RU2630447C1 - Способ определения размеров наночастиц, добавленных в исходный коллоидный раствор - Google Patents

Способ определения размеров наночастиц, добавленных в исходный коллоидный раствор Download PDF

Info

Publication number
RU2630447C1
RU2630447C1 RU2016144835A RU2016144835A RU2630447C1 RU 2630447 C1 RU2630447 C1 RU 2630447C1 RU 2016144835 A RU2016144835 A RU 2016144835A RU 2016144835 A RU2016144835 A RU 2016144835A RU 2630447 C1 RU2630447 C1 RU 2630447C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
nanoparticles
solution
added
initial
size distribution
Prior art date
Application number
RU2016144835A
Other languages
English (en)
Inventor
Александр Давидович Левин
Екатерина Александровна Шмыткова
Антон Юрьевич Садагов
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ" (ФГУП "ВНИИОФИ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ" (ФГУП "ВНИИОФИ") filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ" (ФГУП "ВНИИОФИ")
Priority to RU2016144835A priority Critical patent/RU2630447C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2630447C1 publication Critical patent/RU2630447C1/ru

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y35/00Methods or apparatus for measurement or analysis of nanostructures
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/02Investigating particle size or size distribution
    • G01N15/0205Investigating particle size or size distribution by optical means

Landscapes

  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области исследования и анализа материалов. Способ определения размеров наночастиц, добавленных в исходный коллоидный раствор, включает облучение раствора с добавленными наночастицами лазерным излучением. Измерение текущей интенсивности рассеянного излучения в течение заданного периода времени и расчет распределения по размерам наночастиц в указанном растворе Iобр(d) методом динамического рассеяния. При этом предварительно аналогичным образом получают распределение по размерам наночастиц в исходном растворе Iф(d), измеряют среднюю скорость счета фотонов в течение указанного периода времени для исходного раствора Рф и раствора с добавленными наночастицами Робр и измеряют коэффициенты пропускания на длине волны лазерного излучения для исходного раствора Тф и раствора с добавленными наночастицами Тобр. Распределение по размерам добавленных наночастиц рассчитывают как
Figure 00000016
. Технический результат заключается в упрощении определения размеров наночастиц, добавленных в исходный коллоидный раствор. 3 ил.

