СПОСОБ ОЦЕНКИ АГРЕГАЦИИ НАНОЧАСТИЦ В КОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРАХ
METHOD OF ESTIMATING AGGREGATION OF NANOPARTICLES IN COLLOIDAL SOLUTIONS

Изобретение относится к нанотехнологии, а именно к способам характеризации наночастиц в коллоидных растворах.
Задача, решаемая изобретением - обеспечить контроль агрегации наночастиц в коллоидных системах с различной степенью полидисперсности с возможностью осуществлять измерения в реальном времени.
При синтезе наночастиц и многих их приложениях важно контролировать их агрегацию (коагуляцию), т.е. объединение в агрегаты, состоящие из нескольких частиц. В тех случаях, когда необходимо использовать одиночные наночастицы, процессы агрегации являются нежелательными. Коагуляцию стремятся избежать при синтезе и хранении наночастиц, а в тех случаях, когда она все же происходит, прибегают к дезагрегации в ультразвуковых ваннах или с помощью стержневого ультразвукового диспергатора. С другой стороны, в настоящее время разрабатываются оптические наносенсорные системы, принцип действия которых основан на специфической агрегации наночастиц, вызываемой аналитом, присутствующим в коллоидной системе. Во всех упомянутых случаях возникает необходимость в неразрушающем контроле процессов агрегации наночастиц в жидких средах, в том числе в реальном времени.
Из уровня техники известены оптические способы контроля агрегации наночастиц - с помощью абсорбционной спектрофотометрии, статического или динамического рассеяния света. (см. Dan Chicea Monitoring nanoparticle aggregation by optical procedures AIP Conference Proceedings, 2013, V 1564, P.P. 84-89).
Известный из уровня техники способ контроля агрегации наночастиц с помощью абсорбционной спектрофотометрии может быть осуществлен по спектрам поглощения в области поверхностного плазмонного резонанса - ППР (см. патент US 2009/0148863, J Krajczewski et al, Plasmonic nanoparticles in chemical analysis, RSC advances, 2017, V. 7, P.P. 17559-17576). Однако в жидкости спектры ППР могут наблюдаться только у наночастиц из нескольких металлов (золота, серебра, платины, меди), для наночастиц из других материалов этот метод неприменим. Известный из уровня техники метод статического рассеяния света применим лишь в ограниченном диапазоне размеров наночастиц, и во многих случаях не допускает однозначной интерпретации результатов.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому способу является способ контроля агрегации наночастиц, основанный на измерении их размеров с помощью динамического рассеяния света (ДРС). ДРС позволяет измерять размеры в диапазоне от 1 до 6 нм независимо от материала наночастицы и по изменениям размера судить об агрегации наночастиц (см. патент US 8883094, кл. G01N 15/02, опубл. 11.11.2010). Способ контроля агрегации, основанный на ДРС, предполагает следующую последовательность операций:
- В кювету с исследуемым раствором направляют линейно поляризованное лазерное излучение и фокусируют его в малом объеме внутри жидкости;
- Собирают излучение, рассеянное этим объемом в некотором телесном угле, поляризация которого совпадает с поляризацией падающего излучения и направляют его на фотоприемное устройство;
- По зависимости интенсивности рассеянного излучения от времени вычисляют автокорреляционные функции (АКФ) интенсивности рассеянного излучения;
trans
H
H
- По вычисленным АКФ определяют коэффициент трансляционной диффузии наночастиц в жидкости D, а по его значению оценивают гидродинамический радиус частицы R по зависимости интенсивности рассеянного излучения от времени вычисляют автокорреляционные функции (АКФ) интенсивности рассеянного излучения, а по его значению оценивают гидродинамический радиус частицы R с помощью формулы Сткоса-Эйнштейна
B
где k - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура, η - динамическая вязкость жидкости
H
- По изменению R по сравнению со значением для исходного раствора судят о произошедшей агрегации наночастиц.
