CC BY
43УДК 547.541.2.
Афина Айдын кызы Алиева
Институт нефтехимических процессов Национальной академии наук Азербайджана,.
Баку, Азербайджан, afina.aliyeva@mail.ru.
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ДИНАМИЧЕСКОГО РАССЕЯНИЯ СВЕТА
В НАНОТЕХНОЛОГИИ
Аннотация. Наночастицы обеспечивают важную функциональность в широком спектре материалов, приложений и секторов. Анализ динамического рассеяния света (ДРС) позволяет уверенно измерять профили распределения частиц по размерам в субмикронном диапазоне. Этот метод особенно полезен для изучения поведения наночастиц в суспензиях. В сочетании с информацией о дзета-потенциале данные ДРС в зависимости от времени обеспечивают понимание тенденции наночастиц к агломерации. Как и твердые частицы, ДРС бесценен для «наблюдения» за тем, как молекулы поверхностно-активного вещества объединяются в мицеллярные структуры. Такое расположение меняется в зависимости от концентрации поверхностно-активного вещества и концентрации простых ионов электролита. Эта информация поддерживает исследования и разработки в области доставки лекарств и потребительских товаров, таких как шампуни и зубные пасты, и др.
Наночастицы являются основным направлением деятельности во многих отраслях промышленности, их потенциальные применения включают использование наночастиц в целевом лечении онкологии; увеличение доступной мощности в батареях; контролируемое формирование более крупных материалов с определенными свойствами и контроль шлама -желаемая или нежелательная флокуляция/осаждение. Измерение размера и распределения наночастиц по размеру, будь то инженерные или встречающиеся в природе, имеет решающее значение для понимания их поведения в биологической системе. Размер наночастиц, созданных для двойной терапии и диагностики («тераноз»), важен для прогнозирования их биораспределения в целевых и нецелевых клетках и тканях. Размер биологических наночастиц может помочь в выяснении механизмов основных молекулярных путей при сложных заболеваниях. Отмечается использование метода ДРС, которое измеряет гидродинамический размер наночастиц в суспензии, для характеристики конкретных примеров инженерных и природных наночастиц.
В представленной работе осуществлен анализ результатов научных исследований в области применения метода динамического рассеяния света в нанотехнологии, в частности для определения размера наночастиц.
Ключевые слова: метод динамического рассеяния света, нанотехнология, наночастицы, дзета-потенциал, распределение частиц, полидисперсность и размеры частиц.
Afina A. gizi Aliyeva
Institute of Petrochemical Processes of the National Academy of Sciences of Azerbaijan,
Baku, Azerbaijan, afina.aliyeva@mail.ru
APPLICATION OF THE DYNAMIC LIGHT SCATTERING METHOD
IN NANOTECHNOLOGY
Abstract. Nanoparticles provide important functionality across a wide range of materials, applications and sectors. Dynamic light scattering (DLS) analysis makes it possible to reliably measure particle size distribution profiles in the submicron range. This method is especially useful for studying the behavior of nanoparticles in suspensions. Combined with zeta potential information, the DLS data over time provide insight into the tendency of nanoparticles to agglomerate. Like solid particles, DRS is invaluable for "watching" how surfactant molecules
©АлиеваА.А., 2022
combine into micellar structures. This arrangement varies depending on the concentration of the surfactant and the concentration of simple electrolyte ions. This information supports research and development in drug delivery and consumer products such as shampoos and toothpastes, etc.
Nanoparticles are a major activity in many industries, and their potential applications include the use of nanoparticles in targeted oncology treatments; increase in available power in batteries; controlled formation of larger materials with defined properties and sludge control -desired or undesired flocculation/sedimentation. Measuring the size and size distribution of nanoparticles, whether engineered or naturally occurring, is critical to understanding their behavior in a biological system. The size of nanoparticles designed for dual therapy and diagnostics ("theranosis") is important for predicting their biodistribution in target and non-target cells and tissues. The size of biological nanoparticles can help elucidate the mechanisms of major molecular pathways in complex diseases. The use of the DLS method, which measures the hydrodynamic size of nanoparticles in suspension, is noted to characterize specific examples of engineered and natural nanoparticles.
