Наночастици: Колко голям е малък?

Учените разработват точно и бързо измерване на наночастиците

Частици от силициев диоксид с размер 160 nm във въглероден филм. Това изображение е направено със сканиращ електронен микроскоп, който учените от PTB са оборудвали с детектор за предаване. Предавателният детектор измерва преминаващите през пробата електрони. Наночастиците са показани в черно, тъй като едва ли някой електрод прониква през тях, фонът изглежда бял. © PTB
чете на глас

Определянето на точния размер на наночастиците е било трудоемко и понякога продължително. Сега изследователите са разработили нов метод за измерване, който може точно да определи разликите в размера до един нанометър, като по този начин дава възможност да се правят важни заключения относно поведението и рисковете на частиците. Новият метод може също да допринесе за сертифицирането на референтни материали в Европейския съюз.

Независимо дали в козметични продукти като слънцезащитен крем, паста за зъби или дезодорант, в бои и лакове или при терапия на рак: наночастиците се използват широко и предлагат широк спектър от възможни приложения. В същото време рисковете, породени от тези малки частици по време на тяхното производство, употреба и изхвърляне, са трудни за оценка. Поради малките си размери те имат напълно различни химични и физични свойства от по-едри частици или твърди частици от един и същи материал. Поведението им е силно зависимо от размера на частиците им: Една частица с размер 18 нанометра може да има много различни свойства от размера на 35 или 160 нанометра.

Съответно разликата в размерите играе важна роля при оценката на риска от тези "частици джудже" за хората и околната среда. В същото време такива свойства, зависими от размера, предоставят възможност за разнообразни технологични приложения. Независимо дали рисковете за здравето и околната среда или технологичните ползи - познаването на размера на наночастиците е важно във всеки случай.

Електронният микроскоп "надстроен"

За да определят точно техния малък размер, учените от Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) вече са разработили електронно-микроскопичен метод за измерване на размера на наночастиците. Той съчетава предимствата на различни видове електронни микроскопи: Учените оборудваха сканиращ електронен микроскоп (SEM) с детектор за предаване. Проблем с високоточното измерване на наночастиците е точното определяне на ръба на частиците, който се "размазва" в електронно-микроскопични изображения. С коя сива стойност стартира частицата и кой пиксел на изображението все още е фон?

Сравнение на симулация с измерване

За да се отговори на този въпрос, се симулира: Програма, разработена на PTB, изчислява сигнала на детектора за частица с фиксиран размер, например 150 нанометра, като се вземат предвид взаимодействията на електроните с частицата и свойствата на детектора. Тогава се сравнява. Ако изчисленият сигнал съответства на измерения, b, от симулацията може да се направи заключение за реалния размер на изследваната частица. Ако не, все още се очаква различен размер на частиците, например 151 нанометра, докато има съвпадение между двата сигнала. показ

Учените от PTB изследвали представители от материалните класове на метали, керамика и пластмаса и успели да покажат, че сигналът на детектора също се променя със свойствата на материала. Например електроните взаимодействат различно с много плътното злато, отколкото с латекса, който има по-ниска плътност. Традиционният подход за определяне на един и същ критерий за анализ на данни за всички частици, без значение какъв е материалът и колко големи са, има своите слабости.

Хиляди частици на ден

За да може да вземе предвид както размера, така и материала на частиците, PTB разработи автоматична оценка. Той изчислява индивидуален детектор сигнал за ръба на частиците въз основа на резултатите от симулацията за всяка отделна частица. По този начин е възможно точното определяне на размера, приспособено към съответната частица. Въпреки тази сложна процедура, няколкостотин снимки могат да бъдат оценени автоматично само за няколко минути. Учените от PTB също са разработили метод за автоматично записване на много наночастици, един след друг. По този начин те вече са в състояние да характеризират проба в рамките на един ден чрез измерване и анализ на до няколко хиляди частици.

Новата процедура за измерване на ПТБ може да помогне за производството на сертифицирани референтни материали в рамките на Европейския съюз. Използват се референтни материали за сравняване на всички измервания в цяла Европа с определен стандарт. Само по този начин могат да се стандартизират резултатите от измерванията в различни лаборатории.

(Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), 07.06.2010 - NPO)