Нанобөлшектерді қадағалау талдауы: Қолданылуы мен дамуы

Кіріспе

Нанобөлшекті қадағалау талдауы (НТА) – сұйықтықтардағы бөлшектерді визуализациялау және талдау әдісі, бұл Браун қозғалысының жылдамдығын бөлшектердің мөлшерімен байланыстырады. Жылжу жылдамдығы тек сұйықтықтың тұтқырлығы мен температурасына байланысты; бөлшектердің тығыздығы немесе жарық сыну көрсеткіші оған әсер етпейді. НТА сұйық суспензиядағы диаметрі шамамен 10–1000 нанометр (нм) болатын ұсақ бөлшектердің мөлшерлік таралу профилін анықтауға мүмкіндік береді. Бұл техника ультрамикроскоп пен лазерлік жарықтандыру құрылғысымен бірге қолданылады, олар сұйық суспензиядағы ұсақ бөлшектердің Браун қозғалысымен қозғалуын визуализациялауға мүмкіндік береді. Бөлшектерден шашыраған жарық CCD немесе EMCCD камерасымен бірнеше кадр бойына тіркеледі. Содан кейін компьютерлік бағдарламалық құрал әрбір бөлшектің кадрдан кадрға қозғалысын қадағалау үшін пайдаланылады. Бөлшектердің қозғалыс жылдамдығы Стокс-Эйнштейн теңдеуі арқылы есептелген шарға тең гидродинамикалық радиусқа байланысты. Бұл техника бөлшектердің мөлшерін бөлшек бойынша есептейді, динамикалық жарық шашырауы сияқты жиынтық әдістердегі туа біткен кемшіліктерді жолайды. Видеожазбалар талдаудың негізін құрайтындықтан, агрегация және ерігіштік сияқты нақты уақыт оқиғаларын дәл сипаттау мүмкін. Үлгілерді дайындау минималды деңгейде қажет, бұл әрбір үлгіні өңдеуге кеткен уақытты азайтады. Зерттеушілер талдаудың дайындықсыз, нақты уақытта жүзеге асырылуы мүмкін екенін болжайды, мысалы, ауадағы вирустардың немесе биологиялық қарулардың болуын анықтағанда. Қазіргі уақытта НТА бөлшектердің түріне байланысты диаметрі шамамен 10–1000 нм болатын бөлшектер үшін қолданылады. Бұл диапазонның ең төменгі шегіндегі бөлшектерді талдау тек алтын мен күміс сияқты жоғары жарық сыну көрсеткіші бар материалдардан жасалған бөлшектер үшін ғана мүмкін. Жоғарғы мөлшерлік шектеу үлкен бөлшектердің шектеулі Браун қозғалысымен байланысты; үлкен бөлшек өте баяу қозғалғандықтан, дәлдік төмендейді. Еріткіштің тұтқырлығы да бөлшектердің қозғалысына әсер етеді және ол белгілі бір жүйе үшін жоғарғы мөлшерлік шектеуді анықтауда маңызды рөл атқарады.

Nanoparticle tracking analysis (NTA) is a method for visualizing and analyzing particles in liquids that relates the rate of Brownian motion to particle size. The rate of movement is related only to the viscosity and temperature of the liquid; it is not influenced by particle density or refractive index. NTA allows the determination of a size distribution profile of small particles with a diameter of approximately 10–1000 nanometers (nm) in liquid suspension. The technique is used in conjunction with an ultramicroscope and a laser illumination unit that together allow small particles in liquid suspension to be visualized moving under Brownian motion. The light scattered by the particles is captured using a CCD or EMCCD camera over multiple frames. Computer software is then used to track the motion of each particle from frame to frame. The rate of particle movement is related to a sphere equivalent hydrodynamic radius as calculated through the Stokes–Einstein equation. The technique calculates particle size on a particle by particle basis, overcoming inherent weaknesses in ensemble techniques such as dynamic light scattering. Since video clips form the basis of the analysis, accurate characterization of real time events such as aggregation and dissolution is possible. Samples require minimal preparation, minimizing the time required to process each sample. Speculators suggest that eventually the analysis may be done in real time with no preparation, e. g. when detecting the presence of airborne viruses or biological weapons. NTA currently operates for particles from about 10 to 1000 nm in diameter, depending on particle type. Analysis of particles at the lowest end of this range is possible only for particles composed of materials with a high refractive index, such gold and silver. The upper size limit is restricted by the limited Brownian motion of large particles; because a large particle moves very slowly, accuracy is diminished. The viscosity of the solvent also influences the movement of particles, and it, too, plays a part in determining the upper size limit for a specific system.

Қолданбалар

НТА коммерциялық, академиялық және мемлекеттік зертханаларда нанобөлшектер токсикологиясы, дәрі-дәрмектерді жеткізу, экзосомалар, микровезикулалар, бактериялық мембраналық везикулалар және басқа да ұсақ биологиялық бөлшектер, вирусология және вакцина өндірісі, экожтоксикология, ақуыздардың агрегациясы, ортопедиялық имплантаттар, бояулар мен пигменттер, сондай-ақ нанобульбалармен жұмыс істеуде қолданылып келеді.

INTA

Интерферометриялық нанобөлшектерді қадағалау талдауы (iNTA) – NTA технологиясының жаңа буыны. Ол әлсіз шашыратушылардың сигналын күшейтетін интерферометриялық шашырату микроскопиясына (iSCAT) негізделген. NTA-дан өзгеше, iNTA бөлшектің мөлшері мен шашырау қимасы сияқты екі параметрлі талдау арқасында жоғары сапалы ажыратымдылыққа ие.

Тарих

NTA және оған байланысты технологияларды Боб Карр әзірледі. Джон Ноулзбен бірге Карр 2003 жылы NanoSight Ltd компаниясын құрды. Бұл Ұлыбританияда орналасқан компанияның төрағасы Ноулз, ал бас технологиялық директоры Карр болып табылады. Компания өнеркәсіптік және академиялық зертханаларда кішкентай бөлшектерді анықтау және талдау үшін NTA қолданатын құралдарды өндіреді. 2004 жылы Хано Вачерниг Германияда Particle Metrix GmbH компаниясын құрды. Particle Metrix ZetaView құралын шығарады, ол NTA-ның ұқсас принципі бойынша жұмыс істейді, бірақ үлгі алу, зета-потенциалы және флуоресценцияны анықтауды жақсарту мақсатында басқа оптикалық жүйелер мен сұйықтықтарды пайдаланады.