In the presented work, the analysis of the results of scientific research in the field of application of the method of dynamic light scattering in nanotechnology, in particular, to determine the size of nanoparticles, is carried out.
Keywords: dynamic light scattering method, nanotechnology, nanoparticles, zeta potential, particle distribution, polydispersity and particle size
Наночастицы играют все более важную роль в ряде промышленных и коммерческих продуктов, а также в изучении явлений агрегации молекул и частиц. Передовые приложения нанотехнологий могут позволить точно определить местонахождение раковых опухолей и предотвратить нежелательный рост микробов и загрязнение медицинских устройств и потребительских товаров, таких как текстиль. Но анализ наночастиц по-прежнему может быть очень сложной задачей. В то время как физические свойства объемных материалов остаются постоянными независимо от их размера, размер наночастиц часто определяет их физические и химические свойства. Следовательно, очень важно иметь возможность охарактеризовать наночастицы, чтобы успешно коммерциализировать их и понять их потенциальные риски для окружающей среды, здоровья и безопасности. Одна из серьезных проблем, с которой сталкиваются при разработке наночастиц, - их чувствительность к небольшим различиям между внешне похожими частицами. Незначительные изменения в окружающей среде могут привести к агрегированию частиц, изменению размера и реакции с окружающей средой для окисления или поглощения загрязняющих веществ. Понимание временной зависимости свойств наночастиц жизненно важно для хранения, воздействия на окружающую среду и здоровье, а также для производства и стабильности продукта. Кроме того, правила, регулирующие использование инженерных наночастиц еще полностью не определены.
Методы анализа наночастиц доступны с 1980-х годов, и метод динмаического рассеяния света предлагает один из самых универсальных наборов инструментов для определения характеристик. Три наиболее распространенных варианта аналитического светорассеяния включают: многоугловой (MALS), динамический (DLS) и электрофоретический (ELS), которые можно использовать для характеристики различных свойств наночастиц, содержащихся в жидкости. В представленной работе показано применение методов динамического рассеяния света (ДРС) в нанотехнологии, в частности для определения размеров наночастиц.
Так, в работе [1] показано, что с годами научное значение наночастиц для биомедицинских приложений возросло. Высокая стабильность и биосовместимость вместе с низкой токсичностью разработанных наночастиц привели к их использованию в качестве систем адресной доставки лекарств, систем биовизуализации и биосенсоров. Широкий диапазон размеров наночастиц от 10 нм до 1 мкм, а также их оптические свойства позволяют изучать их с помощью методов микроскопии и спектроскопии. Для эффективного
использования необходимо учитывать физико-химические свойства составов наночастиц, а именно размер частиц, распределение поверхностного заряда, дериватизацию поверхности и/или нагрузочную способность, а также связанные взаимодействия. Эти свойства необходимо оптимизировать с учетом предполагаемого биораспределения наночастиц и их мишени. В этом обзоре авторы рассматривают методы, основанные на рассеянии света, а именно динамическое рассеяние света и дзета-потенциал, используемые для физико-химической характеристики наночастиц. ДРС используется для измерения размера наночастиц, а также для оценки их стабильности во времени в суспензии при различных pH и температурных условиях. Дзета-потенциал используется для характеристики заряда поверхности наночастиц, получения информации об их стабильности и взаимодействии поверхности с другими молекулами. Также авторы сосредоточились на характеристике наночастиц и их применении при инфекционных, онкологических и сердечно-сосудистых заболеваниях.
Авторы работы [2] предоставили полный обзор использования метода ДРС для изучения распределения по размерам и коллоидной стабильности магнитных наночастиц. Представлен математический анализ, связанный с получением информации о размерах из корреляционной функции и вычислением потенциала Z- среднего. Вклады различных переменных, таких как покрытие поверхности, различия в размерах и концентрация частиц, уточняются в контексте данных измерений. Сравнение с другими методами определения размеров, такими как просвечивающая электронная микроскопия и микроскопия темного поля, выявило как преимущества, так и недостатки ДРС при измерении размера магнитных наночастиц. Показано, что процесс самосборки магнитных наночастиц с анизотропной структурой также можно эффективно контролировать с помощью ДРС.
