Развитие метода электрофоретического рассеяния света для анализа коллоидных систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Медведева Екатерина Александровна

• Медведева Екатерина Александровна
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Медведева Екатерина Александровна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМ РАЗРАБОТКИ МЕТОДА ДЛЯ ОЦЕНКИ ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОЛЛОИДНЫХ СИСТЕМ

1.1. Электрокинетические параметры коллоидных систем

1.2. Методы исследований электрофоретической подвижности и дзета -потенциала коллоидных систем и их применение

1.3. Проблемы анализа электрокинетических параметров коллоидных растворов методом электрофоретического рассеяния света

1.4. Постановка цели и задач

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МОДИФИЦИРОВАННОГО МЕТОДА ЭЛЕКТРОФОРЕТИЧЕСКОГО РАССЕЯНИЯ СВЕТА ДЛЯ АНАЛИЗА КОЛЛОИДНЫХ СИСТЕМ

2.1. Пути расширения границ применимости метода электрофоретического рассеяния света для анализа коллоидных систем

2.2. Математические принципы исследования полидисперсных коллоидных систем методом электрофоретического рассеяния света

2.3. Физико-математическая модель рассеяния в режиме полного внутреннего отражения

2.4. Разработка алгоритма, позволяющего вычислять электрофоретическую подвижность и дзета-потенциал частиц в моно и полидисперсных коллоидных растворах

2.5. Выводы к главе

ГЛАВА 3. РЕАЛИЗАЦИИ МОДИФИЦИРОВАННОГО МЕТОДА ЭЛЕКТРОФОРЕТИЧЕСКОГО РАССЕЯНЯИ СВЕТА

3.1. Основные требования, предъявляемые к элементам измерительной системы, модифицированного метода электрофоретической рассеяния света

3.2. Схема реализации модифицированного метода электрофоретического рассеяния света в гетеродинном режиме

3.3 Схема реализации модифицированного метода электрофоретического рассеяния света в режиме полного внутреннего отражения

3.4 Оценка отношения сигнал/шум измерительной системы

3.5 Разработка алгоритма проведения измерения электрокинетических

параметров коллоидных систем

3.6. Выводы к главе

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ ЭЛЕКТРОФОРЕТИЧЕСКОЙ ПОДВИЖНОСТИ И ДЗЕТА-ПОТЕНЦИАЛА КОЛЛОИДНЫХ ЧАСТИЦ

4.1. Апробация разработанного модифицированного метода электрофоретического рассеяния света

4.2. Исследование электрокинетических свойств биологических коллоидных систем

4.3. Результаты исследований коагуляционной способности растворов наночастиц

4.4. Выводы к главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

117

118

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Развитие метода электрофоретического рассеяния света для анализа коллоидных систем»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Методы и средства лазерной физики находят все более широкое применение при изучении электрокинетических свойств коллоидных систем, как при проведении научных исследований, так и при решении разнообразных прикладных задач. К таким задачам относятся экологический мониторинг, контроль пищевой и некоторых видов промышленной продукции, продовольственного сырья и лекарственных препаратов, клиническая лабораторная диагностика.

В настоящее время для анализа электрокинетических параметров (электрофоретической подвижности, дзета-потенциала) коллоидных систем применяется метод электрофоретического светорассеяния, который позволяет проводить исследования с сохранением целостности образца.

Однако на данный момент метод электрофоретического рассеяния света имеет ряд недостатков, среди которых низкая точность получаемых результатов, большой объем образца, требуемый для исследования, длительное время анализа, высокие управляющие напряжения, ограничения по размерам частиц (от 10 нм до 1 мкм), значительное влияние тепловых эффектов, трудности при исследовании полидисперсных растворов и разделении частиц в растворе по зарядовым характеристикам.

Для решения ряда указанных проблем в данной работе предлагается модифицированный метод электрофоретического рассеяния света, позволяющий оценить дзета-потенциал и электрофоретическую подвижность в коллоидных системах различного типа.

Целью диссертационного исследования является разработка модифицированного метода электрофоретического рассеяния света, позволяющего расширить границы традиционных методов, применяемых для исследований электрокинетических свойств коллоидных систем.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1. Проанализировать возможность использования режимов гетеродинирования и полного внутреннего отражения для измерения дзета-потенциала и электрофоретической подвижности моно - и полидисперсных коллоидных систем с размерами частиц менее 3,8 нм, объемом образца менее 25 мкл и электропроводностью более 4 мСм/см.

2. Разработать физико-математическую модель рассеяния неоднородной плоской волны на сферической частице и провести аналитические и численные расчеты характеристик рассеяния в случае электрофоретического рассеяния света в полном внутреннем отражении

3. Разработать алгоритм обработки и анализа экспериментальных данных, позволяющий рассчитать электрофоретическую подвижность и дзета -потенциал в случае полидисперсных коллоидных систем.

4. Разработать и создать экспериментальные макеты установки для исследования электрофоретической подвижности и дзета-потенциала коллоидных систем с применением предложенных подходов.

5. Провести измерения с применением разработанного модифицированного метода электрофоретического рассеяния света в коллоидных растворах наночастиц, биомолекулярных и магнитных жидкостях.

Научная новизна:

В качестве основных результатов, обладающих научной новизной, можно указать следующие:

1. Модифицирован метод электрофоретического рассеяния света за счет применения режима гетеродинорования и полного внутреннего отражения, что позволило анализировать электрокинетические параметры коллоидных систем в расширенном диапазоне исследуемых объемов и величин электропроводности растворов, а также концентраций и размеров частиц в них.

