eng
Выпуск #1/2026
В.Н.Курьяков
ВОЗМОЖНОСТИ И ПЕРСПЕКТИВЫ МЕТОДА УЛЬТРАМИКРОСКОПИИ В РЕШЕНИИ НАУЧНЫХ И ПРИКЛАДНЫХ ЗАДАЧ
ВОЗМОЖНОСТИ И ПЕРСПЕКТИВЫ МЕТОДА УЛЬТРАМИКРОСКОПИИ В РЕШЕНИИ НАУЧНЫХ И ПРИКЛАДНЫХ ЗАДАЧ
Просмотры: 429
DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2026.19.1.46.54
В статье рассматриваются возможности современной ультрамикроскопии – оптического метода, основанного на визуализации рассеяния света от отдельных нанообъектов. Обсуждаются принципы метода, его отличия от классических микроскопических и светорассеивающих методик. На конкретных примерах из практики демонстрируется широкий спектр прикладных задач, решаемых с помощью ультрамикроскопии: определение размеров и численной концентрации наночастиц (включая металлические, оксидные и органические), оценка плотности и пористости наночастиц, исследование процессов агрегации и определение порога устойчивости коллоидных систем (на примере асфальтенов), детектирование нанопузырьков и контроль чистоты жидкостей. Показано, что метод, сочетаявысокую чувствительность, возможность работы с нативными образцами и экспрессность измерений, является мощным инструментом для наноиндустрии, материаловедения, нефтегазовой отрасли и аналитического контроля.
В статье рассматриваются возможности современной ультрамикроскопии – оптического метода, основанного на визуализации рассеяния света от отдельных нанообъектов. Обсуждаются принципы метода, его отличия от классических микроскопических и светорассеивающих методик. На конкретных примерах из практики демонстрируется широкий спектр прикладных задач, решаемых с помощью ультрамикроскопии: определение размеров и численной концентрации наночастиц (включая металлические, оксидные и органические), оценка плотности и пористости наночастиц, исследование процессов агрегации и определение порога устойчивости коллоидных систем (на примере асфальтенов), детектирование нанопузырьков и контроль чистоты жидкостей. Показано, что метод, сочетаявысокую чувствительность, возможность работы с нативными образцами и экспрессность измерений, является мощным инструментом для наноиндустрии, материаловедения, нефтегазовой отрасли и аналитического контроля.
Получено: 19.01.2026 г. | Принято: 30.01.2026 г. | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2026.19.1.46.54
Научная статья
ВОЗМОЖНОСТИ И ПЕРСПЕКТИВЫ МЕТОДА УЛЬТРАМИКРОСКОПИИ В РЕШЕНИИ НАУЧНЫХ И ПРИКЛАДНЫХ ЗАДАЧ
В.Н.Курьяков1, к.ф.-м.н., вед. науч. сотр., ORCID: 0000-0002-1271-8082 / vladimir.kuryakov@ipng.ru
Аннотация. В статье рассматриваются возможности современной ультрамикроскопии – оптического метода, основанного на визуализации рассеяния света от отдельных нанообъектов. Обсуждаются принципы метода, его отличия от классических микроскопических и светорассеивающих методик. На конкретных примерах из практики демонстрируется широкий спектр прикладных задач, решаемых с помощью ультрамикроскопии: определение размеров и численной концентрации наночастиц (включая металлические, оксидные и органические), оценка плотности и пористости наночастиц, исследование процессов агрегации и определение порога устойчивости коллоидных систем (на примере асфальтенов), детектирование нанопузырьков и контроль чистоты жидкостей. Показано, что метод, сочетая высокую чувствительность, возможность работы с нативными образцами и экспрессность измерений, является мощным инструментом для наноиндустрии, материаловедения, нефтегазовой отрасли и аналитического контроля.
Ключевые слова: ультрамикроскопия, наночастицы, численная концентрация, агрегация, нанопузырьки, контроль чистоты, прикладные задачи
Для цитирования: В.Н. Курьяков. Возможности и перспективы метода ультрамикроскопии в решении научных и прикладных задач. НАНОИНДУСТРИЯ. 2026. Т. 19. № 1. С. 46–54. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2026.19.1.46.54.
ВВЕДЕНИЕ
Стремительное развитие нанотехнологий предъявляет высокие требования к методам характеризации нанообъектов. Точное знание размера, концентрации и других параметров наночастиц (НЧ) является критически важным как для фундаментальных исследований, так и для прикладных задач в медицине, катализе, электронике, нефтегазовой отрасли и экологии [1, 2]. Существующие экспериментальные методы исследования НЧ (электронная микроскопия, атомно-силовая микроскопия, динамическое светорассеяние (ДРС)) имеют свои ограничения: необходимость вакуумирования образца для исследований, сложность подготовки проб, или усреднение результатов по ансамблю частиц.
В этом контексте возрождается интерес к методу ультрамикроскопии, за разработку которого Рихард Зигмонди был удостоен Нобелевской премии по химии в 1925 году. Современная ультрамикроскопия, объединившая классический принцип темнопольного наблюдения с лазерным освещением, высокочувствительными цифровыми камерами и мощными вычислительными алгоритмами, превратилась в высокоэффективный аналитический инструмент для работы с нанообъектами в жидкостях [3]. На рынке аналитического оборудования имеется несколько приборов, работающих на принципе ультрамикроскопии, например, NanoSight NS300 от компании Malvern (Англия), или ZetaView от компании Particle Metrix (Германия). С 2020 года выпускается российский прибор NP Counter (ООО "НП ВИЖН"). В середине прошлого века в СССР был разработан и широко использовался счетчик частиц Дерягина-Власенко, который работал на схожем принципе, но найти информацию в научных статьях за последние 20 лет об использовании такого прибора в исследованиях не удалось.