Метод ДРС применяется к пылевому компоненту сложной (пылевой) плазмы, выявляя автокорреляционную функцию гауссовой интенсивности для углов рассеяния от 4° до 175° [3]. Форма гауссова распада представляет собой свободное (баллистическое) движение частицы и позволяет определить одномерный квадрат скорости частицы. Показано, что при углах рассеяния менее 1° автокорреляционная функция интенсивности представляет собой комбинацию гауссовой и экспоненциальной функций. Это позволяет одновременно определять скорость частиц и константы диффузии. Система пыли полностью описывается двумя составляющими движения в горизонтальном и вертикальном направлениях. Эти две компоненты измеряются одновременно на двух путях рассеяния с использованием только одного падающего лазерного луча. В отличие от стандартных методов визуализации, метод ДРС можно применять даже к неупорядоченному фазовому состоянию, когда частицы пыли имеют очень высокие кинетические энергии. В упорядоченном фазовом состоянии предположения подхода ДРС были проверены с помощью метода независимых устройств с зарядовой связью на фундаментальном кинетическом уровне.
Необходимость охарактеризовать наночастицы в растворе перед оценкой токсичности in vitro является первоочередной задачей. Размер частиц, распределение по размерам, морфология частиц, их состав, площадь поверхности, химия поверхности и реакционная способность частиц в растворе являются важными факторами, которые необходимо определить для точной оценки токсичности наночастиц. В настоящее время не существует четко определенных методов определения характеристик влажных наноматериалов в водных или биологических растворах. Ранее описанные методы определения характеристик наночастиц в водных или биологических растворах состояли из использования световой микроскопии сверхвысокого освещения и осаждения на дисковой центрифуге; однако эти методы ограничены диапазоном размеров измерения. Настоящее исследование [4] фокусируется на характеристике широкого спектра наноматериалов с использованием метода ДРС и просвечивающей электронной микроскопии, включая металлы, оксиды металлов и материалы на основе углерода, в воде и средах для культивирования клеток, с сывороткой и без нее. Исследования жизнеспособности и морфологии клеток проводили в сочетании с экспериментами ДРС для оценки токсикологических эффектов наблюдаемых
изменений агломерации в присутствии или отсутствии сыворотки в среде для культивирования клеток. Также показаны наблюдения за характеристиками поверхности материала. Кроме того, исходный раствор наноматериалов, используемый для токсикологических исследований, был проанализирован на предмет изменений агломерации и дзета-потенциала материала с течением времени. Таким образом, полученные авторами результаты демонстрируют, что многие металлы и наноматериалы оксидов металлов агломерируются в растворе и что в зависимости от раствора агломерация частиц либо перемешивается, либо уменьшается. Соответствующие данные о токсичности показали, что добавление сыворотки к среде для культивирования клеток в некоторых случаях может оказывать значительное влияние на токсичность частиц, возможно, из-за изменений агломерации или химического состава поверхности. Также было замечено, что обработка ультразвуком немного снижает агломерацию и оказывает минимальное влияние на поверхностный заряд частиц.
Метод ДРС используется для определения размера, формы и коэффициента диффузии стержневидных наночастиц [5]. Интенсивность автокорреляционных функций света, рассеянного частицами в растворе были измерены и проанализированы для получения скорости релаксации для затухания корреляций интенсивности. Эти скорости распада связаны с коэффициентом диффузии, относящиеся к движению частицы. В случае наностержней есть два типа движения - поступательные и ротационные. Распутывая скорости релаксации, соответствующие этим двум типам движения, форма и размер наночастиц были охарактеризованы. Эти эксперименты демонстрируют значение метода ДРС как недорогого и удобного метода для характеристики наночастиц правильной формы в жидкой среде, а также способность ДРС к определению формы наночастиц.
В работе [6] отмечается, что метод ДРС - это аналитический инструмент, обычно используемый для измерения гидродинамического размера наночастиц и коллоидов в жидкой среде. Золотые наночастицы (ЗНЧ) - необычные светорассеиватели на длине волны поверхностного плазмонного резонанса или около нее. В этом исследовании авторы демонстрируют, что ДРС можно использовать как очень удобный и мощный инструмент для биоконъюгации наночастиц золота и исследований биомолекулярного связывания. Процесс конъюгации между протеином А и наночастицами золота в различных экспериментальных условиях, а также качество и стабильность приготовленных конъюгатов отслеживались и систематически характеризовались с помощью ДРС. Кроме того, специфические взаимодействия между наночастицами золота, конъюгированными с белком А, и целевым белком, человеческим IgG, могут быть обнаружены и отслежены на месте путем измерения изменения среднего размера частиц аналитического раствора. Впервые показано, что ДРС может напрямую и количественно измерять стехиометрию связывания между зондом ЗНЧ, конъюгированным с белком, и целевым анализируемым белком в растворе.