2. Разработана физико-математическая модель рассеяния неоднородной плоской волны на сферических частицах.

3. Разработан алгоритм обработки сигналов электрофоретического рассеяния, позволяющий вычислять электрофоретическую подвижность и дзета -

потенциал частиц в полидисперсных системах по данным периодограмм (программное свидетельство №2020617608, 08.07.2020).

4. Разработаны два экспериментальных макета, позволяющие измерять значение электрофоретической подвижности и дзета-потенциала коллоидных систем различного объема с погрешностью не более 10% (патент РФ на полезную модель №204641 Рос. Федерации 02.06.2021).

Методология диссертационного исследования

Для решения поставленных задач использовались методы натурного и модельного эксперимента, приближенного аналитического и численного решения задач теории рассеяния электромагнитного излучения, принципы цифровой обработки сигналов, корреляционный анализ и методики обработки результатов исследования.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Разработана физико-математическая модель, описывающая рассеяние неоднородной плоской волны лазерного излучения на сферической частице, а также корреляционная функция сигнала рассеяния с учетом глубины проникновения излучения в образец, что позволяет связать электрофоретическую подвижность и дзета-потенциал частиц с параметрами сигнала рассеяния в режиме полного внутреннего отражения.

2. Предложенная схема реализации установки с использованием полного внутреннего отражения и капилляра, вместе с разработанной теорией анализа экспериментальных данных, позволили уменьшить влияние тепловых эффектов и разделить частицы в растворе по зарядовым характеристикам.

3. Предложенная модификация метода электрофоретического рассеяния света за счет применения режимов гетеродинирования и полного внутреннего отражения, а также разработанных алгоритмов обработки формируемых в этих режимах сигналов позволяет измерять электрокинетические параметры моно - и полидисперсных растворов в расширенном диапазоне размеров частиц (0,5-1000 нм), с пониженной концентрацией (до 1 мг/л), повышенной величиной электропроводности (более 4 мСм/см) и в уменьшенном объеме (до 25 мкл) с

погрешностью не более 10%. Метод обладает увеличенным быстродействием (время измерения параметров до 1 минуты).

4. Улучшения параметров измерений за счет предложенных модификаций метода электрофоретического рассеяния света обеспечивают возможность оценки агрегационной устойчивости растворов и определения электрофоретической подвижности и дзета-потенциала не только в лиофильных, но и в лиофобных коллоидных системах, характеризующихся термодинамической неустойчивостью, что было экспериментально показано на примере растворов биологических молекул (альбумин, глицин), молекул фуллеренола, металлических наночастиц, магнитных жидкостей и их смесей.

Теоретическая значимость результатов состоит в том, что созданное аналитическое описание рассеяния лазерного излучения коллоидной системой в режимах гетеродинирования и полного внутреннего отражения, а также разработанные принципы обработки сигналов рассеяния и дополненный метод исследования агрегационной устойчивости коллоидных систем могут быть использованы в исследованиях подобных явлений и при создании измерительных устройств на их основе.

Практическая значимость результатов работы состоит в том, что:

• разработаны и апробированы экспериментальные макеты для измерения электрокинетических параметров коллоидных систем в диапазоне размеров частиц 0,5-1000 нм с погрешностью не более 10%, позволяющие исследовать образцы с концентрацией от 1 мг/л и величиной электропроводности более 4 мСм/см.

• разработан алгоритм, позволяющий вычислять электрофоретическую подвижность и дзета-потенциал частиц в полидисперсных системах.

• полученные закономерности изменения электрокинетических параметров при внешнем воздействии на коллоидную систему могут быть применены при разработке лекарственных препаратов, разработке красок, создании устойчивых наночастиц металлов, производстве и разработке

фармацевтической, косметической, химической продукции, биотехнологии, и других областях науки и технологии, связанных с коллоидными системами.

Личный вклад диссертанта:

В данной работе представлены результаты, полученные автором лично. Выбор целей и задач исследования проделан совместно с руководителем.

Достоверность полученных результатов подтверждается проведением расчетов в строгом соответствии с подтвержденными математическим аппаратом электродинамики, статистической физики, лазерной спектроскопии, а также публикациями в рецензируемых научных журналах и полученными тремя свидетельствами РИД. Достоверность обеспечена применением современных апробированных методов экспериментальных и теоретических исследований и высокой воспроизводимостью экспериментальных данных. Полученные результаты хорошо согласуются с данными опубликованных научных исследований в случаях, когда такое сопоставление возможно.

Апробация результатов работы. Результаты работы были представлены на следующих международных и всероссийских конференциях и школах -семинарах: Научно-практическая конференция с международным участием «Неделя науки СПбПУ» (2017-2021); Российская молодежная конференция по физике и астрономии «ФизикА.СПб» (Санкт-Петербург, 2016 г.); Международная Конференция «Лазерно- информационные технологии в медицине, биологии, геоэкологии и транспорте-2016» (Новороссийск, 2016 и 2017 гг.); Международная научно-практическая конференция: «Инновации, технологии и наука» (Уфа, 2016г.); Международная школа-конференция «Saint-Petersburg OPEN» по Оптоэлектронике, Фотонике и Нанобиотехнологиям (Санкт-Петербург, 2017, 2018, 2019 гг.); Международный экологическим форум стран Балтийского региона «Ecobaltica» (Санкт-Петербург, 2017 г.); Международная конференция «Laser Optics» (Санкт-Петербург, и 2016, 2018, 2020, 2022 гг.); Международная конференция по оптике и биофотонике «Saratov fall meeting» (Саратов, 2016, 2017 и 2018 гг.); Международная конференция по фотонике и информационном оптике (Москва, 2017, 2018 и 2019 гг.); Конгресс молодых ученых (Италия, 2017 г.); 19-ая