Description

Изобретение относится к области исследования и анализа материалов, а именно к способам измерения параметров наночастиц, взвешенных в жидкости, оптическими методами, и может быть использовано для определения размеров и распределений по размерам наночастиц, добавляемых в исходный коллоидный раствор, в котором уже присутствуют наночастицы, отличные от добавляемых.
Предлагаемый способ может быть использован в биомедицинских технологиях, в случаях, когда в биосистему, содержащую естественные компоненты нанометрового диапазона (например, белковые молекулы в плазме крови), вводят биосовместимые нанообъекты с лекарственными препаратами. Возникает задача отслеживания поведения добавляемых наночастиц в многокомпонентной дисперсии, а именно - изменения размеров вводимых частиц, например, из-за образования оболочек или агрегации частиц.
Для получения информации о размере и распределении по размерам наночастиц используются такие оптические методы, как статическое рассеяние, лазерная дифракция и динамическое рассеяние света (метод фотонно-корреляционной спектроскопии). Лазерная дифракция и статическое рассеяние света основаны на измерении зависимости интенсивности рассеянного излучения от угла рассеяния и вычислении из полученной зависимости размеров и распределений по размерам рассеивающих частиц, для расчетов применяются теория Фраунгофера (лазерная дифракции) и теория Ми (статическое рассеяние света).
Метод динамического рассеяния света (ДРС) основан на измерении флуктуаций интенсивности лазерного излучения, рассеянного частицами. Для зарегистрированных зависимостей интенсивности рассеянного излучения от времени определяют автокорреляционные функции (АКФ). Вычисление по измеренной АКФ размеров анализируемых частиц осуществляют с помощью математических алгоритмов, простейшим из которых является метод кумулянтов, рекомендуемый стандартами (ISO 22412-2008. Particle size analysis - Dynamic light scattering (DLS), 2011). Этот метод заключается в разложении АКФ в ряд и использовании коэффициентов этого ряда (кумулянтов) для определения среднего гидродинамического диаметра. Для восстановления распределений по размерам используют алгоритмы обратного преобразования Лапласа, например, CONTIN или NNLS (ASTM Е2490-09. Standard Guide for Measurement of Particle Size Distribution of Nanomaterials in Suspension by Photon Correlation Spectroscopy (PCS), 2015). Вычисляемая таким образом, функция распределения показывает относительный вклад частиц с определенным диаметром в интенсивность рассеянного излучения и называется распределением по размерам. В современных приборах расчет распределения по размерам производится автоматически.
Скорость счета фотонов (число импульсов в секунду) является показателем реальной интенсивности рассеянного света и в современных приборах ДРС используется как дополнительная оптическая характеристика, вспомогательный параметр при подборе оптического фильтра, и в расчетах не участвует. Использование в вычислениях скорости счета фотонов известно, однако, для решения другой задачи - для определения относительной концентрации наночастиц в одном из образцов по отношению к другому методом ДРС (В.В. Высоцкий, О.Я. Урюпина, А.В. Гусельникова, В.И. Ролдугин. О возможности определения концентрации частиц методом динамического светорассеяния, Коллоидный журнал, 2009, том 71, №6, с. 728-733).
Из уровня техники известен способ определения размеров наночастиц, включающий облучение раствора с наночастицами лазерным излучением, измерение для него текущей интенсивности рассеянного излучения в течение заданного периода времени и расчет распределения по размерам наночастиц в указанном растворе Iобр(d) методом динамического рассеяния (см. патент US 2016169878, кл. G01N 33/543, опубл. 16.06.2016). Основным недостатком этого способа является то, что при вычислении размеров наночастиц, добавленных в исходный коллоидный раствор, требуется, чтобы рассеяние на вводимых частицах не менее чем на порядок, превышало рассеяние от наночастиц, изначально находившихся в растворе. Приходится либо разбавлять исходную коллоидную систему, либо увеличивать концентрацию добавляемых частиц, что в некоторых случаях крайне нежелательно, например в плазме крови и других биологических средах.
