Инновационный метод измерения наночастиц

Точное измерение молекулярной массы, размера и плотности наночастицы в одной процедуре стало возможным благодаря методу аналитического ультрацентрифугирования, обновлённому учёными из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (EPFL).

Хотя наночастицы используются в различных областях — медицине, солнечной энергетике и фотонике — о них ещё многое неизвестно. Полная их характеристика, включая массу, размер и плотность, остаётся крайне сложной задачей, что тормозит исследования. Однако этот пробел в знаниях скоро будет заполнен благодаря работе профессора Франческо Стеллаччи и его ассистента Рэнди Карни из Лаборатории супрамолекулярных наноматериалов и интерфейсов (SUNMIL). В недавней статье в Nature Communications они показали, что можно получить полную характеристику наночастицы типа "ядро-оболочка", используя простой метод — аналитическое ультрацентрифугирование. Этой 100-летней процедурой ранее пользовались, в частности, для изучения размера и массы белков. Применяя метод в своей области, учёные EPFL осознали его потенциальную пользу.

Ядро и оболочка

До сих пор анализ всех параметров, характеризующих как ядро, так и оболочку наночастицы в одной операции, оставался серьёзной проблемой. Наночастицы полиморфны, то есть в образце каждая из них имеет разные характеристики (размер, масса, вес и т.д.). «В настоящее время у учёных есть надёжные методы характеристики ядра наночастиц. Но для полной характеристики требуется пять или шесть очень сложных процедур», — добавляет Рэнди Карни. «Изучая аналитическое ультрацентрифугирование, мы обнаружили метод, который позволяет нам в одном процессе получить все необходимые параметры за несколько часов».

Как это работает?

Технически концепция следующая: сначала нужно разбавить наночастицы в растворе, а затем поместить раствор в аналитическую ультрацентрифугу, оснащённую оптической системой обнаружения, которая анализирует их поведение. Затем с помощью вычислительного процесса можно определить так называемый коэффициент седиментации. «Когда мы вращаем их на высокой скорости, наночастицы отделяются от жидкости в разные моменты времени в зависимости от их плотности», — объясняет Рэнди Карни. Самые крупные частицы таким образом отделяются быстрее. Это наблюдение даёт указание на вес частицы, а также на её диаметр». Параллельно учёные сосредотачиваются на другом показателе — обычно игнорируемом большинством исследований — который называется коэффициентом диффузии частицы и связан с тем, как они распространяются в жидкости. «Это явление, которое можно сравнить с каплей чернил в воде, происходит даже тогда, когда растворитель неподвижен».

Применение в промышленности

При совместном использовании коэффициент седиментации и коэффициент диффузии позволяют получить очень точную характеристику как ядра, так и оболочки наночастиц: то есть их размер, вес, форму и состав. Это очень важная информация, учитывая, что свойства наночастиц (химические, электронные, магнитные и т.д.) зависят от всех этих параметров.

На данный момент этот метод работает только со сферическими наночастицами. Однако он всё равно должен представлять интерес для исследователей в области нанотехнологий, которые могут использовать его и для других наночастиц с некоторыми дополнительными анализами. «Промышленности и биологическим приложениям также нужен метод характеристики наночастиц. Этот метод может быть очень полезен», — заключает профессор Стеллаччи.