Международная конференция по Биоинженерии, Биоинформатике и Биомедицинской (Италия, 2017 г.); Международная молодежная научная школа «Когерентная оптика и оптическая спектроскопия» (Казань, 2017 г.); Международная конференция по применению лазеров в науках о жизни (Израиль, 2018 г.); Конференция SPIE Photonics Europe (Страсбург, Франция, 2020 г.); V Международная конференция и молодёжная школа «Информационные технологии и нанотехнологии» (Самара, 2019, 2020 и 2021 гг.); Международная конференция по применениям оптики и фотоники (Лиссабон, Португалия, 2019 г.); IEEE Международная конференция по электротехнике и фотонике (Санкт-Петербург, 2018, 2019, 2020, 2021 гг.); Международная конференция по энергетике, материалам и нанотехнологиям (Санкт-Петербург, 2019 г.); Международная молодежная конференция по электронике, телекоммуникациям и информационным технологиям (Санкт-Петербург, 2019-2022 г.).

Результаты работы использовались в следующих научных проектах:

• Проект №21-72-20029 РНФ "Суперкомпьютерное моделирование и технология биомолекулярных пленочных структур" 2021-2024.

• Проект № 21-72-00035 https://rscf.ru/ru/project/21-72-00035/ РНФ «Комбинированный оптический датчик для неинвазивной оценки функциональных резервов печени» 2021-2023.

• Госзадание FSEG-2020-0024 "Прецизионная спектроскопия квантовых систем и нанообъектов в широком диапазоне энергий".

Публикации и РИДы. По теме представленных в диссертации исследований Медведевой Е.А. опубликовано 24 публикации, в том числе в рецензируемых научных журналах из списка ВАК (3 работы), изданиях входящих в базы данных Scopus и WoS (16 работ), а также в сборниках, рецензируемых РИНЦ (5 работ). Оформлено 3 свидетельства о регистрации РИД (2 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ и один патент на полезную модель).

Структура и объем работы

Полный объем диссертации составляет 130 страниц в том числе 50 рисунков, 12 таблиц. Работа включает введение, 4 основные главы, заключение и список используемой литературы (из 111 наименований, включая работы автора).

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМ РАЗРАБОТКИ МЕТОДА ДЛЯ ОЦЕНКИ ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОЛЛОИДНЫХ СИСТЕМ

1.1. Электрокинетические параметры коллоидных систем

Коллоидные системы представляют собой смеси двух или более компонентов, в которой отдельные частицы, имеющие размер хотя бы в одном из измерений от 1 до 1000 нм, распределены в другой фазе, обычно непрерывной, отличающейся от первой по составу или агрегатному состоянию и именуемой дисперсионной средой [11,13]. По степени дисперсности коллоидные системы классифицируют на монодисперсные с одинаковыми размерами частиц фазы и полидисперсные с разными размерами частиц [13]. Одной из основных характеристик состояния коллоидных дисперсных растворов является устойчивость, когда сохраняется во времени состав и свойства дисперсионной системы [11].

Способность дисперсной системы сохранять равномерное распределение частиц обеспечивает седиментационная устойчивость [46]. Сохранение степени дисперсности коллоидной системы характерно для агрегативной устойчивости. Для количественной оценки агрегативной устойчивости используются различные электрокинетические параметры коллоидных систем. На величину данных параметров влияют свойства дисперсной среды (растворителя): диэлектрическая проницаемость и вязкость, концентрация электролита, наличие поверхностно-активных веществ и его концентрация и другие [45].

Дзета-потенциал является важным параметром при исследовании устойчивости коллоидных систем. Данный параметр используют для изучения поверхностной морфологии и адсорбции на частицах и других поверхностях в контакте с жидкостью. Прямая зависимость коагуляционной устойчивости суспензий и эмульсий от дзета-потенциала делает этот параметр незаменимым при экспериментальной экспресс-оценке характеристик стабильности дисперсных водных растворов, включая растворы наночастиц [45].

В коллоидных системах на границе раздела частицы и дисперсионной среды возникает двойной электрический слой (ДЭС). Теория строения ДЭС рассматривается в виде двух слоев (Рисунок 1.1) [87]:

• Слоя потенциалопределяющих ионов, на расстоянии, равном их радиусу в несольватированном состоянии. Данный слой примыкает непосредственно к межфазной поверхности

• Слоя противоинов, который в свою очередь делится на адсорбционный и диффузный.

Противоионы, примыкающие к потенциалопределяющим ионам, образуют адсорбционный слоем (слой Гельмгольца). Радиус гидратированных ионов адсорбционного слоя X равен толщине стоя Гемгольца. Слой Гуи (диффузионный) располагается вслед за слоем Гемгольца. Его размер зависит от свойств коллоидной системы и может быть равен от единиц до сотен нанометров.

©

слои поврехностного ......

заряда _ +

х* # •

• т т +

Р!