Для оптически анизотропных частиц используют метод деполяризованного ДРС (ДДРС), который предусматривает измерение АКФ интенсивности при двух положениях поляризационного анализатора в системе сбора рассеянного излучения: одно из них обеспечивает поляризацию VV, совпадающую с поляризацией падающего излучения, другое - поляризацию VH, перпендикулярную ей (с помощью поворота поляризационного анализатора на угол 90°). Измеряют АКФ интенсивности рассеянного света при двух положениях поляризационного анализатора: VV и VH. По измеренным АКФ вычисляют коэффициенты трансляционной и ротационной диффузии, по коэффициентам диффузии - размеры исследуемых частиц.
Наиболее близким к заявляемому является способ определения размеров наночастиц, добавленных в исходный коллоидный раствор, включающий облучение раствора с добавленными наночастицами лазерным излучением, измерение для него текущей интенсивности рассеянного излучения в течение заданного периода времени и расчет распределения по размерам наночастиц в указанном растворе Iобр(d) методом динамического рассеяния (S. Balog et al. Characterizing nanoparticles in complex biological media and physiological fluids with depolarized dynamic light scattering // Nanoscale, 2015, V. 7, PP. 5991-5997). Этот способ позволяет определять размеры анизотропных золотых наночастиц, добавляемых в жидкую среду, содержащую различные рассеивающие нанообъекты, методом деполяризованного ДРС. Подход основан на том, что нанообъекты в исходном растворе оптически изотропны, а добавляемые наночастицы - оптически анизотропны, при этом вклад в деполяризованную компоненту рассеянного излучения вносят только анизотропные частицы. Основным недостатком такого способа является невозможность его применения в случае, если добавляемые частицы оптически изотропны (например, липосомы). Кроме того, этот способ требует наличия дорогого прибора деполяризованного ДРС, который имеется далеко не во всякой исследовательской лаборатории.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и разработка способа, который может быть реализован с помощью стандартного оборудования. Технической результат заключается в упрощении определения размеров наночастиц, добавленных в исходный коллоидный раствор. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в способе определения размеров наночастиц, добавленных в исходный коллоидный раствор, включающем облучение раствора с добавленными наночастицами лазерным излучением, измерение для него текущей интенсивности рассеянного излучения в течение заданного периода времени и расчет распределения по размерам наночастиц в указанном растворе Iобр(d) методом динамического рассеяния, предварительно аналогичным образом получают распределение по размерам наночастиц в исходном растворе Iф(d), измеряют среднюю скорость счета фотонов в течение указанного периода времени для исходного раствора Рф и раствора с добавленными наночастицами Робр, измеряют коэффициенты пропускания на длине волны лазерного излучения для исходного раствора Тф и раствора с добавленными наночастицами Тобр, после чего рассчитывают распределение по размерам добавленных наночастиц как
Figure 00000001
, где
Figure 00000002
, а
Figure 00000003
.
На фиг. 1 представлено распределение по размерам наночастиц в исходном растворе (плазме крови) Iф(d), в относительных единицах;
на фиг. 2 - в растворе с добавленными наночастицами (липосомы в плазме крови) Iобр(d), в относительных единицах;
на фиг. 3 - распределение Iр(d) для липосом, в единицах скорости счета фотонов.
В современных приборах ДРС интенсивность рассеянного излучения измеряется в относительных единицах, разных для каждого образца. Суть предлагаемого способа заключается в переходе от относительных единиц к единицам скорости счета фотонов, которые будут одинаковы для всех образцов, измеренных на одном приборе ДРС. Таким образом, предлагаемый способ не будет зависеть от поляризационных свойств исследуемых частиц и не потребует переоборудования стандартного прибора ДРС.
Предлагаемый способ подразумевает реализацию следующей последовательности действий.
1) В кювету с прозрачными стенками, предназначенную для измерений размеров наночастиц методом ДРС, помещают исходный коллоидный раствор (фон), содержащий наночастицы не известного заранее размера.
2) Кювету устанавливают в измерительный отсек анализатора размеров частиц, реализующего метод ДРС (например, прибора АРН-2, Malvern Zetasizer). Исходный раствора облучают лазерным излучением и в течение 2-3 минут измеряют текущую интенсивность рассеянного излучения, на основе которой прибор автоматически рассчитывает распределение по размерам фоновых наночастиц в указанном исходном растворе Iф(d). Существующие анализаторы размеров частиц выдают результат измерения в относительных единицах, которые различны для разных образцов. Параллельно измеряют среднюю скорость счета фотонов в течение указанного периода времени для исходного раствора Рф.
