина рассеяния излучения на индивидуальных наночастицах, получаемая в методе анализа траекторий наночастиц (один кадр видеозаписи)]]
[[Файл:Single_track.jpg|thumb|160px|right|alt=Траектория единичной наночастицы.|Типичная 2D-траектория Броуновского движения отдельной наночастицы (скриншот программы NTA Software 2.2<ref>Программное обеспечение Nanoparticle Tracking Analysis (NTA)[http://www.nanosight.com/technology/nta-software Программное обеспечение Nanoparticle Tracking Analysis (NTA)]</ref>).]]
Для визуализации наночастиц используется 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|ультрамикроскоп]] сверху, под прямым углом к лазерному пучку, отдельные наночастицы выглядят как светлые точки на темном фоне. Высокочувствительная научная камера записывает видео Броуновского движения таких точек. Данная видеозапись в реальном времени передается на персональный компьютер для 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 [[Соотношение_Эйнштейна_Соотношение Эйнштейна (молекулярно-кинетическая_теориякинетическая теория)|уравнением Стокса-Эйнштейна]]. Строго говоря, в методе Анализа траекторий наночастиц регистрируется двумерная (2D) диффузия частиц, однако независимость всех трех еееё ортогональных компонент позволяет переписать уравнение в следующем виде, изменив только численный коэффициент:
:<math>{<(x,y)^2>\over 4} = D_t t = \frac{k_B T t}{3\pi\eta d},</math>
где <math><(x,y)^2>\,</math> — усредненный квадрат смещения частицы за временные промежутки <math>t\,</math> (длительность одного кадра видео),
:<math>d\,</math> — гидродинамический диаметр частицы.
По мере накопления статистики по отдельным частицам, происходит еееё суммирование в виде гистограммы распределения частиц по размерам. Количество шагов на траекториях наночастиц может быть различным. При этом для слишком коротких траекторий (2-5 шагов) погрешность измерения размера высока вследствие низкой статистической достоверности. Поэтому в гистограмму распределения частиц по размерам включаются только частицы с количеством шагов, удовлетворяющим требованиям необходимой точности анализа.
Помимо рассчитанного таким образом диаметра частицы, измеряется усредненная по всем кадрам интенсивность рассеяния этой же самой частицы. Эти данные потенциально могут быть использованы для дискриминации наночастиц в образце по их материалу, а также для обнаружения присутствия сильно анизотропных наночастиц (стержней, трубок, пластин).
== Диапазон размеров частиц ==
Метод Анализа траекторий наночастиц может применяется для коллоидных растворов частиц размером от 10<ref>10 nm Silver Nanoparticles Imaged Moving under Brownian Motion[http://www.azonano.com/nanotechnology-video-details.aspx?VidID=48 10 nm Silver Nanoparticles Imaged Moving under Brownian Motion]</ref> до 1000<ref name="Filipe"/> [[Нанометр|нм]]. Диапазон сильно зависит от характера конкретного образца. Нижняя граница определяется оптическими свойствами материала наночастиц<ref>Fundamental questions about NTA[http://www.nanosight.com/faq/fundamental-questions#Light-scattering Fundamental questions about NTA]</ref>. Наночастицы 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 может задаваться рядом лимитирующих факторов:
* [[Седиментация|Седиментационная устойчивость]] коллоидной системы. При высокой разнице в плотности материала частиц и раствора частицы размером, меньшим 1000 нм, уже будут быстро осаждаться, препятствуя измерениям.
* Проявление значительной анизотропии формы пятна рассеянного излучения вследствие появления преимущественных направлений рассеяния.
* При отсутствии упомянутых ограничений верхний предел диапазона задается точностью измерения положения частицы на отдельных кадрах в сравнении с еееё смещением между кадрами. Для типичного случая водных растворов эта граница примерно равна 1000 нм, однако может варьироваться как в большую, так и в меньшую сторону в зависимости от вязкости используемого растворителя.