Данная статья обобщает опубликованную информацию по применению этого метода для решения разнообразных практических задач.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Принцип метода ультрамикроскопии заключается в специальном боковом освещении малого объема пробы (обычно 0,4–1 мкл) мощным сфокусированным лазерным лучом и наблюдении рассеянного от отдельных нанообъектов света под углом 90° с помощью оптического микроскопа с увеличением 10–20 крат. В поле зрения при этом наблюдаются отдельные светящиеся точки на темном фоне (рис.1), каждая из которых соответствует рассеянию от одной наночастицы. Сами частицы не видны, наблюдается рассеяние света на частицах, но их наличие и движение четко детектируется. При таком подходе наблюдения ограничений визуализации НЧ, связанных с дифракционным пределом, нет.
Таким образом, метод ультрамикроскопии позволяет проводить измерение численной концентрации НЧ от 105 частиц/мл для стандартной модификации прибора и до более низких концентраций при использовании проточной кюветы. При более высоких концентрациях НЧ в исследуемом образце (более 108 частиц/мл) требуется предварительное контролируемое разбавление образца чистой дисперсионной средой, измерение концентрации в таком разбавленном образце и расчет концентрации в исходном образце с учетом кратности разбавления. Минимальный размер частиц, детектируемый методом ультрамикроскопии, – несколько нанометров и зависит от чувствительности используемой в приборе цифровой камеры, мощности лазера и рассеивающей способности исследуемых частиц. Для проведения исследований требуется не более 0,5 мл образца. Объем наблюдения порядка 1,2 · 10–⁷ мл, что позволяет путем подсчета частиц в серии видеокадров с хорошей точностью определять их среднюю численную концентрацию. Каждый кадр записанного видео с изображением рассеяния от НЧ исследуемого образца является отдельным измерением, на множестве кадров проводится усреднение и определение значения средней концентрации частиц в единице объема жидкости.
Наблюдение броуновского движения и его анализ позволяет определить средний квадрат смещения каждой отдельной частицы, рассчитать коэффициент диффузии и, используя соотношение Стокса – Эйнштейна, сделать оценку гидродинамического радиуса НЧ. Это позволяет получить информацию о распределение частиц по размерам в образце. Важно отметить преимущества данного метода: возможность работы с нативными образцами в жидкой среде без необходимости сушки; прямое измерение численной концентрации; высокая чувствительность к появлению первых агрегатов; возможность анализа полидисперсных систем; оперативность измерений.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Измерение численной концентрации нано- и субмикронных объектов в жидких средах
Прямое наблюдение за НЧ в жидкости при помощи метода ультрамикроскопии позволяет измерять их численную концентрацию. Большинство используемых в данный момент методик для измерения концентрации НЧ в жидкости являются непрямыми, то есть измеряют некоторую характеристику образца, которая связана с концентрацией НЧ в нем. При таком подходе необходима либо предварительно построенная калибровочная зависимость такого параметра от концентрации НЧ, либо информация об оптических свойствах НЧ, что делает такие непрямые методы не универсальными. Для измерения численной концентрации НЧ методом ультрамикроскопии не требуется предварительных градуировочных зависимостей и информации об оптических свойствах НЧ. Необходимо, чтобы интенсивности рассеяния от отдельных НЧ было достаточно для детектирования их используемой в приборе цифровой камерой. Форма НЧ существенно не влияет на возможность измерения их концентрации. В оптической схеме ультрамикроскопии частицы разных форм (шарики, палочки, звездочки и др.) в поле зрения выглядят практически одинаково, как яркие светящиеся точки.
Измерение размеров наночастиц через массовую и численную концентрацию
В работе [5] предложен оригинальный подход для оценки среднего радиуса сферических НЧ с использованием метода ультрамикроскопии. Если для исследуемого образца известна массовая концентрация НЧ или ее можно измерить по сухому остатку (или она известна из информации о приготовлении образца) и измерена численная концентрация частиц в образце (при помощи ультрамикроскопии), а также известна плотность материала частиц (табличные данные для конкретного материала), то можно определить средний размер НЧ в приближении сферической формы частиц:
,
где M1 – средняя масса частицы; M – масса шара радиусом R с плотностью ρ; Cm и CN – массовая и численная концентрация частиц в образце соответственно; ρнч – плотность материала наночастиц; R1 – средний радиус частиц. Такой подход позволяет определить размер средней по массе НЧ. Метод был успешно апробирован на монодисперсных наночастицах золота, где результаты (радиус НЧ коллоидного золота17±2 нм) хорошо согласовались с данными ПЭМ и ДРС.
При таком подходе важно отметить, если для исследуемых НЧ их размер может быть измерен другим методом, то в приведенных выше формулах искомым параметром может выступать плотность материала НЧ. Это позволяет делать оценки пористости самих НЧ.
Исследование агрегации и определение порога устойчивости
В нефтегазовой отрасли критически важно определять точку начала (onset point) агрегации асфальтенов [6]. В работе [7] метод ультрамикроскопии впервые был применен для этой цели в модельной системе толуол-асфальтены-гептан. Метод показал более высокую чувствительность по сравнению с ДРС, детектируя появление первых агрегатов асфальтенов на более ранних стадиях нарушения устойчивости раствора (при 60 об.% гептана), в то время как ДРС фиксировал появление агрегатов только при 76 об.% гептана. Это позволяет использовать метод для экспресс-мониторинга стабильности нефтяных систем на самых ранних стадиях. Модификация ультрамикроскопа с инфракрасным лазером позволит применять данный подход для исследований менее прозрачных, более концентрированных, нефтяных систем.
Детектирование нанопузырьков и контроль чистоты жидкостей
Нанопузырьки (НП) – это газонаполненные полости с диаметром, как правило, менее 500 нм, обладающие уникальными физико-химическими свойствами благодаря своим размерам. В отличие от обычных микропузырьков, НП демонстрируют исключительную стабильность в жидких средах, сохраняясь в объеме жидкости в течение недель или даже месяцев. Согласно теории Эпштейна – Плессета [8], пузырек с радиусом 100 нм будет иметь внутреннее давление примерно в 14,4 раза выше атмосферного, а время его жизни не может превышать 1 мс, что противоречит экспериментам, в которых время жизни НП значительно больше, до нескольких дней. Парадокс между коротким временем жизни, предсказанным теорией Эпштейна – Плессета, и экспериментально наблюдаемым долгим временем жизни НП в воде до сих пор не разрешен. Существует несколько теорий, объясняющих возможность существования долгоживущих НП.
