rus
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: 80
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.
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.
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