Яэфф

©

+ : +

+ + + +

граница раздела фаз

+

• + + + • +

'"• О л ш

плоскость _ '

скольжения +

+

©

0

0

0

\ 0

диффузный слой

Рисунок 1.1 - Схема образования двойного электрического слоя

Пусть имеется жидкость с плотностью р, диэлектрической проницаемостью е, динамической вязкостью п при температуре Т, в которой растворена одновалентная соль в концентрации Со. Теперь рассмотрим одиночную сферическую коллоидную частицу с радиусом Rh и суммарным положительным поверхностным зарядом Q = 7е0, помещенную в точку начала отсчета сферической системы координат (г = 0) [35].

В целом, данная система электронейтральна, так как помимо растворенной соли в растворе присутствуют противоионы с суммарным зарядом Q и концентрация противоионов мала по сравнению с концентрацией ионов соли [35].

За счет электростатического притяжения на поверхности коллоида адсорбируются ионы с противоположным зарядом, таким образом образуется слой поверхностного заряда. Ионы, адсорбированные в нем, движутся вместе с коллоидом как единое целое.

В диффузном слое вблизи частицы концентрации ионов разных знаков не равны, то есть наблюдается ненулевой объемный заряд, спадающий до нуля при удалении от частицы. Характерная толщина диффузного слоя называется длиной Дебая [56].

При действии внешнего электрического поля с напряженностью Е, направленного вдоль оси х, коллоидные частицы начинают движение в направлении приложенного поля, а облако анионов - в противоположную сторону. В диффузном слое возникает электроосмотический поток, который проявляется в виде дополнительной силы, действующей на коллоидную частицу. По достижении некоторой скорости коллоид перестанет ускоряться, так как электрокинетическую движущую силу уравновесит сила гидродинамического сопротивления.

Описание дзета-потенциала было введено М. Смолуховским для случая тонкого ДЭС [89], а для толстого слоя Э. Хюккелем [59]. Рассмотрим различные случаи толщины и кривизны двойного слоя (произведение кЯ, которое называется приведенным радиусом или числом Дебая, где к - обратная длина Дебая, Я -радиус частицы).

Предел Хюккеля, ^ ^ 0 (предел толстого двойного слоя)

Если в системе, описанной ранее, нет растворенной соли, то экранирования заряда не происходит, и внешнее поле Е действует на коллоид с некоторой силой [23]. Частица приходит в движение, поэтому на нее начинает действовать сила сопротивления Стокса. В такой системе электрофоретическая подвижность описывается следующим уравнением, полученным Хюккелем

дя = (1.1)

где дзета-потенциал, £ - диэлектрическая проницаемость,

£0 - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, ^ - это вязкость,

Предел Смолуховского, ^ ^ да (предел тонкого двойного слоя)

Соответствующее решение для электрофоретической подвижности было получено Смолуховским и записывается в виде

з

^ = - Дя. (12)

Промежуточные значения ^

Общая формула, описывающая электрофоретическую подвижность гидрофильного коллоида при любых значениях кR, может быть записана следующим образом [35]

дя = 2т2 я**). (13)

Пределы Хюккеля и Смолуховского описывают системы, для которых, соответственно, Д(0) = 1 и А(кЯ ^ да) = 3/2. К сожалению, точный вид функции А(кЯ), для всех кЯ не может быть получен аналитически [23]. Тем не менее, существует несколько приближенных формул, из которых в настоящий момент наиболее точной при кЯ >1.0 и ( < 4.0 является формула (1.4), полученная К.Макино и Х.Ошимой [66,69,70] в рамках приближенного решения стандартной электрокинетической модели

„- 2£££°| 1 +_1_\ 2$££0( \2

3 V I1 + 2(1+_25_)) 3 V \квТ )

кЯ(кЯ + 1.3ехр(-0.18кЯ) + 2.5)

2(кЯ + 1.2 ехр(-7.4£Д)+4.8)

/т++т-\ 9кЯ(кЯ + 5.2ехр(-3.9кЯ) + 5.6) 1 ( .

( 2 ) 8(&К-1.55ехр(-0.32£К) + 6.02)3Г ( . )

где

1

т± = -. (1.5)

Считается, что большие значения дзета- потенциала характеризуют более устойчивую коллоидную систему. Значение дзета-потенциала, равное +-30 мВ, -является характерным значением для разделение жидких коллоидных систем на устойчивые и неустойчивые [10].

Величина электрокинетического потенциала в большинстве зависит от различных свойств коллоидных систем [37], в частности:

• Ионная концентрация раствора: повышение концентрации ионов оказывает положительное влияние на рост концентрации противоинов в частицах, тем самым снижая их показатель в диффузной области;

• Суммарный заряд противоионов: увеличение заряда противоионов оказывает существенное влияние на их аттракцию к заряженной поверхности частицы. Отсюда следует уменьшение толщины диффузного слоя, и, как следствие, уменьшение £ - потенциала;

• Полярность противоионов: увеличение поляризуемости противоионов приводит к увеличению сил притяжения к частице, и уменьшению слоя Гельмгольца;

• Лиофильность: увеличение прочности сольватной оболочки, состоящей из молекул растворителя, ведет к увеличению диффузного слоя, и, соответственно, к увеличению £ - потенциала.

1.2. Методы исследований электрофоретической подвижности и дзета -потенциала коллоидных систем и их применение

Для анализа электрокинетических свойств коллоидных систем используют оптические, электрокинетические и акустические методы, которые основаны на явлении электрофореза [16, 38, 54].