Нанопузырьки могут быть получены различными методами, включая ультразвуковую кавитацию, мембранную диффузию газа в жидкость и электрохимические процессы [9, 10]. Концентрации НП обычно невысокая, редко превышает 108 шт./мл, что затрудняет их детектирование широко используемыми экспериментальными методами (ДРС, спектроскопия и др.). Применение НП охватывает множество областей: биомедицина (контрастное усиление визуализации, доставка лекарств, оксигенация тканей); очистка воды (деградация загрязнителей, обеззараживание); сельское хозяйство (улучшение роста растений, прецизионная доставка агрохимикатов); горнодобывающая и обрабатывающая промышленность (улучшение пенной флотации, очистка поверхностей, подготовка воды и др.). Область исследований нанопузырьков относительно молода. Из-за трудностей получения и детектирования НП существует немного статей на эту тему, но их количество растет с каждым годом. В базе данных на сайте sciencedirect.com по запросу Nanobubbles в 2002 году было всего 4 статьи, а в 2024-м – уже 829.
Ультрамикроскопия является одним из немногих методов, позволяющих напрямую визуализировать нанопузырьки (НП) в объеме жидкости. В работе [11] был представлен новый способ генерации НП воздуха путем фильтрации воды через сухую мембрану, а их образование и изменение концентрации во времени успешно отслеживались с помощью комбинации ДРС и ультрамикроскопии.
Контроль жидкостей на содержание наноразмерных механических примесей
Важной прикладной задачей является контроль чистоты особо чистых жидкостей (воды, растворителей). Традиционные кондуктометрические методы не чувствительны к механическим наноразмерным примесям. Широко используемые лабораторные системы очистки воды, например, Milli-Q от компании Merck Millipore и другие позволяют получать сверхчистую воду типа I (ультрачистая) при помощи метода обратного осмоса.
Единственным параметром, характеризующим чистоту воды в таких системах очистки, является ее удельная проводимость (или удельное сопротивление). Контроля за содержанием наноразмерных примесей чаще всего в таких системах нет. Проведенный анализ серии образцов воды, с сопротивлением 18,2 МОм·см, полученных на нескольких коммерческих лабораторных системах очистки с обратным осмосом, показал наличие в такой воде наночастиц с концентрацией до 10⁷ частиц/мл, что может быть критично для микроэлектроники и фармацевтики.
В работе [12] метод ультрамикроскопии был использован для количественной оценки содержания твердых наноразмерных примесей в реакционно-чистых, специально подготовленных, растворителях: деионизованной воде и изопропаноле. Было показано, что даже в таких высокоочищенных средах присутствует значительное количество наночастиц размером более 20 нм: около 106 частиц/мл в воде и 105 частиц/мл в изопропаноле. Экстраполяция этих данных на размер более 1 нм позволила оценить общую концентрацию наноразмерных примесей на уровне 1011 частиц/мл для воды и 108 частиц/мл для изопропанола.
Измерение концентрации биологических субмикронных объектов
Для биологических объектов субмикронного масштаба также актуальна задача измерения их концентрации и размеров. Метод ультрамикроскопии с анализом траекторий движения наночастиц (Nanoparticle Tracking Analysis, NTA) востребован в исследованиях свойств внеклеточных везикул [13, 14]. Внеклеточные везикулы – это липидные шарообразные структуры размером от десятков нанометров до нескольких микрометров, которые выделяют клетки различных тканей или органов в окружающую их среду. Они найдены в различных жидкостях организма, в том числе в плазме крови, моче, слюне, грудном молоке и др.
Метод NTA считается оптимальным для исследования внеклеточных везикул, поскольку он позволяет одновременно определить два ключевых параметра: концентрацию и распределение частиц по размерам в нативном состоянии. В отличие от усредняющих методов, таких как динамическое рассеяние света (ДРС), NTA отслеживает броуновское движение каждой отдельной частицы в режиме реального времени, строя профиль гетерогенной популяции в диапазоне 10–1000 нм. Это критически важно, поскольку везикулы неоднородны по размеру. Анализ проводится в исходной среде, что сохраняет естественные биологические свойства образца. Дополнительным преимуществом является возможность флуоресцентного детектирования (NTA-Fluorescence), которое позволяет идентифицировать и характеризовать специфические субпопуляции везикул.
Главными ограничениями метода являются необходимость тщательной пробоподготовки для исключения примесей (белковых агрегатов, липопротеинов), ручная настройка параметров, влияющая на воспроизводимость, и относительно низкая пропускная способность. Тем не менее, NTA служит "золотым стандартом" для физической характеристики везикул, предоставляя уникальный набор данных (размер, концентрация, фенотип), который дополняет, но не заменяет молекулярный и морфологический анализ другими методами.
ВЫВОДЫ
Современная ультрамикроскопия, отмеченная в свое время Нобелевской премией, превратилась в уникальный и мощный аналитический инструмент для наноиндустрии. Ее ключевые преимущества: способность напрямую измерять численную концентрацию нанообъектов в их естественной среде, высокая чувствительность к начальным стадиям агрегации и возможность работы с широким классом материалов (от металлов и оксидов до органических соединений и газовых пузырьков) – открывают широкие перспективы для применения. Проведенный обзор опубликованных данных показал, что метод эффективен для решения таких разнообразных задач, как контроль размеров и концентрации синтезированных наночастиц; исследование пористости и внутренней структуры наночастиц; мониторинг стабильности и изучение кинетики агрегации в коллоидных системах (нефтяные системы, биопрепараты и др.); детектирование нанопузырьков и изучение их свойств; контроль чистоты технологических жидкостей и растворителей в микроэлектронике, фармацевтике и других высокотехнологичных отраслях. Проведенный обзор применения ультрамикроскопии в научных и прикладных задачах говорит об актуальности и перспективности дальнейшего развития приборной базы и методического обеспечения метода ультрамикроскопии для нужд российской науки и промышленности.
