Наночастицы сегодня используются повсеместно — от медицины и фармакологии до электроники и экологии. Их уникальные свойства во многом зависят от размера, который обычно лежит в диапазоне от 1 до 100 нанометров. Именно на этом масштабе начинают проявляться квантовые эффекты, а огромное отношение площади поверхности к объёму делает наночастицы невероятно активными. Но как точно измерить размер этих крошечных объектов?
Зачем нужно знать размер наночастиц?
– В медицине — от размера зависит, как частицы будут вести себя в организме: смогут ли они проникнуть через клеточные барьеры, накопиться в опухоли или вывестись через почки.
– В катализе — чем меньше частица, тем больше активных центров на её поверхности, что напрямую влияет на эффективность химических реакций.
– В материаловедении — размер определяет прочность, оптические и магнитные свойства наноматериалов.
Без точного контроля размера невозможно гарантировать ни эффективность, ни безопасность нанотехнологий.
Как обычно измеряют наночастицы?
Существует несколько классических методов:
1. Электронная микроскопия (ПЭМ, СЭМ) — позволяет увидеть частицы «в лицо», но требует сложной пробоподготовки, дорогостоящего оборудования и не подходит для быстрых измерений в жидкой среде.
2. Динамическое рассеяние света (ДРС) — определяет гидродинамический радиус частиц в растворе, но может давать искажённые результаты для полидисперсных образцов.
3. Анализ траекторий наночастиц (NTA) — визуализирует движение частиц, но требует калибровки и сложного программного обеспечения.
Все эти методы имеют свои ограничения: одни сложны в использовании, другие требуют дорогого оборудования, третьи чувствительны к чистоте образцов. Поэтому разработка новых, простых и доступных методов остаётся актуальной задачей.
Новый подход: ультрамикроскопия + простая математика
Российские учёные предложили оригинальный метод, который сочетает в себе простоту и доступность. В его основе лежит принцип ультрамикроскопии, за открытие которого Рихард Зигмонди получил Нобелевскую премию ещё в 1925 году.
Как это работает?
1. С помощью прибора NP Counter (метод ультрамикроскопии) измеряется численная концентрация наночастиц в жидкости — то есть сколько частиц содержится в единице объёма.
2. Известна или измеряется массовая концентрация частиц в образце (её можно определить взвешиванием сухого остатка).
3. Из опубликованных данных узнаем плотность материала частиц (например, для золота — 19,32 г/см³, для SiO₂ — около 2,32 г/см³).
И тогда — простая формула:
Если мы знаем, сколько частиц в миллилитре и сколько они вместе весят, можно рассчитать среднюю массу одной частицы. А зная плотность материала, легко перейти к размеру, представив частицу в виде шарика.
Что уже удалось измерить?
Метод успешно апробирован на различных образцах:
– Наночастицы золота — полученные размеры (образец коллоидного золота, средний радиус 17 нм) хорошо согласуются с данными электронной микроскопии и ДРС.
– Наночастицы кремнезёма (SiO₂) — здесь метод выявил интересную особенность: расчётный размер оказался меньше, чем при измерениях другими методами. Это говорит о том, что частицы SiO₂ имеют пористую или полую структуру, и их эффективная плотность ниже, чем у объемного материала. Можно сделать из таких измерений оценку плотности материала наночастиц и оценку пористости.
– Наночастицы парафинов (н-алканов) — метод также показал хорошую сходимость с традиционными измерениями.
В чём преимущества нового метода?
– Простота и доступность — не требует сложного оборудования или дорогостоящих реагентов.
– Работа в жидкой среде — можно анализировать частицы прямо в растворе, без высушивания.
– Два в одном — метод позволяет не только измерить размер, но и оценить плотность материала частиц, что особенно важно для изучения пористых наноструктур.
Для кого этот метод?
– Научные лаборатории, занимающиеся синтезом наноматериалов.
– Фармацевтические компании, разрабатывающие системы доставки лекарств.
– Производители катализаторов, сорбентов, оптических и электронных материалов.
– Учебные заведения — для демонстрации принципов нанотехнологий студентам.
Новый метод открывает возможности для быстрого, точного и экономичного анализа наночастиц в самых разных областях — от биомедицины до материаловедения.
Узнать больше о приборе NP Counter и методике измерений можно на сайте http://npcounter.ru