1.2.1 Электрофорез

Электрофорез - это явление, описывающее, движение и разделение заряженных частиц под действием электрического поля. Как правило, в эксперименте по электрофорезу предполагается наличие анода и катода, которые соединены проводящей средой - электролитом. Так как частицы движутся с разной скоростью д, которая зависит от подвижности частицы д и напряженности поля Е, то в электрофоретической системе возможно наблюдение разделения заряженных частиц. Электрофоретическая подвижность (ЭФП) частицы может зависеть от размера, формы и заряда частицы [68]. Условия электрофореза характеризуются электрическими параметрами (ток, напряжение) и такими факторами, как ионная сила, значение рН, вязкость, которые описывают среду, в которой движутся частицы.

Существует множество модификаций и разновидностей методов электрофореза в зависимости от наличия поддерживающей среды [57]:

• Свободный электрофорез (с подвижной границей) и зональный электрофорез без поддерживающей среды;

• Зональный электрофорез в поддерживающей среде с капиллярной структурой.

Для исследования электрокинетических параметров полидисперсных растворов применяется метод капиллярного электрофореза [43]. С помощью данного метода возможно разделять компоненты в полидисперсных многокомпонентных смесях в капилляре при наложении электрического поля. При этом исследуемый объект помещается в кварцевый капилляр с электролитом посредством электрокинетической инъекции. К капилляру подается высокое

напряжение, и благодаря этому электрическому полю (более 300 В/см) компоненты пробы перемещаются (мигрируют) по капилляру. Положительные компоненты мигрируют к отрицательному электроду, отрицательные компоненты мигрируют к положительному электроду [76].

Как упоминалось ранее, скорость компонента (мобильность) зависит от размера и заряда. Размер представляет собой комбинацию компонента образца и водяного экрана, связанного с компонентом. Даже небольшой ион (например, фторид, F-) может быть большим из-за большого водяного экрана. Как правило, чем больше компонент, тем медленнее он будет мигрировать через буфер.

Заряд ионов может сильно зависеть от значения рН. По этой причине для разделения используется буфер с определенным рН. В уксусной кислоте при рН=7 поверхность, как правило, будет заряжена отрицательно. Подвижность (скорость) ионов уксусной кислоты будет большой. При рН 3, когда около 80 % уксусной кислоты является нейтральной, подвижность будет намного ниже. Изменяя рН буферной системы, можно изменить подвижность различных компонентов коллоидов для достижения наилучшего разделения. Как правило, лучший показатель рН для разделения находится между значениями рН компонентов пробы.

Основным недостатком является низкая воспроизводимость метода, а также необходимость контроля постоянства скорости электроосмотического потока на протяжении всех проводимых определений.

1.2.2 Электроакустические методы

Данные методы основаны на электроакустических явлениях, которые возникают при распространении ультразвука в жидкости, содержащей ионы. Существует несколько различных электроакустических эффектов в зависимости от природы жидкости: ток коллоидной вибрации и амплитуда электрического звука. С помощью данных методов возможно измерение динамической электрофоретической подвижности . Электроакустические методы

применяется для исследования концентрированных и разбавленных гетерогенных

сред. Согласно теории О'Брайна электрофоретическая подвижность вычисляется с помощью уравнения [4]

где АЕ5А - электрокинетическая звуковая амплитуда, рт - плотность жидкости, ф - объемная доля дисперсной фазы, рр - плотность частиц,

А(ш) - передаточная функция средства измерения,

F(z) - функция акустических импедансов преобразователя,

1СУ! - электрический ток колеблющейся дисперсной системы.

Одним из преимуществ подобных методов является низкая чувствительность к загрязнениям исследуемого образца (кюветы). Также электроакустические методы имеют высокое разрешение при исследовании высококонцентрированных коллоидных систем, обладающих высокой ионной силой. Основным недостатком акустических методов является отсутствие возможности исследования неполярных или низкополярных жидкостей.

1.2.3 Оптические методы

Оптические методы определения электрокинетических параметров коллоидных систем делятся на два типа [10]. Первый тип основан на оптической микроскопии или микроэлектрофореза, в котором для вычисления скорости движения частиц используется обработка изображений частиц, наблюдаемых через микроскоп [10]. Второй тип основан на измерении электрокинетических параметров по доплеровскому сдвигу частоты рассеянного излучения [30]. Данный метод получил название электрофоретическое рассеяния света (ЭФС)

В оптических методах коллоидную систему помещают в кювету с погружными электродами, к которым прикладывается постоянное напряжение. При этом в результате явления электрофореза, отрицательно заряженные частицы

(1.6)

[30].

будут мигрировать к положительно заряженному электроду, а положительно заряженные частицы к отрицательно заряженному электроду с некоторой скоростью. Зная скорость движения частицы, напряженность электрического поля и расстояние между электродами можно рассчитать соответствующую электрофоретическую подвижность и дзета-потенциал [80,81].

Оптические методы исследования электрокинетических параметров являются [20]:

• простыми (используют минимальное количество элементов оптической схемы),

• недорогими (не требуют дорогостоящего оборудования),

• быстродействующими (время съема сигнала порядка одной минуты),

• информативными (измерения одновременно от 4 параметров) [19, 22].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Медведева Екатерина Александровна, 2022 год

использование

Параметр сравнения Кювета ПВО Кювета с погружными электродами

Очистка кюветы и электродов перед измерениями требуется требуется

Возможность изучения приповерхностных явлений присутствует отсутствует

Из приведенной выше таблицы видно, что призма ПВО не уступает классической кювете с погружными электродами. Отличительной особенностью двух режимов является изучаемый диапазон размеров частиц.