Технической проблемой являются следующие недостатки изложенного выше способа:
- Недостаточная чувствительность к агрегации частиц, особенно в тех случаях, когда образуется относительно небольшое число агрегатов относительно общего числа наночастиц, находящихся в коллоидном растворе. В этом случае изменение гидродинамического радиуса оказывается недостаточным для того, чтобы быть надежно зафиксированным по коэффициенту трансляционной диффузии.
- Малая информативность среднего гидродинамического диаметра для полидисперсных систем. Возможной альтернативой при исследовании агрегации частиц в таких системах могло бы стать сравнение не средних значений гидродинамического диаметра, а распределений наночастиц по значениям этого диаметра, которые могут быть восстановлены по измеренным АКФ путем решения обратной задачи. Такое восстановление требует достаточно сложных вычислений, не обеспечивая при этом получения надежных и однозначных результатов.
Цели предлагаемого изобретения заключаются в преодолении указанных недостатков, т.е. в повышении чувствительности метода, обеспечении возможности его использования для полидисперсных систем при простом и надежном алгоритме обработки результатов измерений.
trans
rot
Эти цели достигаются за счет следующих технических решений: Использование для оценки агрегации наночастиц в растворе уменьшения коэффициента ротационной диффузии вместо гидродинамического радиуса, определяемого по коэффициенту трансляционной диффузии. Данное решение обосновано тем, что коэффициент ротационной диффузии гораздо сильнее зависит от размеров наночастиц, чем коэффициент трансляционной диффузии, по которому вычисляется гидродинамический радиус. Это ясно из сравнения формул для D и D
Из формулы (2) видно, что коэффициент трансляционной диффузии убывает обратно пропорционально первой степени радиуса, а коэффициент ротационной диффузии - обратно пропорционально его третьей степени.
Оценка изменений коэффициента ротационной диффузии без решения обратной задачи, а по интегральным значениям АКФ рассеянного излучения, направление поляризации которого перпендикулярно направлению поляризации падающего излучения или составляет с ним угол, близкий к 90°. АКФ рассеянного излучения с различающимися таким образом направлениями поляризации падающего и рассеянного излучения значительно более чувствительны к значениям коэффициента трансляционной диффузии, чем АКФ для совпадающих направлений поляризации. (см. А.Д. Левин и др. Исследование геометрических параметров несферических наночастиц методом частично деполяризованного динамического рассеяния света. Российские нанотехнологии. - 2015. - Т. 10. - №5-6. - С. 54-59).
Интегральные значения АКФ с различающимися указанным выше образом направлениями поляризации падающего и рассеянного излучения весьма чувствительны к изменениям коэффициента ротационной диффузии. (А.Д. Левин и др. Интегральная оценка эффектов агрегации наночастиц в растворах по автокорреляционным функциям интенсивности рассеянного излучения, Измерительная техника, 2018, №12, - С. 13-16). Интегральные значения АКФ вычисляются по формуле
VH
VH
1
2
где, G - АКФ рассеянного излучения, направление поляризации которого перпендикулярно направлению поляризации падающего излучения, τ - время задержки (аргумент АКФ), G(0) - базовая линия АКФ, т.е. значение АКФ при τ=0. Перед интегрированием производится вычитание базовой линии АКФ и нормирование на базовую линию. В качестве пределов интегрирования выбирается интервал τ<τ<τ времен задержки, при которых имеются значимые различия между АКФ исследуемого раствора  и того же раствора до начала агрегации  Этот критерий может быть выражен с помощью неравенства
агр
исх
В качестве показателя (индекса) агрегации наночастиц ε используется нормированная разность значений интеграла (3) для раствора после агрегации I и исходного раствора I
Согласно предложенному способу, выполняют следующую последовательность операций:
1. В кювету с исходным раствором (до начала агрегации) направляют линейно поляризованное лазерное излучение и фокусируют его в малом объеме внутри жидкости;
2. Собирают излучение, рассеянное этим объемом излучение, поляризация которого перпендикулярна поляризации возбуждающего излучения или составляет с ним угол, близкий к 90° (в интервале от 75° до 90°;
VH
3. По зависимости интенсивности рассеянного излучения от времени вычисляют АКФ интенсивности рассеянного излучения G(τ);
4. Повторяют операции по 1-3 для кюветы с раствором, прошедшим агрегацию.