БЛАГОДАРНОСТИ
Работа выполнена в рамках государственного задания ИПНГ РАН № 125020501404-4.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Khan I., Saeed K., Idrees M. Nanoparticles: Properties, applications and toxicities // Arabian Journal of Chemistry. 2019. Vol. 12. PP. 908–931.
Eker F. et al. A Comprehensive Review of Nanoparticles: From Classification to Application and Toxicity // Molecules. 2024. Vol. 29. P. 3482.
Электронный источник: Описание метода ультрамикроскопии // Сайт ООО "НП ВИЖН". URL: https://npcounter.ru/ (дата обращения: 01.01.2026).
Filipe V. et al. Critical Evaluation of Nanoparticle Tracking Analysis (NTA) by NanoSight for the Measurement of Nanoparticles and Protein Aggregates // Pharm Res. 2010. Vol. 27. PP. 796–810.
Kuryakov V.N. et al. Measurement of Gold Nanoparticle Sizes by Ultramicroscopy // High Energy Chem. 2025. Vol. 59. PP. S52–S54.
Shadman M.M. et al. How much do you know about the methods for determining onset of asphaltene precipitation? // Petroleum. 2017. Vol. 3. PP. 287–291.
Kuryakov V.N. Onset Points and Kinetics of Asphaltene Aggregation in Model Petroleum Systems: Investigation Using Dynamic Light Scattering and Ultramicroscopy // Petroleum Chemistry. 2025. Vol. 65. PP. 654–658.
Epstein P.S., Plesset M.S. On the stability of gas bubbles in liquid-gas solutions // The Journal of Chemical Physics. 1950. Vol. 18. PP. 1505–1509.
Zhou L. et al. Nanobubbles: Generation, properties, and applications // Current Opinion in Colloid & Interface Science. 2021. Vol. 53. P. 101439.
Mahmoodi M. et al. Recent advances in nanobubble-based biomedical applications // Inorganic Chemistry Communications. 2025. Vol. 172. P. 113765.
Kuryakov V.N. Study of the properties of air nanobubbles in water obtained using the Anopore membrane // Actual Problems of Oil and Gas. 2025. Vol. 16. No. 4. PP. 553–563.
Popov K. et al. Potential Nano/Microcenters of Crystal Nucleation in Reagent-Grade Purity Solvents and Their Differentiation by Fluorescent-Tagged Antiscalant // Crystals. 2024. Vol. 14. P. 650.
Kowkabany G., Bao Y. Nanoparticle Tracking Analysis: An Effective Tool to Characterize Extracellular Vesicles // Molecules. 2024. Vol. 29. P. 4672.
Pashirova T.N. et al. Creation of Efficient Biocatalytic Nanoscavengers for Detoxification of Organophosphorus Compounds: Influence of Nanoparticle Type // Colloid Journal. 2025. Vol. 87. PP. 970–980.
ВВЕДЕНИЕ
Стремительное развитие нанотехнологий предъявляет высокие требования к методам характеризации нанообъектов. Точное знание размера, концентрации и других параметров наночастиц (НЧ) является критически важным как для фундаментальных исследований, так и для прикладных задач в медицине, катализе, электронике, нефтегазовой отрасли и экологии. Существующие экспериментальные методы исследования НЧ (электронная микроскопия, атомно-силовая микроскопия, динамическое светорассеяние (ДРС)) имеют свои ограничения: необходимость вакуумирования образца для исследований, сложность подготовки проб, или усреднение результатов по ансамблю частиц.
В этом контексте возрождается интерес к методу ультрамикроскопии, за разработку которого Рихард Зигмонди был удостоен Нобелевской премии по химии в 1925 году. Современная ультрамикроскопия, объединившая классический принцип темнопольного наблюдения с лазерным освещением, высокочувствительными цифровыми камерами и мощными вычислительными алгоритмами, превратилась в высокоэффективный аналитический инструмент для работы с нанообъектами в жидкостях. На рынке аналитического оборудования имеется несколько приборов, работающих на принципе ультрамикроскопии, например, NanoSight NS300 от компании Malvern (Англия), или ZetaView от компании Particle Metrix (Германия). С 2020 года выпускается российский прибор NP Counter (ООО "НП ВИЖН"). В середине прошлого века в СССР был разработан и широко использовался счетчик частиц Дерягина-Власенко, который работал на схожем принципе, но найти информацию в научных статьях за последние 20 лет об использовании такого прибора в исследованиях не удалось.
Данная статья обобщает опубликованную информацию по применению этого метода для решения разнообразных практических задач.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Принцип метода ультрамикроскопии заключается в специальном боковом освещении малого объема пробы (обычно 0,4–1 мкл) мощным сфокусированным лазерным лучом и наблюдении рассеянного от отдельных нанообъектов света под углом 90° с помощью оптического микроскопа с увеличением 10–20 крат. В поле зрения при этом наблюдаются отдельные светящиеся точки на темном фоне (рис.1), каждая из которых соответствует рассеянию от одной наночастицы. Сами частицы не видны, наблюдается рассеяние света на частицах, но их наличие и движение четко детектируется. При таком подходе наблюдения ограничений визуализации НЧ, связанных с дифракционным пределом, нет.