Кроме того, для выполнения капиллярного режима стандартная кювета требует определенных модификаций, чего в призме ПВО можно избежать, путем нанесения капилляра на торцевую поверхность призмы.

Для осуществления разделения по зарядовым характеристикам экспериментальная установка была модифицирована добавлением капилляра [А.27]. Модифицированная поверхность призмы с добавлением капилляра представлена на Рисунке 3.12.

Данная модификация позволила параллельно разделять молекул по заряду и размеру в тонком капилляре, заполненном электролитом, и вычислять соответствующие параметры [А.10]. Кроме этого, техника капилляра позволяет избежать влияния тепловых эффектов (образование пузырьков, процессы электролиза).

Такая комбинация измерительных возможностей реализована впервые. Для достижения соответствующей целей были нанесены дополнительные электроды, между которыми был смоделирован капилляр на основе двух стеклянных пластинок размером 14,3x7x0,5 мм с полированными торцами. Расстояние между стеклами составило 90 мкм, между электродами 1,43 см.

Рисунок 3.12 - а) изображение верхней грани призмы ПВО, электроды и капилляр; б) зазор между двумя пластинами

3.4 Оценка отношения сигнал/шум измерительной системы

Оценим отношение сигнал/шум (С/Ш) измерительной системы для гетеродинного режима и полного внутреннего отражения для ожидаемых параметров рассеяния коллоидной системы, которое вычисляют как отношение среднеквадратичного отклонения (СКО) полезного сигнала к СКО шумов лазера, ФП и АЦП. Результат вычисления теоретических значений С/Ш для гетеродинного режима и полного внутреннего отражения для разных значений мощности лазерного источника представлены в Таблице 3.3.

Таблица 3.3 - Теоретические значения С/Ш рассчитанные для гетеродинного режима и полного внутреннего отражения

Тип коллоидного раствора Р0, мВт 0шума< мВ С/Ш

раствор микросфер d = 60 нм (гетеродинный режим) 1 мВт 5 мкВ 3,4 5,9

10 мВт 11 мкВ 5,12 19,6

раствор альбумина (гетеродинный режим) 1 мВт 0,5 мкВ 1,24 3,5

10 мВт 8 мкВ 4,3 3,8

раствор микросфер d = 60 нм (ПВО режим) 1 мВт 6 нВт 0,61 33,5

10 мВт 80 нВт 0,76 132,2

раствор альбумина (ПВО режим) 1 мВт 0,87 нВт 0,6 7,1

10 мВт 31 нВт 0,68 24,2

В Таблице 3.4 приводятся экспериментальные значения С/Ш для гетеродинного режима и полного внутреннего отражения для различных коллоидных системы и двух значений мощности лазерного источника 1 мВт и 10 мВт.

Таблица 3.4 - Экспериментальные значения С/Ш для гетеродинного режима и полного внутреннего отражения

Тип коллоидного раствора Р0, мВт ^сигнала, мВ С/Ш

раствор микросфер d = 60 нм (гетеродинный режим) 1мВт 23,1 31,6

10мВт 58,4 80

раствор альбумина (гетеродинный режим) 1мВт 15,3 20,9

10мВт 47,3 64,7

раствор микросфер d = 60 нм (ПВО режим) 1мВт 8,7 10,7

10мВт 34,2 42,2

раствор альбумина (ПВО режим) 1мВт 4,3 5,3

10мВт 21,4 26,4

Из Таблицы 3.3 и 3.4 видно, что значение С/Ш зависит от мощности лазерного источника как для гетеродинного режима, так и для полного внутреннего отражения. Для получение корректных результатов рекомендуется выбирать значения мощности лазера не менее 10 мВт.

3.5 Разработка алгоритма проведения измерения

электрокинетических параметров коллоидных систем.

На Рисунке 3.13 приведен алгоритм проведения измерений электрокинетических параметров коллоидных растворов модифицированным методом электрофоретического рассеяния света.

Важным этапом при проведении измерений электрокинетических параметров разработанным методом является калибровка измерений. Для этого на кювету с коллоидной системой подавался импульс 1 = 5 мс. Далее определялась интенсивность рассеянного излучения от коллоидной системы и регулировка питания фотоэлектронного умножителя в зависимости от уровня тёмнового тока

фотоприемника. Кроме этого, предварительно проводятся измерения на дистиллированной воде и на образцах с известным значением электрофоретической подвижности и дзета-потенциал и производятся вычисления электрофоретической подвижности, дзета-потенциала, погрешностей измерений. До проведения измерений все необходимые параметры эксперимента вносятся в программу для обработки данных.

Рисунок 3.13 - Алгоритм проведения измерений электрокинетических параметров коллоидных растворов модифицированным методом электрофоретического рассеяния света повышенной эффективности

3.6. Выводы к главе 3

В главе представлены экспериментальные установки модифицированного метода электрофоретического рассеяния света:

1) в кювете (гетеродинный режим) с модифицированной частью приема рассеянного сигнала за счет применения оптического многомодового волокна и оптической системой фокусировки рассеянного излучения для исследования моно и полидисперсных растворов большого объема;

2) в свободном режиме на призме полного внутреннего отражения для определения электрофоретической подвижности и дзета-потенциала монодисперсных растворов с низким значение электропроводности;

3) в капиллярном режиме на призме полного внутреннего отражения для определения электрофоретической подвижности и дзета-потенциала полидисперсных растворов с высокой проводимостью, а также с возможностью разделения частиц в коллоидной системе по зарядовым характеристикам и размерам.