Показано [7], что метод ДРС измеряет зависящие от времени флуктуации интенсивности рассеяния, возникающие из-за случайного броуновского движения частиц. Информация о коэффициенте диффузии и размере частиц может быть получена из анализа этих колебаний. В этой статье обсуждаются факторы, которые влияют на нижний предел размера ДРС, и сообщается об использовании сахарозы в качестве тестового образца для проверки этого нижнего предела метода. Значения гидродинамического диаметра менее 1 нм получены с помощью обнаружения обратного рассеяния 173°, которое применяется для увеличения чувствительности ДРС. Средние пики (со стандартными отклонениями), полученные для данных интенсивности и объема из серии концентраций сахарозы в диапазоне от 5 до 35% мас. были измерены как DI (среднее = 0,82 нм (0,11 нм)) и DV (среднее = 0,62 нм (0,05 нм)) соответственно. Эти результаты по сахарозе позволяют предположить, что субнанометровые измерения достижимы с точностью до 0,1 нм. Обсуждаются доказательства, подтверждающие эти результаты для сахарозы.
В работе [8] для определения размера наночастиц было разработано несколько методов, основанных на различных физических принципах. В качестве отправной точки в
сертификации эталонных материалов наночастиц авторы оценивали различия между результатами, полученными с помощью двух наиболее часто используемых методов определения размера наночастиц: динамического рассеяния света (ДРС) и центробежного осаждения. Основное различие между этими методами заключается в их мощности для разрешения мультимодальных распределений частиц по размерам. Благодаря процессу разделения, происходящему в дисковой центрифуге, центробежное осаждение имеет отличное разрешение и способно разрешить моды с отношением диаметров всего 1,1, тогда как динамическое рассеяние света не способно разрешить моды с диаметром меньше 4. Однако метод ДРС основан на первых принципах, и калибровка не требуется, как для центробежного осаждения, для которого необходимо откалибровать скорость осаждения. В этой работе представлены экспериментальные результаты, иллюстрирующие преимущества и недостатки, связанные с каждым методом, и показано, как эти два метода могут дополнять друг друга в процессе сертификации.
Определение размеров наночастиц вызывает широкую озабоченность в последние десятилетия, но до сих пор остается проблемой для измерения в суспензиях. Чрезвычайно малые масштабы размера частиц создают большие трудности для традиционного метода статического светорассеяния и получения оптических изображений. В дополнение к методам электронной микроскопии, метод ДРС является еще одним широко используемым методом лабораторного анализа образцов [9]. В этой статье основное внимание уделяется последним достижениям в двух вышеупомянутых технологиях определения размеров наночастиц. Рассмотрены достижения в области технологии ДРС на основе изображений за последние годы, включая три различных метода обработки данных и соответствующие измерительные эксперименты с использованием стандартных частиц полистирола. Образцы наноразмерных частиц серебра были протестированы двумя вышеупомянутыми методами, а также с помощью просвечивающей электронной микроскопии. Образец наночастиц оксида сурьмы и олова также был принят для измерений и сравнений. Относительно согласованные результаты могут быть получены путем сравнения размеров или распределения частиц с помощью различных методов. Резко сокращенное время измерения в ДРС на основе изображений указывает на потенциал для определения размера наночастиц в реальном времени.
