Регистрация / Вход
Прислать материал

14.575.21.0090

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.575.21.0090
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники"
Название доклада
Разработка методов диагностики и технологии создания устройства для экспресс-анализа геометрических и электрокинетических параметров несферических наноразмерных объектов в жидких дисперсиях на основе многоуглового статического, динамического и электрофоретического рассеяния света
Докладчик
Терещенко Сергей Андреевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Разработка методов диагностики и технологии создания устройств для обеспечения возможности проведения экспресс-диагностики геометрических и электрокинетических параметров несферических наноразмерных объектов в жидких средах для контроля технологий и продукции наноиндустрии и оценки токсичности наноматериалов.
Проведение теоретических исследований в области разработки методов определения геометрических параметров несферических наноразмерных объектов в жидких средах на основе многоуглового статического и динамического рассеяния света.
Проведение теоретических исследований в области разработки методов определения электрокинетических параметров несферических наноразмерных объектов в жидких средах на основе электрофоретического рассеяния света.
Разработка и изготовление экспериментального образца малогабаритного анализатора нанообъектов в жидких дисперсиях.
Актуальность и новизна исследования
Тема проекта является актуальной и научно-значимой в связи с активным развитием оптических методов исследования различных рассеивающих объектов, в том числе биологических. Оптические методы имеют ряд неоспоримых преимуществ, поскольку обладают высокой чувствительностью, выполняются неинвазивно, бесконтактно и с высокой скоростью проведения измерений. Для их практической реализации необходимо детальное описание процессов, протекающих при взаимодействии оптического излучения с рассеивающей средой.
Задача исследования свойств наноразмерных частиц и структур чрезвычайно актуальна сегодня. Такие частицы широко используются в самых различных областях, в том числе и для создания материалов, обладающих уникальными свойствами. В медицине, биологии и фармакологии достаточно широко применяются различные наночастицы как для новых методов диагностики, так и для разработки эффективных методов лечения различных болезней. Фактически, области применения наночастиц практически безграничны – химия и нефтехимия, добыча углеводородов, сельское хозяйство, экология, военная промышленность и т.п.
Геометрические и электрокинетические параметры – одни из самых важных характеристик наночастиц. Методы измерения таких параметров активно развиваются в последние годы, при этом следует отметить, что методы рассеяния света являются наиболее корректными и практически удобными. Они позволяют измерять размеры и заряд наночастиц непосредственно в жидкости, в том числе, и в процессе производства. Используя методы рассеяния света можно также оценить реологические и морфологические свойства дисперсных наносистем.
Описание исследования

Одним из путей, позволяющих определить геометрические параметры частиц, является измерение поляризационных характеристик рассеянного света. При проведении этих измерений чаще всего используют вертикально и горизонтально поляризованные компоненты рассеянного света. Автокорреляционная функция (АКФ) вертикально поляризованной компоненты рассеянного света несёт информацию о трансляционном коэффициенте диффузии и, соответственно, о радиусе частиц. Автокорреляционная функция горизонтально поляризованной компоненты рассеянного света позволяет найти коэффициент вращательной диффузии в случае несферических частиц, из чего можно получить оценки для аспектного отношения и форм-фактора наночастиц. Разновидность метода рассеяния света, при котором измеряют вращательную диффузию несферических частиц, принято называть деполяризованным динамическим рассеянием света (ДДРС).

Разработан подход к определению геометрических параметров несферических наночастиц в жидких дисперсиях на базе измерения степени деполяризации рассеянного света. В основе метода лежит тот факт, что с увеличением аспектного отношения наночастиц в дисперсии увеличивается степень деполяризации рассеянного света. Подход, основанный на измерении степени деполяризации рассеянного света, имеет ряд преимуществ перед классическим методом ДДРС. Метод работает в широком диапазоне концентраций наночастиц, для его реализации не требуется дорогостоящее оборудование, например фотоприемник, работающий в режиме счёта фотонов. Однако, как и в случае ДДРС, на результаты измерения оказывает большое влияние полидисперсность образца и наличие в образце примесей.

Разработаны протоколы исследовательских испытаний экспериментального образца малогабаритного анализатора, которые содержат результаты испытаний по всем двенадцати пунктам проверки согласно разработанной Программе и методике исследовательских испытаний.

Разработана конструкторская документация, выполненная в соответствии с требованиями соответствующих нормативных документов в комплект которой входят схема деления структурная, схема электрическая структурная, сборочный чертёж и руководство по эксплуатации.

Разработаны методики экспресс-измерений геометрических параметров и электрокинетического потенциала несферических нанообъектов различной формы непосредственно в жидких дисперсиях.

В проекте были проведены исследования электрокинетического потенциала несферических наночастиц. Электрокинетический потенциал определяет степень и характер взаимодействия частиц между собой и с жидкой средой. Коллоиды с высоким электрокинетическим потенциалом электрически стабилизированы, в то время как коллоиды с низким электрокинетическим потенциалом склонны к коагуляции за счёт электрокинетического взаимодействия между частицами. Для измерения дзета-потенциала используется метод электрофоретического рассеяния света. Данный метод основан на методе динамического рассеяния света в конфигурации лазерного доплеровского анемометра, который используется для измерения скоростей потоков жидкости.