3) С помощью спектрофотометра измеряют коэффициент пропускания исходного коллоидного раствора Тф на длине волны лазерного излучения.
4) Затем в исходный коллоидный раствор добавляют исследуемые наночастицы также не известного заранее размера.
5) Полученный образец раствора вновь облучают лазерным излучением и в течение 2-3 минут измеряют текущую интенсивность рассеянного излучения, на основе которой прибор автоматически рассчитывает распределение по размерам в растворе с добавленными наночастицами Iобр(d), выраженное в относительных единицах. Параллельно измеряют среднюю скорость счета фотонов в течение указанного периода времени Робр.
6) С помощью спектрофотометра измеряют коэффициент пропускания полученного образца раствора с добавленными наночастицами Тобр на длине волны лазерного излучения.
7) В обоих полученных распределениях Iф(d) и Iобр(d) осуществляют переход от относительной шкалы интенсивности к шкале, выраженной в единицах скорости счета фотонов (имп/с), скорректированной с учетом эффекта внутреннего фильтра (поглощения падающего и рассеянного излучения при прохождении внутри кюветы).
8) Приведенное распределение для исходного раствора вычитают из аналогично приведенного распределения для раствора с добавленными наночастицами и получают искомое распределение по размерам добавленных наночастиц Ip(d).
Упомянутый переход от относительной шкалы интенсивности к шкале, выраженной в единицах скорости счета фотонов (имп/с), осуществляют путем использования интегрального значения распределения в относительных единицах и средней скорости счета фотонов, которую измеряет анализатор размеров частиц. Интегральное значение распределения рассчитывают следующим образом.
Пусть I(d) - относительная интенсивность рассеянного излучения. Если весь диапазон распределения по размерам разделить на N интервалов (k - номер интервала, а Ik(d) - относительная интенсивность рассеянного излучения на k-том интервале), то
Figure 00000004
,
где
Figure 00000005
- интенсивность в единицах скорости счета на k-м интервале (имп/с), F - коэффициент пропорциональности. При этом
Figure 00000006
,
где Р - средняя скорость счета (имп/с). Тогда
Figure 00000007
.
При уменьшении величины интервалов
Figure 00000008
.
Определив таким образом коэффициент F, можно от интенсивностей в относительных единицах перейти к интенсивностям, выраженным в единицах скорости счета.
Однако для корректного перехода необходимо дополнительно учесть коэффициенты пропускания Тобр и Тф, т.к. в некоторых анализаторах размеров частиц оптическая схема построена таким образом, что рассеивающий объем находится в центре поперечного сечения кюветы и имеет место эффект внутреннего фильтра. Корректировка, учитывающая эффект внутреннего фильтра, основана на том, что для указанных оптических схем искомая средняя скорость счета фотонов Р* зависит от пропускания кюветы Т и полученной средней скорости счета фотонов Р как
Figure 00000009
.
Исходя из предложенного алгоритма, Iобр(d) и Iф(d), разбивают на интервалы и получают соответствующие интегральные значения. После чего искомое распределение по размерам добавленных наночастиц рассчитывают по формуле
Figure 00000010
, где
Figure 00000011
, а
Figure 00000012
.
Пример.
Для проверки предложенного способа были исследованы изменения размеров липосом при их попадании в плазму крови человека. В настоящее время липосомы рассматриваются как перспективные носители для адресной доставки лекарств, поэтому их поведение в плазме, особенно неразбавленной, представляет значительный интерес. Всего были исследованы образцы плазмы от 5 доноров, предоставленные РНИМУ им. Н.И. Пирогова.
Вначале измерили распределения Iф(d) для исходных образцов плазмы, далее в плазму ввели концентрированную суспензию липосом (80 мкл на 1 мл плазмы) и измерили распределение Iобр(d) для полученного таким образом раствора. Измерения проводили на ДРС анализаторе АРН-2 при угле рассеяния 90°, коэффициенты пропускания измерили на спектрофотометре СФФ-2 «ФЛУОРАН» (оба прибора разработаны ФГУП «ВНИИОФИ»). Затем произвели обработку полученных данных согласно предлагаемому способу. Результаты измерений и их обработки приведены на фиг. 1-3. Полученное распределение по размерам добавленных наночастиц соответствует теоретическим расчетам.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет быстро и просто определять размеры наночастиц, добавленных в исходный коллоидный раствор, используя при этом стандартное лабораторное оборудование.

