Анализ отслеживания наночастиц: принципы, применение и перспективы.

Введение

Анализ наночастиц (NTA) – это метод визуализации и анализа частиц в жидкостях, который устанавливает связь между скоростью броуновского движения и размером частиц. Скорость движения связана только с вязкостью и температурой жидкости и не зависит от плотности частиц или показателя преломления. NTA позволяет определить профиль распределения частиц по размерам для частиц диаметром приблизительно от 10 до 1000 нанометров (нм) в жидкой суспензии. В основе техники лежит сочетание ультрамикроскопа и лазерного осветительного устройства, которые вместе позволяют визуализировать движение мелких частиц в жидкой суспензии под действием броуновского движения. Свет, рассеянный частицами, регистрируется с помощью CCD или EMCCD камеры в течение нескольких кадров. Затем компьютерное программное обеспечение отслеживает движение каждой частицы от кадра к кадру. Скорость движения частиц соотносится с эквивалентным сферическим гидродинамическим радиусом, рассчитанным по уравнению Стокса-Эйнштейна. Метод определяет размер частиц на основе анализа каждой частицы в отдельности, что позволяет преодолеть присущие ансамблевым методам, таким как динамическое рассеивание света, недостатки. Поскольку анализ основан на видеозаписях, возможна точная характеристика событий в реальном времени, таких как агрегация и растворение. Образцы требуют минимальной подготовки, что сокращает время, необходимое для обработки каждого образца. Некоторые исследователи предполагают, что в будущем анализ может проводиться в режиме реального времени и без предварительной подготовки, например, при обнаружении вирусов, переносимых по воздуху, или биологического оружия. В настоящее время NTA применим к частицам диаметром от 10 до 1000 нм, в зависимости от типа частиц. Анализ частиц на нижнем пределе этого диапазона возможен только для частиц, состоящих из материалов с высоким показателем преломления, таких как золото и серебро. Верхний предел размера ограничен незначительным броуновским движением крупных частиц; поскольку крупная частица движется очень медленно, точность измерений снижается. Вязкость растворителя также влияет на движение частиц и играет роль в определении верхнего предела размера для конкретной системы.

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.

Приложения

NTA используется коммерческими, академическими и государственными лабораториями, работающими в области токсикологии наночастиц, доставки лекарственных средств, изучения экзосом, микровезикул, везикул бактериальных мембран и других небольших биологических частиц, вирусологии и производства вакцин, экотоксикологии, агрегации белков, ортопедических имплантатов, чернил и пигментов, а также нанопузырьков.

Интеграция

Интерферометрический анализ отслеживания наночастиц (iNTA) – это следующее поколение технологии анализа отслеживания наночастиц (NTA). Он основан на интерферометрической микроскопии рассеяния (iSCAT), которая усиливает сигнал от слабых рассеивателей. В отличие от NTA, iNTA обладает более высоким разрешением, основанным на анализе двух параметров, включая размер и сечение рассеяния частицы.

История

NTA и связанные с ней технологии были разработаны Бобом Карром. Вместе с Джоном Ноулзом Карр основал NanoSight Ltd в 2003 году. Эта компания, базирующаяся в Великобритании, председателем которой является Ноулз, а Карр – главный технический директор, производит приборы, использующие НТА для обнаружения и анализа малых частиц в промышленных и академических лабораториях. В 2004 году Ханно Вачерниг основал Particle Metrix GmbH в Германии. Particle Metrix производит ZetaView, который работает по тому же принципу NTA, но использует другую оптику и микрофлюидику, стремясь улучшить отбор проб, определение дзета-потенциала и обнаружение флуоресценции.