Приводятся требования к элементам измерительного устройства метода электрофоретического рассеяния света, а также рассчитывается отношение сигнал/шум измерительной системы для разных коллоидных растворов для режима гетеродинирования оптических полей и полного внутреннего отражения.

В главе разрабатывается алгоритм для проведения измерений электрофоретической подвижности и дзета-потенциала в коллоидных системах в размерном диапазоне от 0.5 нм до 1 мкм и порядок проведения калибровки измерительной системы.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ ЭЛЕКТРОФОРЕТИЧЕСКОЙ ПОДВИЖНОСТИ И ДЗЕТА-ПОТЕНЦИАЛА КОЛЛОИДНЫХ ЧАСТИЦ

4.1. Апробация разработанного модифицированного метода электрофоретического рассеяния света

Апробация разработанных методов проводилась в исследованиях на модельных объектах. В качестве модельных объектов был выбран супрамолекулярный прекурсор на основе водных растворов Л-цистеина (L-cysteine) и ацетата серебра Cys (110-2 M; n=1.45; f(ka)=1) с известным значением дзета-потенциала, в которых присутствую агрегаты 150-180 нм и малые наночастицы 4-8 нм. Для того, чтобы получить стабильные образцы с известным значением дзета-потенциала необходимо добавить раствор из эппендорфа с «-» в прекурсор в соотношении 1 мл прекурсора на 0.025 мл раствора (£ =-50 мВ). Результаты измерений ЭФП и дзета-потенциала представлены в Таблице 4.1.

Таблица 4.1 - Результаты измерений ЭФП и дзета-потенциала

супрамолекулярного прекурсора

Параметр Гетеродинная схема ПВО схема

ц, мкм-см/В-с 2,7+0,2 2,8+0,2

<", мВ 50,1+1,2 52,4±2,3

Из полученных результатов видно, что погрешность определения электрокинетических параметров составляет: для гетеродинного режима - 0,59%, для ПВО режима - 3,8%.

Для установления минимальных и максимально допустимых значений по размерному составу, концентрации раствора, величине электрического поля, электропроводности образца, были выбраны водные растворы микросфер с известным размерами.

Аналогичные измерения проводились на приборе ZetaSizer Nano. Полученные значения электрофоретической подвижности и дзета-потенциала для разработанной схемы и прибора представлены на Рисунке 4.1

3.5 3 2.5

и

m 2

и

1.5

5 1 =£ 0.5 0

45 40 35 30 1 25 О 20 15 10 5 0

20

60

100 R, нм

300

Разработанная установка it Коммерческий прибор

а)

20

60

100 R, нм

300

1000

1000

■ Разработанная установка Sí Коммерческий прибор

б)

Рисунок 4.1 - Зависимость электрофоретической подвижности (а) и дзета-потенциала (б) для раствора микросфер разного размера для модифицированной

установки и прибора ZetaSizer Nano

Видно, что результаты находятся в хорошем соответствии. При этом экспериментальная погрешность (рассчитана из разброса вычисляемого параметра для числа экспериментов N=10), полученная при измерениях на разработанной установке во всех случаях оказалась меньше. Данный результат

позволил сделать вывод о работоспособности разработанной установки и примененной обработки данных [А.3].

Нижняя граница размерного диапазона, в котором возможно определение электрокинетических параметров, определяется мощностью рассеяния, необходимой для достижения отношения сигнал/шум более 10, что было показано в предыдущих работах по ДРС [12]. Мощность рассеяния, в свою очередь при фиксированных параметрах установки, определяется концентрацией и размером рассеивателей. Для установления нижней границы размеров частиц, доступных для исследования, при прочих равных условиях, мы можем выдвинуть следующее требование: интенсивность рассеяния на исследуемых частицах должна минимум в 10 раз превышать интенсивность рассеяния на молекулах среды (растворителя). Исходя из условия рассмотрения водного раствора с типичными размерами молекул 0,32 нм [12] и теории рассеяния, согласно которой рассеяние на частице прямо пропорционально шестой степени размера рассеивателя, минимально возможно определяемый диаметр частиц составляет ~0,5 нм. Для экспериментальной оценки работоспособности установки при оценке параметров частиц с размером на нижней границе установленного диапазона, были проведены исследования водного раствора молекул глицина (Рисунок 4.2).

Рисунок 4.2 - Изображение молекулы глицина, построенное в программе

Avogadro

Известно, что максимальные линейные размеры глицина в водном растворе составляют 0,46 нм [44]. Гидродинамический радиус данной молекулы лежит в

диапазоне от 0,5 - 0,7 нм [47]. Значения электрофоретической подвижности и дзета-потенциала для раствора глицина, рассчитанные с использованием разработанной измерительной системы, составляют ц = 3,00±0,74 мкм-см/В-с и ( = 5,60±1,38 мВ соответственно. Данные значения соответствуют литературным данным для глицина [71], что позволяет сделать вывод о корректной работе установки на границе установленного размерного диапазона.

Для дальнейшего тестирования установки были измерены и посчитаны значения электрофоретической подвижности и дзета-потенциала микросфер 320 нм и 970 нм в составе полидисперсного раствора. В эксперименте прикладывалось электрическое поле напряженностью 3,5 В/см. Результаты измерения представлены в Таблице 4.2 [А. 12].