Таким образом, метод ультрамикроскопии позволяет проводить измерение численной концентрации НЧ от 105 частиц/мл для стандартной модификации прибора и до более низких концентраций при использовании проточной кюветы. При более высоких концентрациях НЧ в исследуемом образце (более 108 частиц/мл) требуется предварительное контролируемое разбавление образца чистой дисперсионной средой, измерение концентрации в таком разбавленном образце и расчет концентрации в исходном образце с учетом кратности разбавления. Минимальный размер частиц, детектируемый методом ультрамикроскопии, – несколько нанометров и зависит от чувствительности используемой в приборе цифровой камеры, мощности лазера и рассеивающей способности исследуемых частиц. Для проведения исследований требуется не более 0,5 мл образца. Объем наблюдения порядка 1,2 · 10–⁷ мл, что позволяет путем подсчета частиц в серии видеокадров с хорошей точностью определять их среднюю численную концентрацию. Каждый кадр записанного видео с изображением рассеяния от НЧ исследуемого образца является отдельным измерением, на множестве кадров проводится усреднение и определение значения средней концентрации частиц в единице объема жидкости. Наблюдение броуновского движения и его анализ позволяет определить средний квадрат смещения каждой отдельной частицы, рассчитать коэффициент диффузии и, используя соотношение Стокса – Эйнштейна, сделать оценку гидродинамического радиуса НЧ. Это позволяет получить информацию о распределение частиц по размерам в образце. Важно отметить преимущества данного метода: возможность работы с нативными образцами в жидкой среде без необходимости сушки; прямое измерение численной концентрации; высокая чувствительность к появлению первых агрегатов; возможность анализа полидисперсных систем; оперативность измерений.
Научная статья
ВОЗМОЖНОСТИ И ПЕРСПЕКТИВЫ МЕТОДА УЛЬТРАМИКРОСКОПИИ В РЕШЕНИИ НАУЧНЫХ И ПРИКЛАДНЫХ ЗАДАЧ
В.Н.Курьяков1, к.ф.-м.н., вед. науч. сотр., ORCID: 0000-0002-1271-8082 / vladimir.kuryakov@ipng.ru
Аннотация. В статье рассматриваются возможности современной ультрамикроскопии – оптического метода, основанного на визуализации рассеяния света от отдельных нанообъектов. Обсуждаются принципы метода, его отличия от классических микроскопических и светорассеивающих методик. На конкретных примерах из практики демонстрируется широкий спектр прикладных задач, решаемых с помощью ультрамикроскопии: определение размеров и численной концентрации наночастиц (включая металлические, оксидные и органические), оценка плотности и пористости наночастиц, исследование процессов агрегации и определение порога устойчивости коллоидных систем (на примере асфальтенов), детектирование нанопузырьков и контроль чистоты жидкостей. Показано, что метод, сочетая высокую чувствительность, возможность работы с нативными образцами и экспрессность измерений, является мощным инструментом для наноиндустрии, материаловедения, нефтегазовой отрасли и аналитического контроля.
Ключевые слова: ультрамикроскопия, наночастицы, численная концентрация, агрегация, нанопузырьки, контроль чистоты, прикладные задачи
Для цитирования: В.Н. Курьяков. Возможности и перспективы метода ультрамикроскопии в решении научных и прикладных задач. НАНОИНДУСТРИЯ. 2026. Т. 19. № 1. С. 46–54. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2026.19.1.46.54.
ВВЕДЕНИЕ
Стремительное развитие нанотехнологий предъявляет высокие требования к методам характеризации нанообъектов. Точное знание размера, концентрации и других параметров наночастиц (НЧ) является критически важным как для фундаментальных исследований, так и для прикладных задач в медицине, катализе, электронике, нефтегазовой отрасли и экологии [1, 2]. Существующие экспериментальные методы исследования НЧ (электронная микроскопия, атомно-силовая микроскопия, динамическое светорассеяние (ДРС)) имеют свои ограничения: необходимость вакуумирования образца для исследований, сложность подготовки проб, или усреднение результатов по ансамблю частиц.
В этом контексте возрождается интерес к методу ультрамикроскопии, за разработку которого Рихард Зигмонди был удостоен Нобелевской премии по химии в 1925 году. Современная ультрамикроскопия, объединившая классический принцип темнопольного наблюдения с лазерным освещением, высокочувствительными цифровыми камерами и мощными вычислительными алгоритмами, превратилась в высокоэффективный аналитический инструмент для работы с нанообъектами в жидкостях [3]. На рынке аналитического оборудования имеется несколько приборов, работающих на принципе ультрамикроскопии, например, NanoSight NS300 от компании Malvern (Англия), или ZetaView от компании Particle Metrix (Германия). С 2020 года выпускается российский прибор NP Counter (ООО "НП ВИЖН"). В середине прошлого века в СССР был разработан и широко использовался счетчик частиц Дерягина-Власенко, который работал на схожем принципе, но найти информацию в научных статьях за последние 20 лет об использовании такого прибора в исследованиях не удалось.
Данная статья обобщает опубликованную информацию по применению этого метода для решения разнообразных практических задач.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Принцип метода ультрамикроскопии заключается в специальном боковом освещении малого объема пробы (обычно 0,4–1 мкл) мощным сфокусированным лазерным лучом и наблюдении рассеянного от отдельных нанообъектов света под углом 90° с помощью оптического микроскопа с увеличением 10–20 крат. В поле зрения при этом наблюдаются отдельные светящиеся точки на темном фоне (рис.1), каждая из которых соответствует рассеянию от одной наночастицы. Сами частицы не видны, наблюдается рассеяние света на частицах, но их наличие и движение четко детектируется. При таком подходе наблюдения ограничений визуализации НЧ, связанных с дифракционным пределом, нет.
Таким образом, метод ультрамикроскопии позволяет проводить измерение численной концентрации НЧ от 105 частиц/мл для стандартной модификации прибора и до более низких концентраций при использовании проточной кюветы. При более высоких концентрациях НЧ в исследуемом образце (более 108 частиц/мл) требуется предварительное контролируемое разбавление образца чистой дисперсионной средой, измерение концентрации в таком разбавленном образце и расчет концентрации в исходном образце с учетом кратности разбавления. Минимальный размер частиц, детектируемый методом ультрамикроскопии, – несколько нанометров и зависит от чувствительности используемой в приборе цифровой камеры, мощности лазера и рассеивающей способности исследуемых частиц. Для проведения исследований требуется не более 0,5 мл образца. Объем наблюдения порядка 1,2 · 10–⁷ мл, что позволяет путем подсчета частиц в серии видеокадров с хорошей точностью определять их среднюю численную концентрацию. Каждый кадр записанного видео с изображением рассеяния от НЧ исследуемого образца является отдельным измерением, на множестве кадров проводится усреднение и определение значения средней концентрации частиц в единице объема жидкости.