Однако, в существующих приборах получение информации о величине электрокинетического потенциала суспензии наночастиц основано на предположении о сферической форме частиц. В работе предложен новый подход, заключающийся в том, что для повышения точности определения электрокинетического потенциала несферических наночастиц учитывается реальная форма частиц, в отличие от классического метода электрофоретического рассеяния света, где форма исследуемых частиц всегда предполагается сферической.  

Разработаны проекты паспортов на стандартные образцы цилиндрических нанообъектов в жидких дисперсиях с различными значениями аспектного отношения и электрокинетического (дзета) потенциала. Проекты паспортов содержат основную информацию об образце: геометрические параметры, спектрофотометрические характеристики, значения электрокинетического потенциала, вязкость дисперсии и др.

Проведены всесторонние исследования комплекса стандартных образцов цилиндрических нанообъектов с различным  аспектным отношением с использованием передовых методик исследования наноразмерных объектов (атомно-силовая микроскопия, просвечивающая электронная микроскопия, ИК- спектроскопия).

Результаты исследования

Проведены теоретические исследования в области разработки методов определения электрокинетических параметров несферических наноразмерных объектов в жидких средах. Проведены теоретические исследования в области разработки методов определения геометрических параметров несферических наноразмерных объектов в жидких средах.

Разработаны программа и методики проведения экспериментальных исследований на экспериментальном образце анализатора нанообъектов в жидких дисперсиях для геометрических параметров и электрокинетического потенциала несферических нанообъектов в жидких дисперсиях.

Разработана эскизная  конструкторская документация на экспериментальный образец малогабаритного анализатора нанообъектов в жидких дисперсиях в соответствии с нормативными документами.

Разработана методика изготовления комплекса экспериментальных образцов жидких дисперсий с несферическими нанообъектами различной формы для экспериментальных исследований.

Изготовлен комплекс экспериментальных образцов жидких дисперсий с несферическими нанообъектами различной формы для экспериментальных исследований. Разработаны методические указания по технологии создания экспериментального образца малогабаритного анализатора нанообъектов.

Изготовлен экспериментальный образец малогабаритного анализатора нанообъектов в жидких дисперсиях. Проведены исследовательские испытания экспериментального образца малогабаритного анализатора нанообъектов в жидких дисперсиях.

Получены результаты всесторонних экспериментальных исследований комплекса экспериментальных образцов жидких дисперсий с несферическими нанообъектами различной формы (наностержней, нанопластин, нанотрубок, наноэллипсоидов).

Разработана методика изготовления комплекса стандартных образцов цилиндрических нанообъектов в жидких дисперсиях с различными значениями аспектного отношения и электрокинетического (дзета) потенциала.

Изготовлен комплекс стандартных образцов в соответствии с методикой изготовления комплекса стандартных образцов цилиндрических нанообъектов в жидких дисперсиях с различными диапазонами аспектного отношения и электрокинетического потенциала.

Утверждены протоколы заключительных испытаний метода экспресс-диагностики с применением комплекса стандартных образцов для подтверждения его соответствия метрологическим требованиям.

Представленные результаты работ соответствуют требованиям технического задания  и мировому уровню работ в данной области.

Практическая значимость исследования
В настоящее время выпускается довольно много приборов, использующих статическое, динамическое и электрофоретическое рассеяние света. При этом возможно получение информации о среднем размере наночастиц, их полидисперсности, а также электрокинетическом потенциале (эффективном заряде) этих частиц. В некоторых из этих приборов имеется возможность измерять и деполяризованное рассеяние света, из которого можно оценить форму наночастиц. Однако измерения формы наночастиц в настоящее время носят исследовательский характер, хотя задача анализа формы наночастиц в настоящее время является крайне актуальной как для их производства, так и применения.
Особенно актуально эта задача стоит в биологии, поскольку методы динамического рассеяния света, в отличие от микроскопии, обладают несколькими уникальными преимуществами. Методы ДРС позволяют исследовать биологические образцы (клетки крови, вирусы, бактериофаги и т.п.) и биохимические реакции (формирование белковых комплексов, реакций антиген-антитело, расщепления антител и т.п.) в динамике и в естественных условиях водной среды (температура, pH). Кроме того, легко варьируя начальные условия среды можно исследовать изменения, происходящие с биологическими образцами (изменение формы клеток, выход микровезикул из клеток и т.п.), а также исследовать эффективность протекания химических реакций при различных начальных условиях. При исследовании биологических образцов такие наблюдения позволят получить новую информацию о функционировании биологических клеток, а при наблюдении за химическими реакциями позволят контролировать стадии её протекания и более полно понять полученные результаты.
Разработка методов диагностики и технологии создания компактных устройств для экспресс диагностики геометрических и электрокинетических параметров несферических наноразмерных объектов в жидких средах позволит существенно упростить контроль технологических процессов в наноиндустрии, например, при производстве нанотрубок или наностержней.