Сообщается [10], что метод ДРС является важным методом анализа размеров наночастиц и широко используется в течение десятилетий, но, несмотря на его долгую историю и популярность, выбор взвешивания и среднего значения распределения по размерам часто выбирается специально для того, чтобы приводить к согласию с другими методами и ожиданиями любыми необходимыми средствами. В этой работе авторы критически обсуждают применение ДРС для характеристики наночастиц и дают столь необходимые разъяснения в отношении двусмысленностей в практике коммерческого программного обеспечения ДРС и документальных стандартов в виде логарифмически масштабированной гистограммы измеренных относительных величин. Центральные значения, полученные неосторожно из этого представления, часто приводят к значительным ошибкам интерпретации. Измеряя образцы мономодальных наночастиц, имеющих широкий диапазон размеров (от 5 до 250 нм) и полидисперсность, авторы аналогичным образом демонстрируют, что выходы по умолчанию часто используемого метода инверсии ДРС выбраны неправильно, поскольку они зависят от регуляризатора и значительно отклоняются от кумулянта ¿-средний размер. Результирующие расхождения обычно превышают 15% в зависимости от индекса полидисперсности образцов.
Сверхбыстрый метод калибровки для наночастиц предлагается в работе [11]. Этот метод использует колебания интенсивности разбросанного света от наночастицы в броуновское движение, причем он аналогичен традиционному методу ДРС. Отличие экспериментальной системы состоит в том, что разбросанный свет от наночастицы принимается датчиком изображения вместо фотоумножителя. Предлагается новый алгоритм обработки данных для прямого получения коэффициента корреляции между двумя
изображениями в определенном временном интервале (от микросекунд до миллисекунд) с использованием алгоритма корреляции двумерных изображений. Было доказано, что этот коэффициент является монотонной функцией диаметра частицы. Образцы стандартных латексных частиц (79/100/352/482/948 нм) были измерены для валидации предложенного метода. Точность измерения выше 90% при стандартных отклонениях менее 3%. Образец частицы наносеребра номинальным размером 20±2 нм и образец эмульсии полиметилметакрилата с неизвестным размером также были протестированы этим методом. Результаты измерений составили 23,2±3,0 нм и 246,1±6,3 нм, соответственно, что в значительной степени согласуется с результатами просвечивающего электронного микроскопа. Поскольку время получения двух последовательных изображений было сокращено до менее 1 мс, а время обработки данных - примерно до 10 мс, общее время измерения может быть значительно сокращено с сотен секунд до десятков миллисекунд, что дает возможность для реального измерения.
Представлена перспектива с подробным описанием современных технологий для характеристики наночастиц в жидкой суспензии [12]. Авторы подробно описывают задействованные технологии и оценивают их применение при определении размера и концентрации наночастиц. Также исследуются параметры, которые могут повлиять на результаты, и предложен причинно-следственный анализ основных факторов, влияющих на измерение размера и концентрации наночастиц с помощью анализа отслеживания наночастиц и ДРС, чтобы определить области, в которых могут возникнуть неопределенности в измерениях.
Dynamic Light
Была разработана новая и простая методология использования метода ДРС для определения размера наночастиц диоксида кремния и обнаружения их присутствия или отсутствия в нескольких образцах пищевых продуктов, а именно фруктовых соках и подсластителях [13]. Подтверждение размера четырех стандартов нанокремнезема (20, 50, 80 и 100 нм) было выполнено с процентом ошибок менее 3,5%, а низкие уровни концентрации (несколько мг/л) были обнаружены с помощью ДРС, демонстрируя превосходную чувствительность этого метода для характеристики этих небольших наночастиц, присутствующих в низких значениях. Более того, не наблюдали значительных различий в размере в диапазоне концентраций, проанализированном в этой работе. Применимость этого нового подхода была успешно продемонстрирована на пищевых продуктах, отдельно с добавлением нанокремнезема каждого размера. В коррелограммах, полученных методом ДРС, матричных эффектов не наблюдалось. Результаты показали, что все образцы содержат замечательную популяцию наночастиц из неизвестного источника, что повысило интерес к этим открытиям.
Сообщается [14], что наночастицы золота, конъюгированные с ДНК, широко используются для биомедицинского нацеливания и зондирования. Функционализация ДНК легко достигается на лазерных наночастицах золота из-за их уникального химического состава поверхности, не воспроизводимого другими методами. В этой работе авторы представляют обширное исследование, касающееся прикрепления ДНК к поверхности лазерных наночастиц с использованием ДРС и УФ-видимой спектроскопии. Конъюгация ДНК подчеркивается увеличением гидродинамического радиуса и поведением УФ-видимого спектра. Это исследование показывает, что ДРС является подходящим аналитическим инструментом для прямого и качественного доказательства связи между молекулой ДНК и
наночастицей золота, поэтому он идеально подходит для отслеживания изменений в процессе конъюгации при изменении условий эксперимента.