Наблюдение броуновского движения и его анализ позволяет определить средний квадрат смещения каждой отдельной частицы, рассчитать коэффициент диффузии и, используя соотношение Стокса – Эйнштейна, сделать оценку гидродинамического радиуса НЧ. Это позволяет получить информацию о распределение частиц по размерам в образце. Важно отметить преимущества данного метода: возможность работы с нативными образцами в жидкой среде без необходимости сушки; прямое измерение численной концентрации; высокая чувствительность к появлению первых агрегатов; возможность анализа полидисперсных систем; оперативность измерений.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Измерение численной концентрации нано- и субмикронных объектов в жидких средах
Прямое наблюдение за НЧ в жидкости при помощи метода ультрамикроскопии позволяет измерять их численную концентрацию. Большинство используемых в данный момент методик для измерения концентрации НЧ в жидкости являются непрямыми, то есть измеряют некоторую характеристику образца, которая связана с концентрацией НЧ в нем. При таком подходе необходима либо предварительно построенная калибровочная зависимость такого параметра от концентрации НЧ, либо информация об оптических свойствах НЧ, что делает такие непрямые методы не универсальными. Для измерения численной концентрации НЧ методом ультрамикроскопии не требуется предварительных градуировочных зависимостей и информации об оптических свойствах НЧ. Необходимо, чтобы интенсивности рассеяния от отдельных НЧ было достаточно для детектирования их используемой в приборе цифровой камерой. Форма НЧ существенно не влияет на возможность измерения их концентрации. В оптической схеме ультрамикроскопии частицы разных форм (шарики, палочки, звездочки и др.) в поле зрения выглядят практически одинаково, как яркие светящиеся точки.
Измерение размеров наночастиц через массовую и численную концентрацию
В работе [5] предложен оригинальный подход для оценки среднего радиуса сферических НЧ с использованием метода ультрамикроскопии. Если для исследуемого образца известна массовая концентрация НЧ или ее можно измерить по сухому остатку (или она известна из информации о приготовлении образца) и измерена численная концентрация частиц в образце (при помощи ультрамикроскопии), а также известна плотность материала частиц (табличные данные для конкретного материала), то можно определить средний размер НЧ в приближении сферической формы частиц:
,
где M1 – средняя масса частицы; M – масса шара радиусом R с плотностью ρ; Cm и CN – массовая и численная концентрация частиц в образце соответственно; ρнч – плотность материала наночастиц; R1 – средний радиус частиц. Такой подход позволяет определить размер средней по массе НЧ. Метод был успешно апробирован на монодисперсных наночастицах золота, где результаты (радиус НЧ коллоидного золота17±2 нм) хорошо согласовались с данными ПЭМ и ДРС.
При таком подходе важно отметить, если для исследуемых НЧ их размер может быть измерен другим методом, то в приведенных выше формулах искомым параметром может выступать плотность материала НЧ. Это позволяет делать оценки пористости самих НЧ.
Исследование агрегации и определение порога устойчивости
В нефтегазовой отрасли критически важно определять точку начала (onset point) агрегации асфальтенов [6]. В работе [7] метод ультрамикроскопии впервые был применен для этой цели в модельной системе толуол-асфальтены-гептан. Метод показал более высокую чувствительность по сравнению с ДРС, детектируя появление первых агрегатов асфальтенов на более ранних стадиях нарушения устойчивости раствора (при 60 об.% гептана), в то время как ДРС фиксировал появление агрегатов только при 76 об.% гептана. Это позволяет использовать метод для экспресс-мониторинга стабильности нефтяных систем на самых ранних стадиях. Модификация ультрамикроскопа с инфракрасным лазером позволит применять данный подход для исследований менее прозрачных, более концентрированных, нефтяных систем.
Детектирование нанопузырьков и контроль чистоты жидкостей
Нанопузырьки (НП) – это газонаполненные полости с диаметром, как правило, менее 500 нм, обладающие уникальными физико-химическими свойствами благодаря своим размерам. В отличие от обычных микропузырьков, НП демонстрируют исключительную стабильность в жидких средах, сохраняясь в объеме жидкости в течение недель или даже месяцев. Согласно теории Эпштейна – Плессета [8], пузырек с радиусом 100 нм будет иметь внутреннее давление примерно в 14,4 раза выше атмосферного, а время его жизни не может превышать 1 мс, что противоречит экспериментам, в которых время жизни НП значительно больше, до нескольких дней. Парадокс между коротким временем жизни, предсказанным теорией Эпштейна – Плессета, и экспериментально наблюдаемым долгим временем жизни НП в воде до сих пор не разрешен. Существует несколько теорий, объясняющих возможность существования долгоживущих НП.
Нанопузырьки могут быть получены различными методами, включая ультразвуковую кавитацию, мембранную диффузию газа в жидкость и электрохимические процессы [9, 10]. Концентрации НП обычно невысокая, редко превышает 108 шт./мл, что затрудняет их детектирование широко используемыми экспериментальными методами (ДРС, спектроскопия и др.). Применение НП охватывает множество областей: биомедицина (контрастное усиление визуализации, доставка лекарств, оксигенация тканей); очистка воды (деградация загрязнителей, обеззараживание); сельское хозяйство (улучшение роста растений, прецизионная доставка агрохимикатов); горнодобывающая и обрабатывающая промышленность (улучшение пенной флотации, очистка поверхностей, подготовка воды и др.). Область исследований нанопузырьков относительно молода. Из-за трудностей получения и детектирования НП существует немного статей на эту тему, но их количество растет с каждым годом. В базе данных на сайте sciencedirect.com по запросу Nanobubbles в 2002 году было всего 4 статьи, а в 2024-м – уже 829.