== Дискриминация частиц по их материалу ==
:<math>R\,</math> — расстояние до частицы,
:<math>\theta\,</math> — угол рассеяния,
:<math>m_r\,</math> — комплексный [[Показатель преломления|показатель преломления]] материала частиц относительно растворителя, <math>m_r=n_r-ik_r\,</math>, где <math>n_r\,</math> - коэффициент преломления материала частиц относительно растворителя, <math>k_r\,</math> - относительный коэффициент поглощения, <math>i\,</math> - [[Мнимая единица|мнимая единица]]
<math>I_0\,</math>, <math>R\,</math>, <math>\theta\,</math> и <math>\lambda\,</math> постоянны в ходе эксперимента для всех частиц, поэтому выражение упрощается до
:<math> I \sim {d}^6 R_i \,</math>
[[Файл:NTA instrument setup (fluorescence mode).png|thumb|right|alt=Схема измерений флуоресцирующих частиц в методе анализа траекторий наночастиц.|Схема измерений флуоресцирующих частиц в методе анализа траекторий наночастиц]]
При изучении растворов [[Флуоресценция|флуоресцирующих]] наночастиц, например, [[Квантовая_точкаКвантовая точка|квантовых точек]], латексных наночастиц с включенным в состав полимера флуоресцентным красителем или специфически флуоресцентно-меченных биологических наночастиц ([[Экзосома|экзосом]], [[Липосома|липосом]], [[Вирусы|вирусных частиц]] и т.д.) используется особая конфигурация оборудования<ref>Visualization, Sizing and Counting of Fluorescent and Fluorescently-Labelled Nanoparticles [http://www.nanosight.com/applications/non-biological-nanoparticles/fluorescent-nanoparticles]</ref><ref name="Filipe2">V.Filipe, R.Poole, M.Kutscher, K.Forier, K.Braeckmans, and W.Jiskoot "Fluorescence Single Particle Tracking for the Characterization of Submicron Protein Aggregates in Biological Fluids and Complex Formulations"[http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3073042]</ref>. Между образцом и видеокамерой добавляется длинноволновый [[Светофильтр|светофильтр]], отсекающий излучение, упруго рассеянное частицами (с длиной волны лазера). Таким образом, на видео регистрируются только флуоресцирующие частицы. Это позволяет селективно изучать только интересующую исследователя фракцию наночастиц на фоне значительно превосходящего числа обычных.
Во флуоресцентном режиме аналогично основной конфигурации производится измерение распределения частиц по размерам<ref name="Filipe2" /> и их концентрации.
Два последовательных измерения - одно без, другое со светофильтром - позволяют оценить долю флуоресцирующих частиц в общем их количестве.
Отдельно стоит отметить, что метод не позволяет исследовать отдельные молекулы органических флуоресцентных красителей. Для этого используется [[Спектроскопия_одиночных_молекулСпектроскопия одиночных молекул|Флуоресцентная корреляционная спектроскопия]].
== Измерение <math>\zeta</math>-потенциала частиц ==
[[Файл:NTA instrument setup (zeta-potential).png|thumb|right|alt=Схема измерений <math>\zeta</math>-потенциала в методе анализа траекторий наночастиц.|Схема измерений <math>\zeta</math>-потенциала в методе анализа траекторий наночастиц.]]
[[Файл:Single track in Z-NTA.jpg|thumb|right|alt=Траектория движения наночастицы в электрическом поле|Траектория движения наночастицы в электрическом поле]]
Модификация метода анализа траекторий наночастиц, носящая название Z-NTA, позволяет производить измерение [[Электрокинетический потенциал|<math>\zeta</math>-потенциала]]<ref group="прим.">В русскоязычной литературе используется также термин электрокинетический потенциал</ref> отдельных частиц <ref name="zeta">Zeta Potential Analysis using Z-NTA [http://www.nanosight.com/applications/zeta-potential Zeta Potential Analysis using Z-NTA]</ref>. При приложении постоянной разности потенциалов к раствору находящиеся в нем наночастицы начинают двигаться от одного электрода к другому со скоростью, зависящей от их <math>\zeta</math>-потенциала. Усредненная скорость движения <math><u>\,</math> в этом направлении используется для расчета <math>\zeta</math>-потенциала каждой частицы по уравнению Гельмгольца-Смолуховского:
:<math>\zeta\ = \frac {4 \pi \eta <u>}{\epsilon_0 \epsilon E},</math>
где <math>\eta\,</math> — [[вязкость]] жидкости,
:<math>\epsilon_0\,</math> — [[Диэлектрическая_постояннаяДиэлектрическая постоянная|электрическая постоянная]],
:<math>\epsilon\,</math> — [[Относительная_диэлектрическая_проницаемость|относительная диэлектрическая проницаемость]] жидкости,
:<math>E\,</math> — [[Напряжённость_электрического_поляНапряжённость электрического поля|напряженность электрического поля]].
Как уже было сказано, ортогональные компоненты Броуновского движения частиц независимы. Поэтому хаотическое движение частицы в направлении, перпендикулярном направленному электрофоретическому, может быть использовано для одновременного измерения еееё размера.
Это позволяет не только получить гистограмму распределения наночастиц по <math>\zeta</math>-потенциалам, но и изучить, как он зависит от размера частиц <ref name="zeta" />.
| 