Динамическое рассеяние света (ДРС), также известное как квазиупругое рассеяние света или фотонная корреляционная спектроскопия, представляет собой неинвазивную, быструю, точную, надежную, многообещающую технологию, хорошо зарекомендовавшую себя для измерения размеров и изучения распределения молекул по размерам в субмикронной области. ДРС работает по принципу измерения броуновского движения частиц и коррелятов. Измерения размера частиц с помощью ДРС могут быть выполнены в течение одной или двух минут, и измерения оказались точными, надежными и предоставили объективную информацию о форме (гибкая катушка, стержни, цилиндры, сферы) макромолекул (ДНК, РНК, полисахариды, белки и вирусы). Эта технология также подходит для определения молекулярной массы и размеров молекул в диапазоне от 10 мкм до менее 1 нм и имеющих молекулярную массу менее 1000. ДРС использовался как многообещающая технология для проведения исследований гомогенности РНК, белков и их комплексов. Основное применение этой технологии - молоко и другие эмульсии масла в воде, так как молоко содержит большое количество коллоидных частиц, которые обладают способностью хорошо рассеивать свет, а также структура молока меньше всего страдает из-за разбавления молока. Хотя ДРС обладает некоторыми ограничениями, такими как вариации результатов из-за изменений температуры, вязкости и неспособности различать молекулы, которые тесно связаны между собой, он набирает популярность в академических и промышленных лабораториях, поскольку дает надежные результаты за короткий промежуток времени [15].
Отмечается, что ДРС и эксклюзионная хроматография являются одними из самых популярных методов определения размеров полимера в растворе [16]. Рассматривая дендритные и сетчатые полисиланы как группу наименее растворимых полимерных веществ, авторы критически сравнивают и обсуждают разницу между размерами наночастиц, полученными обоими методами. Полимерные наночастицы обычно находятся в условиях плохого раствора ниже тета-точки и поэтому имеют глобулярную конформацию. Определение размеров частиц при наличии взаимодействий притяжения - нетривиальная задача. Единственная возможность без агрегации измерить истинный размер молекул полимерных наночастиц в таком режиме растворения - это провести эксперимент с разбавленным раствором глобул (ниже тета-точки и выше линии смешиваемости). Основываясь на результатах наших измерений полисилана, авторы пришли к выводу, что ДРС обеспечивает более надежные результаты, чем экслклюзивная хроматография для разбавленных растворов глобул. Также обсуждаются общие последствия для измерения размеров полимерных наночастиц в растворе.
Показано, что метод электрохимического удара частицами (или «наноудар») дополняет методы светорассеяния для определения размеров как моно-, так и полидисперсных наночастиц [17]. Установлено, что установленные методы - ДРС и анализ слежения за наночастицами - позволяют точно измерять диаметр частиц серебра размером 30 нм, принимающих сферическую форму, но не позволяют точно определить размер образца меньшего размера 20 нм. Напротив, наноудары имеют высокую точность (ошибка <5% в эффективных диаметрах) и позволяют определять размеры как отдельных НЧ серебра «20 нм», так и «30 нм» с точки зрения количества составляющих атомов. Дальнейшее исследование бимодального образца '20 нм и 30 нм' показывает, что электрохимический метод хорошо разрешает два очень похожих размера, демонстрируя точный размер независимо от полидисперсности размера частиц. тогда как из-за ограничений, присущих измерениям светорассеяния, это невозможно для ДРС и метода слежения за наночастицами.
Наличие пластиковых частиц - постоянная экологическая проблема. Пластмассы распадаются на микропластики (MP) и нанопластики (NPls), когда они подвергаются воздействию окружающей среды и старению. Хотя стандартного определения NPls не существует, они обычно имеют размер 1000 нм. Диапазон 100-1000 нм не учитывается и выходит за рамки возможностей обнаружения методов, обычно применяемых к MP. Адаптация различных методов, таких как микро-FTIR и микро-рамановская спектроскопия к NPls, требует более совершенных методов разделения. Кроме того, другие методы, такие как динамическое рассеяние света (ДРС), анализ отслеживания наночастиц (NTA) и просвечивающая электронная микроскопия (TEM), могут измерять NPls, но не могут отличить их от других наноматериалов, присутствующих в образцах окружающей среды. Адаптация этих методов имеет большое значение для научного сообщества в поисках подходящих методов для оценки воздействия пластиковых частиц на окружающую среду в глобальном масштабе [18].