Ультрамикроскопия является одним из немногих методов, позволяющих напрямую визуализировать нанопузырьки (НП) в объеме жидкости. В работе [11] был представлен новый способ генерации НП воздуха путем фильтрации воды через сухую мембрану, а их образование и изменение концентрации во времени успешно отслеживались с помощью комбинации ДРС и ультрамикроскопии.
Контроль жидкостей на содержание наноразмерных механических примесей
Важной прикладной задачей является контроль чистоты особо чистых жидкостей (воды, растворителей). Традиционные кондуктометрические методы не чувствительны к механическим наноразмерным примесям. Широко используемые лабораторные системы очистки воды, например, Milli-Q от компании Merck Millipore и другие позволяют получать сверхчистую воду типа I (ультрачистая) при помощи метода обратного осмоса.
Единственным параметром, характеризующим чистоту воды в таких системах очистки, является ее удельная проводимость (или удельное сопротивление). Контроля за содержанием наноразмерных примесей чаще всего в таких системах нет. Проведенный анализ серии образцов воды, с сопротивлением 18,2 МОм·см, полученных на нескольких коммерческих лабораторных системах очистки с обратным осмосом, показал наличие в такой воде наночастиц с концентрацией до 10⁷ частиц/мл, что может быть критично для микроэлектроники и фармацевтики.
В работе [12] метод ультрамикроскопии был использован для количественной оценки содержания твердых наноразмерных примесей в реакционно-чистых, специально подготовленных, растворителях: деионизованной воде и изопропаноле. Было показано, что даже в таких высокоочищенных средах присутствует значительное количество наночастиц размером более 20 нм: около 106 частиц/мл в воде и 105 частиц/мл в изопропаноле. Экстраполяция этих данных на размер более 1 нм позволила оценить общую концентрацию наноразмерных примесей на уровне 1011 частиц/мл для воды и 108 частиц/мл для изопропанола.
Измерение концентрации биологических субмикронных объектов
Для биологических объектов субмикронного масштаба также актуальна задача измерения их концентрации и размеров. Метод ультрамикроскопии с анализом траекторий движения наночастиц (Nanoparticle Tracking Analysis, NTA) востребован в исследованиях свойств внеклеточных везикул [13, 14]. Внеклеточные везикулы – это липидные шарообразные структуры размером от десятков нанометров до нескольких микрометров, которые выделяют клетки различных тканей или органов в окружающую их среду. Они найдены в различных жидкостях организма, в том числе в плазме крови, моче, слюне, грудном молоке и др.
Метод NTA считается оптимальным для исследования внеклеточных везикул, поскольку он позволяет одновременно определить два ключевых параметра: концентрацию и распределение частиц по размерам в нативном состоянии. В отличие от усредняющих методов, таких как динамическое рассеяние света (ДРС), NTA отслеживает броуновское движение каждой отдельной частицы в режиме реального времени, строя профиль гетерогенной популяции в диапазоне 10–1000 нм. Это критически важно, поскольку везикулы неоднородны по размеру. Анализ проводится в исходной среде, что сохраняет естественные биологические свойства образца. Дополнительным преимуществом является возможность флуоресцентного детектирования (NTA-Fluorescence), которое позволяет идентифицировать и характеризовать специфические субпопуляции везикул.
Главными ограничениями метода являются необходимость тщательной пробоподготовки для исключения примесей (белковых агрегатов, липопротеинов), ручная настройка параметров, влияющая на воспроизводимость, и относительно низкая пропускная способность. Тем не менее, NTA служит "золотым стандартом" для физической характеристики везикул, предоставляя уникальный набор данных (размер, концентрация, фенотип), который дополняет, но не заменяет молекулярный и морфологический анализ другими методами.
ВЫВОДЫ
Современная ультрамикроскопия, отмеченная в свое время Нобелевской премией, превратилась в уникальный и мощный аналитический инструмент для наноиндустрии. Ее ключевые преимущества: способность напрямую измерять численную концентрацию нанообъектов в их естественной среде, высокая чувствительность к начальным стадиям агрегации и возможность работы с широким классом материалов (от металлов и оксидов до органических соединений и газовых пузырьков) – открывают широкие перспективы для применения. Проведенный обзор опубликованных данных показал, что метод эффективен для решения таких разнообразных задач, как контроль размеров и концентрации синтезированных наночастиц; исследование пористости и внутренней структуры наночастиц; мониторинг стабильности и изучение кинетики агрегации в коллоидных системах (нефтяные системы, биопрепараты и др.); детектирование нанопузырьков и изучение их свойств; контроль чистоты технологических жидкостей и растворителей в микроэлектронике, фармацевтике и других высокотехнологичных отраслях. Проведенный обзор применения ультрамикроскопии в научных и прикладных задачах говорит об актуальности и перспективности дальнейшего развития приборной базы и методического обеспечения метода ультрамикроскопии для нужд российской науки и промышленности.
БЛАГОДАРНОСТИ
Работа выполнена в рамках государственного задания ИПНГ РАН № 125020501404-4.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Khan I., Saeed K., Idrees M. Nanoparticles: Properties, applications and toxicities // Arabian Journal of Chemistry. 2019. Vol. 12. PP. 908–931.
Eker F. et al. A Comprehensive Review of Nanoparticles: From Classification to Application and Toxicity // Molecules. 2024. Vol. 29. P. 3482.
Электронный источник: Описание метода ультрамикроскопии // Сайт ООО "НП ВИЖН". URL: https://npcounter.ru/ (дата обращения: 01.01.2026).
Filipe V. et al. Critical Evaluation of Nanoparticle Tracking Analysis (NTA) by NanoSight for the Measurement of Nanoparticles and Protein Aggregates // Pharm Res. 2010. Vol. 27. PP. 796–810.