Claims (3)

  1. Способ определения размеров наночастиц, добавленных в исходный коллоидный раствор, включающий облучение раствора с добавленными наночастицами лазерным излучением, измерение для него текущей интенсивности рассеянного излучения в течение заданного периода времени и расчет распределения по размерам наночастиц в указанном растворе Iобр(d) методом динамического рассеяния, отличающийся тем, что предварительно аналогичным образом получают распределение по размерам наночастиц в исходном растворе Iф(d), измеряют среднюю скорость счета фотонов в течение указанного периода времени для исходного раствора Рф и раствора с добавленными наночастицами Робр, измеряют коэффициенты пропускания на длине волны лазерного излучения для исходного раствора Тф и раствора с добавленными наночастицами Тобр, после чего рассчитывают распределение по размерам добавленных наночастиц как
  2. Figure 00000013
    где
  3. Figure 00000014
    а
    Figure 00000015
    .
RU2016144835A 2016-11-16 2016-11-16 Способ определения размеров наночастиц, добавленных в исходный коллоидный раствор RU2630447C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016144835A RU2630447C1 (ru) 2016-11-16 2016-11-16 Способ определения размеров наночастиц, добавленных в исходный коллоидный раствор

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016144835A RU2630447C1 (ru) 2016-11-16 2016-11-16 Способ определения размеров наночастиц, добавленных в исходный коллоидный раствор

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2630447C1 true RU2630447C1 (ru) 2017-09-07

Family

ID=59797580

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016144835A RU2630447C1 (ru) 2016-11-16 2016-11-16 Способ определения размеров наночастиц, добавленных в исходный коллоидный раствор

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2630447C1 (ru)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7187441B1 (en) * 1996-11-08 2007-03-06 The Texas A&M University System Particle analysis system and method
RU2395796C1 (ru) * 2009-05-20 2010-07-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ" (ФГУП "ВНИИОФИ") Способ оценки размеров наночастиц в жидких средах при анализе их элементного состава

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7187441B1 (en) * 1996-11-08 2007-03-06 The Texas A&M University System Particle analysis system and method
RU2395796C1 (ru) * 2009-05-20 2010-07-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ" (ФГУП "ВНИИОФИ") Способ оценки размеров наночастиц в жидких средах при анализе их элементного состава

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Hoo, Christopher M., и др. "A comparison of atomic force microscopy (AFM) and dynamic light scattering (DLS) methods to characterize nanoparticle size distributions.", Journal of Nanoparticle Research, Т. 10, N1, стр. 89-96, 2008г. *
Levin A. D. и др. " Development of optical-spectral techniques for the characterization of nanoparticles", Nanotechnologies in Russia, Т. 8. N 5-6, стр. 373-378, 2013 г. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Falke et al. Dynamic light scattering (DLS) principles, perspectives, applications to biological samples
Khlebtsov et al. On the measurement of gold nanoparticle sizes by the dynamic light scattering method
Karmakar Particle size distribution and zeta potential based on dynamic light scattering: Techniques to characterize stability and surface charge distribution of charged colloids
Pecora Dynamic light scattering measurement of nanometer particles in liquids
Friebel et al. Determination of optical properties of human blood<? xpp qa?> in the spectral range 250 to 1100 nm using Monte Carlo simulations with hematocrit-dependent effective scattering phase functions
Gollwitzer et al. A comparison of techniques for size measurement of nanoparticles in cell culture medium
Safari et al. Differential dynamic microscopy of weakly scattering and polydisperse protein-rich clusters
JPH10111250A (ja) 血漿分析装置
Nikitin et al. Laser ektacytometry and evaluation of statistical characteristics of inhomogeneous ensembles of red blood cells
Maltsev et al. Optics of white blood cells: optical models, simulations, and experiments
Yastrebova et al. Spectral approach to recognize spherical particles among non-spherical ones by angle-resolved light scattering
Friebel et al. Influence of shear rate on the optical properties of human blood in the spectral range 250 to 1100 nm
Narvekar et al. pH dependent aggregation and conformation changes of rituximab using SAXS and its comparison with the standard regulatory approach of biophysical characterization
RU2630447C1 (ru) Способ определения размеров наночастиц, добавленных в исходный коллоидный раствор
RU2677703C1 (ru) Способ измерения концентрации аналита в плазме крови
DE102017121587A1 (de) Verfahren zum simultanen Bestimmen von Proben-Eigenschaften und Partikelmess-Vorrichtung
Delfino et al. Scattering-based optical techniques for olive oil characterization and quality control
Lomakin et al. Quasielastic light scattering study of amyloid β-protein fibrillogenesis
RU2395796C1 (ru) Способ оценки размеров наночастиц в жидких средах при анализе их элементного состава
Levin et al. Estimation of the dimensions of nanoparticles in multicomponent colloidal sysems by dynamic light scattering
RU2586938C1 (ru) Способ определения оптических свойств наночастиц
Nossal 7. Laser Light Scattering
Lomakin et al. Quasielastic light scattering study of amyloid β-protein fibril formation
RU2585113C2 (ru) Способ измерения параметров распределения эритроцитов по деформируемости
Goulden Spectroturbidimetry of emulsions