Применение метода ДРС для определения размера несферических наночастиц с использованием кополяризованных и кроссполяризованных компонентов рассеянного света ограничены из-за трудностей измерения и проблемы с инвертированием данных рассеяния в прямое предсказание параметров размера наночастиц. В работе [19] авторы предложить новый метод, называемый мультиполяризационным ДРС, основанный на измерениях интенсивности рассеянного света с временным разрешением под разными углами между падающим и рассеянным светом поляризации. Физическая модель, дающая связь между коэффициентами поступательной и вращательной диффузии частиц и автокорреляционной функцией интенсивности для произвольного угла между падающей и рассеянной поляризациями. Описано применение к наностержням Au и Fe2O3, в частности, для мониторинга изменения размера, вызванного селективным травлением. . По сравнению с деполяризованным ДРС метод позволяет избежать измерения очень слабых кроссполяризованных составляющих рассеянного света, и дает больше данных для решения обратной задачи восстановления размерного параметра из интенсивности рассеянного света.
Динамическое рассеяние света (ДРС) - это метод, который зависит от взаимодействия света с частицами. Его можно использовать для измерения узких распределений частиц по размерам, особенно в диапазоне 2-500 нм. Полидисперсность образца может исказить результаты, и авторы статьи [20] не смогли увидеть реальные популяции частиц, потому что большие частицы, представленные в образце, могут отсеивать более мелкие. Хотя теория и математические основы техники ДРС уже хорошо известны, мало что было сделано для экспериментального определения ее пределов. Размер и распределение по размерам искусственно приготовленных полидисперсных коллоидов наночастиц серебра (НЧ) изучали с помощью ДРС и спектроскопии в ультрафиолетовой и видимой областях (UV-Vis). Полидисперсные коллоиды были приготовлены на основе смеси химически синтезированных монодисперсных коллоидов, хорошо охарактеризованных с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ), просвечивающей электронной микроскопии (ТЕМ), ДРС и УФ-видимой спектроскопии. Анализ результатов ДРС, полученных для полидисперсных коллоидов, показывает, что несколько процентов от объемного содержания более крупных НЧ могут полностью скрыть присутствие более мелких. Представленные результаты могут быть чрезвычайно важны с точки зрения метрологии наночастиц и должны помочь понять экспериментальные данные, особенно тем, кто работает только с ДРС и/или UV-Vis.
Применение метода ДРС для определения размеров наночастиц стало объектом исследований также в работах [21,22].
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1.Carvalho P., Felicio M., Santos N., Goncalves S. Application of Light Scattering Techniques to Nanoparticle Characterization and Development // Frontiers in Chemistry, 2018, N 6, pp 237-245.
2.Lim J., Yeap S., Che H., Low S. Characterization of magnetic nanoparticle by dynamic light scattering // Nanoscale Research Letters, 2013, N 8, pp. 381-389
3.Aschinger A., Winter J. The application of dynamic light scattering to complex plasmas // New Journal of Physics, 2012, Vol. 14, pp. 342-356
4.Murdock R., Schrand A., Braidich-Stolle L., Schlager J. Characterization of Nanomaterial Dispersion in Solution Prior to In Vitro Exposure Using Dynamic Light Scattering Technique // Toxicological Sciences, 08, Vol. 101, N 2, pp. 239-253
5.Zaman M., Ang S., Singh S. Characterizing Nanoparticle Size by Dynamic Light Scattering // Journal of Arkanzas Academy of Sciences, 2016, Vol. 70, N 41, pp. 255-259
6.Jans H., Xiong L., Austin L., Maes G. Dynamic Light Scattering as a Powerful Tool for Gold Nanoparticle Bioconjugation and Biomolecular Binding Studies // Anal. Chem., 2009, Vol. 81, N 22, pp. 9425-9432
7.Kaszuba M., McKnight D., Connah M., Fraser K. Measuring sub nanometre sizes using dynamic light scattering // Journal of Nanoparticle Research, 2008, Vol. 10, pp. 823-829
8.Couteau O, Roebben G. Comparison of Dynamic Light Scattering and Centrifugal Sedimentation for Nanoparticle Sizing. In Conference Proceedings: R. Tomellini, S. Fantechi, editors. Proceedings of the EuroNanoForum 2007, Nanotechnology in Industrial Applications. Luxembourg (Luxembourg): OPOCE; 2007. p. 66-68.
