Численная концентрация наночастиц (нанообъектов) – один из важных параметров водных дисперсий. Проблема измерения численной концентрации наночастиц актуальная при контроле синтеза наночастиц как в научной лаборатории при проведении исследований, так и на производстве, в котором используются дисперсные системы, содержащие наночастицы. Этот параметр также может быть использован при разработке методик контроля качества продукции, содержащей наночастицы.
Измерение концентрации наночастиц можно реализовать методом ультрамикроскопии, при помощи прибора на основе оптического микроскопа со специальным лазерным освещением образца – ультрамикроскопа. При освещении лазером образца так, чтобы луч лазера составлял 90 градусов с оптической осью наблюдения микроскопа, в поле зрения будет видно рассеяния лазерного излучения в образце. Если в жидкости нет наночастиц, то будет иметь место только рассеяния лазерного излучения на молекулах жидкости. Молекулы имеют небольшой размер и так как интенсивность рассеяния пропорциональная размеру части в шестой степени (I~R^6), то рассеяние на молекулах очень слабое и, например, для воды, практически не заметно глазом. В чистой жидкости при наблюдении методом ультрамикроскопии в поле зрения никаких объектов не будет видно. При наличии в жидкости наночастиц, каждая частица будет рассеивать свет, и будет представлять собой яркую светящуюся точку в поле зрения. Такие светящиеся точки будут совершать броуновское движение. Типичный вид поля зрения ультрамикроскопа показан на рисунке ниже. Важно отметить, что в ультрамикроскоп наблюдаются не сами наночастицы, а рассеянный ими свет. Поэтому для визуализации наночастиц таким образом ограничения, связанного с дифракционным пределом в данном методе нет.
Минимальный размер частиц, с которыми может работать ультрамикроскоп, зависит от материала частиц, мощности лазера и чувствительности используемой цифровой камеры. Рабочие концентрации 10^6 – 10^9 шт/мл – такие, чтобы в поле зрения частиц было достаточно много, но они не закрывали друг друга. При этом образцы с более высокой концентрацией могут быть предварительно контролируемо разбавлены для рабочих концентраций метода. Лазер может быть использован разных длин вол, главное необходимо иметь достаточную мощность, обычно от 30-40 мВт и более. Чем выше будет чувствительность цифровой камеры, тем более мелкие частицы можно будет наблюдать данным прибором.
Для удобства работы с ультрамикроскопом необходимо специализированное программное обеспечение (ПО), позволяющее в реальном времени или по анализу ранее записанного видеофайла получить информацию о концентрации частиц в образце. Для работы такого ПО необходима предварительная калибровка прибора, позволяющая оценить объем образца, в котором происходит измерения. Также необходимо иметь возможность программно отличать на изображении объекты интереса (ОИ) от артефактов.
Анализ видеосигнала или видео файла покадрово позволяет за счет большой выборки (число проанализированных кадров) получить хорошее усреднение при каждом измерении и избежать ошибок связанных со случайным попаданием артефактов в поле зрения прибора.
Простота и скорость проведения измерений, низкая себестоимость одного измерения, развитие лазерных технологий и технологий производства цифровых камер, наглядность эксперимента, рост интереса к нанотехнологиям в различных отраслях производства позволят данному методу получить широкое распространение в ближайшее время, как в научной среде, так и в прикладных задачах.