Kuryakov V.N. et al. Measurement of Gold Nanoparticle Sizes by Ultramicroscopy // High Energy Chem. 2025. Vol. 59. PP. S52–S54.
Shadman M.M. et al. How much do you know about the methods for determining onset of asphaltene precipitation? // Petroleum. 2017. Vol. 3. PP. 287–291.
Kuryakov V.N. Onset Points and Kinetics of Asphaltene Aggregation in Model Petroleum Systems: Investigation Using Dynamic Light Scattering and Ultramicroscopy // Petroleum Chemistry. 2025. Vol. 65. PP. 654–658.
Epstein P.S., Plesset M.S. On the stability of gas bubbles in liquid-gas solutions // The Journal of Chemical Physics. 1950. Vol. 18. PP. 1505–1509.
Zhou L. et al. Nanobubbles: Generation, properties, and applications // Current Opinion in Colloid & Interface Science. 2021. Vol. 53. P. 101439.
Mahmoodi M. et al. Recent advances in nanobubble-based biomedical applications // Inorganic Chemistry Communications. 2025. Vol. 172. P. 113765.
Kuryakov V.N. Study of the properties of air nanobubbles in water obtained using the Anopore membrane // Actual Problems of Oil and Gas. 2025. Vol. 16. No. 4. PP. 553–563.
Popov K. et al. Potential Nano/Microcenters of Crystal Nucleation in Reagent-Grade Purity Solvents and Their Differentiation by Fluorescent-Tagged Antiscalant // Crystals. 2024. Vol. 14. P. 650.
Kowkabany G., Bao Y. Nanoparticle Tracking Analysis: An Effective Tool to Characterize Extracellular Vesicles // Molecules. 2024. Vol. 29. P. 4672.
Pashirova T.N. et al. Creation of Efficient Biocatalytic Nanoscavengers for Detoxification of Organophosphorus Compounds: Influence of Nanoparticle Type // Colloid Journal. 2025. Vol. 87. PP. 970–980.
ВВЕДЕНИЕ
Стремительное развитие нанотехнологий предъявляет высокие требования к методам характеризации нанообъектов. Точное знание размера, концентрации и других параметров наночастиц (НЧ) является критически важным как для фундаментальных исследований, так и для прикладных задач в медицине, катализе, электронике, нефтегазовой отрасли и экологии. Существующие экспериментальные методы исследования НЧ (электронная микроскопия, атомно-силовая микроскопия, динамическое светорассеяние (ДРС)) имеют свои ограничения: необходимость вакуумирования образца для исследований, сложность подготовки проб, или усреднение результатов по ансамблю частиц.
В этом контексте возрождается интерес к методу ультрамикроскопии, за разработку которого Рихард Зигмонди был удостоен Нобелевской премии по химии в 1925 году. Современная ультрамикроскопия, объединившая классический принцип темнопольного наблюдения с лазерным освещением, высокочувствительными цифровыми камерами и мощными вычислительными алгоритмами, превратилась в высокоэффективный аналитический инструмент для работы с нанообъектами в жидкостях. На рынке аналитического оборудования имеется несколько приборов, работающих на принципе ультрамикроскопии, например, NanoSight NS300 от компании Malvern (Англия), или ZetaView от компании Particle Metrix (Германия). С 2020 года выпускается российский прибор NP Counter (ООО "НП ВИЖН"). В середине прошлого века в СССР был разработан и широко использовался счетчик частиц Дерягина-Власенко, который работал на схожем принципе, но найти информацию в научных статьях за последние 20 лет об использовании такого прибора в исследованиях не удалось.
Данная статья обобщает опубликованную информацию по применению этого метода для решения разнообразных практических задач.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Принцип метода ультрамикроскопии заключается в специальном боковом освещении малого объема пробы (обычно 0,4–1 мкл) мощным сфокусированным лазерным лучом и наблюдении рассеянного от отдельных нанообъектов света под углом 90° с помощью оптического микроскопа с увеличением 10–20 крат. В поле зрения при этом наблюдаются отдельные светящиеся точки на темном фоне (рис.1), каждая из которых соответствует рассеянию от одной наночастицы. Сами частицы не видны, наблюдается рассеяние света на частицах, но их наличие и движение четко детектируется. При таком подходе наблюдения ограничений визуализации НЧ, связанных с дифракционным пределом, нет.
Таким образом, метод ультрамикроскопии позволяет проводить измерение численной концентрации НЧ от 105 частиц/мл для стандартной модификации прибора и до более низких концентраций при использовании проточной кюветы. При более высоких концентрациях НЧ в исследуемом образце (более 108 частиц/мл) требуется предварительное контролируемое разбавление образца чистой дисперсионной средой, измерение концентрации в таком разбавленном образце и расчет концентрации в исходном образце с учетом кратности разбавления. Минимальный размер частиц, детектируемый методом ультрамикроскопии, – несколько нанометров и зависит от чувствительности используемой в приборе цифровой камеры, мощности лазера и рассеивающей способности исследуемых частиц. Для проведения исследований требуется не более 0,5 мл образца. Объем наблюдения порядка 1,2 · 10–⁷ мл, что позволяет путем подсчета частиц в серии видеокадров с хорошей точностью определять их среднюю численную концентрацию. Каждый кадр записанного видео с изображением рассеяния от НЧ исследуемого образца является отдельным измерением, на множестве кадров проводится усреднение и определение значения средней концентрации частиц в единице объема жидкости. Наблюдение броуновского движения и его анализ позволяет определить средний квадрат смещения каждой отдельной частицы, рассчитать коэффициент диффузии и, используя соотношение Стокса – Эйнштейна, сделать оценку гидродинамического радиуса НЧ. Это позволяет получить информацию о распределение частиц по размерам в образце. Важно отметить преимущества данного метода: возможность работы с нативными образцами в жидкой среде без необходимости сушки; прямое измерение численной концентрации; высокая чувствительность к появлению первых агрегатов; возможность анализа полидисперсных систем; оперативность измерений.
Отзывы читателей