1
2
5. С помощью критерия (4) определяют значения времен задержки τ и τ, в пределах которых необходимо выполнить интегрирование АКФ; измеренных по 1-4.
6. По формуле (3) вычисляют интегральные значения для АКФ, измеренных для исходного образца и образца, прошедшего агрегацию.
7. По формуле (5) вычисляют показатель (индекс) агрегации наночастиц ε.
Пример реализации
Предлагаемый способ был реализован для оценки агрегации золотых наночастиц, используемых в качестве зондов в сенсорной системе для детекции молекул простат-специфического антигена (ПСА). В этой сенсорной системе используются золотые наночастицы сферической формы, на поверхности которых закреплены молекулы-рецепторы, способные устойчиво связываться с молекулами ПСА. Таким образом, присутствие в растворе молекул ПСА способствует агрегации наночастиц и по степени агрегации можно судить об их концентрации в растворе.
Способ был реализован путем выполнения следующих операций
Подготовили коллоидный раствор, содержащий функционализированные золотые наночастицы. На поверхности каждой частицы были закреплены молекулы - рецепторы, способные образовывать химическую связь с молекулами ПСА. Помещали приготовленный коллоидный раствор в кювету.
В приборе динамического рассеянии света направляли на кювету с образцом через зеркала линейно поляризованное излучение лазера и с помощью линзы фокусировали это излучение в центре кюветы (фиг. 1).
С помощью диафрагмы и линзы собирали излучение, рассеянное из центра кюветы с образцом под углом рассеяния 90 градусов и с помощью призмы Глана-Томпсона выделяли из него компоненту, направление поляризации которой составляет 80° с направлением поляризации излучения лазера. Направляли выделенное излучение на фотоприемник. Схема измерений приведена на фиг. 1, где 1 - лазер, 2, 3 - зеркало, 4 - линза, 5 - кювета с образцом, 6 - диафрагма, 7 - линза, 8 - призма Глана-Томпсона, 9 - фотоприемник (модуль счета фотонов).
По измеренной зависимости интенсивности рассеянного излучения от времени вычисляли АКФ
После измерения добавляли в коллоидные растворы молекулы ПСА в концентрациях 7,5, 15 и 30 нг/мл, проводя каждый раз измерение интенсивности компоненты рассеянного излучения по 5.3, и вычисляя соответствующую АКФ. Для определенных таким образом АКФ произвести вычитание базовой линии и нормировку на базовую линию. Пример АКФ, соответствующих исходному раствору и разным концентрациям ПСА, приведен на фиг. 2.
1
2
1
3
Для измеренных АКФ оценивали пределы интегрирования τ и τ по критерию (4). В результате оценки получено τ=3 мкс, τ=150 мкс. Для измеренных АКФ вычислили интегральные значения по формуле (3).
Для всех исследованных концентраций вычислить индекс агрегации ε по формуле (5). Вычисленные для каждого значения концентрации ПСА значения индекса агрегации приведены в таблице 1, а на графике фиг. 3 показана зависимость индекса агрегации от концентрации.
Результаты, приведенные в таблице 1 и фиг. 3, показывают хорошую корреляцию между концентрацией ПСА и определенным с помощью предлагаемого метода индексом агрегации. Поскольку, как указывалось выше, присутствие в растворе молекул ПСА способствует агрегации наночастиц, продемонстрированная зависимость свидетельствует о достоверности предложенного метода. Данные таблицы 1 иллюстрируют высокую чувствительность предложенного метода, в частности видно, что при изменении концентрации в 2 раза, с 7,5 до 15 нг/мл, гидродинамический диаметр возрастает менее, чем на 4%, а индекс агрегации возрастает в 3,9 раза.
Таким образом, предлагаемый способ обладает следующими преимуществами:
- более высокой чувствительностью, необходимой для обнаружения незначительной агрегации наночастиц, особенно важной для оптических наносенсоров;
- применимостью к взвесям наночастиц с различной полидисперсностью;
- простым алгоритмом обработки результатов измерений, не требующим решения обратной задачи, сопряженного со сложными вычислениями.