9.Zhou W., Mingxu S., Xiaoshu C. Advances in Nanoparticle Sizing in Suspensions: Dynamic Light Scattering and Ultrasonic Attenuation Spectroscopy // KONA Powder and Particle Journal, 2017, Vol. 17, pp. 68-182
10.Farkas N., Kramar J. Dynamic light scattering distributions by any means // Journal of Nnaoparticle Research, 2021, N 5, pp. 225-231
11.Zhou W., Zhang J., Liu L., Xiaoshu C. Ultrafast image-based dynamic light scattering for nanoparticle sizing // Review of Scientific Instruments, 2015, Vol. 86, pp. 115107-115114
12.Maguire C., Rosslein M., Wick P., Prina-Mello A. Characterisation of particles in solution - a perspective on light scattering and comparative technologies // Science and Technology of Advanced Materials, 2018, Vol. 19, N 1, pp. 732-745
13.Adelantado C. New Metrological Approach for Sizing Silica Nanoparticles by Dynamic Light Scattering with Applicability to Various Food Samples // Analytical Letters, 2021, Vol. 51, N 11, pp. 1759-1768
14.Zimbone M., Baeri P., Calcagno L., Musumeci P. Dynamic Light Scattering on Bioconjugated Laser Generated Gold Nanoparticles // PLoS ONE, 2013, Vol. 9, N 3, pp. 137-148
15.Naveen J., Gajanan P., Ravindra M. Dynamic Light Scattering: Advantages and Applications // Acta Scientific Nutritional Health, 2019, Vol. 3, N 3, pp. 50-52
16.Badasan A., Mavric A., Cigic I., Bencik T. Polymer nanoparticle sizes from dynamic light scattering and size exclusion chromatography: the case study of polysilanes // Soft Matter, 2018, Vol. 14, pp. 4735-4740
17.Ruochen X., Batchelor C., Young N., Compton R. Electrochemical impacts complement light scattering techniques for in situ nanoparticle sizing // Nanoscale, 2019, Vol. 11, N 4, pp. 1720-1727
18.Al-Abed R., Potter P., Birch Q. Nanoplastics: adapting existing methods from microplastics and nanotechnology. Global Summit on Regulatory Science 2019, Stresa, N/A, ITALY, September 24 - 27, 2019, pp. 6-10
19.Levin A., Shmytkova E., Khlebtsov B. Multipolarization Dynamic Light Scattering of Nonspherical Nanoparticles in Solution // Journal of Physical Chemistry, 2021, Vol. 121, pp. 30203027
20.Tomaszewska E., Soliwoda K., Kadziola K., Tkach B. Detection Limits of DLS and UV-Vis Spectroscopy in Characterization of Polydisperse Nanoparticles Colloids // Journal of Nanomaterials, 2013, N 5, pp. 368-382
21.Xingchen Y., Chenhui Z., Ercuis P., Raja S. Structural diversity in binary superlattices self-assembled from polymer-grafted nanocrystals // Nature Communications, 2015, N 8, pp. 1-10
22.Fazal R., Qayyum I., Rehman R. Nanotechnology; A Great Innovation in Scientific Research and Technology-A Review // Journal of Nanomedicine and nanotechnology, 2019, Vol. 7, N 1, pp. 1051-1059
Информация об авторах А.А. Алиева — кандидат техническихнаук, ведущий научный сотрудник лаборатории «Исследование проблем катализа спектроскопическими методами» НАНА.
Information about the authors A.A. Aliyeva - Ph.D., leading researcher laboratory "Study of problems of catalysis spectroscopic methods" of ANAS.