Таблица 4.2 Электрофоретическая подвижность и дзета-потенциал

полидисперсного раствора полистирольных микросфер 970 нм и 320 нм

Параметры Я=320 нм Я=970 нм

ц, мкм-см/В-с 5,4 ±0,2 7,0-±0,6

!а мв 67,0 ±4,3 87,1 ±7,9

По данным из таблицы видно, что погрешность вычисления электрофоретической подвижности и дзета-потенциала при исследовании полидисперсных растворов не превышает 10%. Отличие рассчитанных значений от данных, представленных на рисунке 2 объясняется различными параметрами исследуемых частиц (микросферы в экспериментах имели разное покрытие, что влияет на их подвижность).

Для повышения точности измеряемых электрокинетических параметров в предлагаемом модифицированном методе электрофоретического рассеяния света в работе было исключено влияние осмотического потока жидкости. В гетеродинной реализации измерение проводилось в центре кюветы и вклад осмотического потока пренебрегался. При проведении эксперимента на призме ПВО для исключения взаимодействия частиц на границе раздела стекло-вода

варьировалась глубина проникновения лазерного излучения в образец. Электрофоретическая подвижность микросфер диаметром 20 нм при глубине проникновения d=800 нм равнялась 0,96 ± 0,09 мкм-см/В-с, а на глубине проникновения d=200 нм она составила 2,7±0,2 мкм-см/В-с. При исследовании этой же суспензии в кювете измеренная электрофоретическая подвижность составила 0,92 ± 0,09 мкм-см/В-с. Таким образом показано, что при глубине проникновения 800 нм эффекты, связанные с осмотическим потоком, не оказывают влияния на измеряемые значения подвижности [А.3].

Вышеприведенные эксперименты позволили заключить, что реализованный модифицированный метод электрофоретического рассеяния света позволяет анализировать агрегационную устойчивость моно - и полидисперсных коллоидных растворов в диапазоне от 0,5 до 1000 нм с погрешностью не более 10% [А.3].

Для установления границ по допустимой величине устанавливаемой в эксперименте напряженности поля были проведены исследования на растворе карбоксильных латексных микросфер размером 300 нм. Рассчитана зависимость электрофоретической подвижности от напряженности внешнего электрического поля (Рисунок 4.3).

3 2.5 2 1.5 1

0.5 0

I

10

15 20

Е, В/см

25

30

5

Рисунок 4.3 - Зависимость электрофоретической подвижности микросфер, диаметром 300 нм от напряженности внешнего электрического поля для

гетеродинного режима

Отличительной особенностью измерений в режиме полного внутреннего отражения являются как низкие значения прикладываемого внешнего электрического поля, так и высокие для образцов с низкой электропроводностью. Кроме того, данная схема позволяет исследовать малые объемы образцов, менее 25 мкл. На Рисунке 4.4 представлен результат исследования электрофоретической подвижности раствора микросфер 300нм от напряженности прикладываемого поля.

3

2.5

и 2

*

СО

1>

и 1.5

*S

И

:£ 1

0.5

0

\......i.......i.......i.......1.......f......i......1

0.1 10

20 30 40 50 60 70 Е, В/см

80 90 100

Рисунок 4.4 - Зависимость электрофоретической подвижности для раствора микросфер 300нм от напряженности прикладываемого электрического поля в

полном внутреннем отражении

Незначительные колебания параметра при изменении величины электрического поля возникают из-за наличия электроосмотического потока и эффектов, связанных с изменением температуры в кювете при наложении внешнего электрического поля. Результаты измерений, полученные на гетеродинной установке и в режиме полного внутреннего отражения, согласуются между собой и соответствуют результатам измерений на приборе Zetasizer Nano. Средняя электрофоретическая подвижность, измеренная на разработанных

экспериментальных установках, составила 2.3±0.1

цм-см В-с ,

измерение тех же

стеклянных микросфер (в поле напряженностью 150 В/см) на приборе Zetasizer

Nano показали среднее значение 2.5± 0.5

цм-см В-с .

При этом границы прикладываемых напряжений в разрабатываемой установке варьируются от 5 до 30 В/см. Ниже 5 В/см не наблюдалось направленного движения частиц, при этом значение 30 В/см являлось достаточным для наблюдения электрофоретических явлений во всех проводимых экспериментах и дальнейшего увеличения напряженности электрического поля не требовалось.

Для повышения точности измеряемых электрокинетических параметров в предлагаемом модифицированном методе электрофоретического рассеяния света в работе было исключено влияние осмотического потока жидкости. В гетеродинной реализации измерение проводилось в центре кюветы и вклад осмотического потока пренебрегался. При проведении эксперимента на призме ПВО для исключения взаимодействия частиц на границе раздела стекло -вода варьировалась глубина проникновения лазерного излучения в образец. На Рисунке 4.5 представлена электрофоретическая подвижность микросфер размером 20 нм от глубины проникновения лазерного излучения в реализации ПВО.

3.5

2.5

1.5

0.5

I I

£=800 нм £=20 нм гетеродиный коммерческий

режим прибор

Рисунок 4.5 - Электрофоретическая подвижность микросфер размером 20 нм от глубины проникновения лазерного излучения в реализации ПВО

3

2

1

0

Еще одной отличительной особенностью измерений в режиме полного внутреннего отражения является измерение коллоидных систем в размерном диапазоне от 0,5 - 800 нм. Данное ограничение связано с максимальной глубиной проникновения лазерного излучения в образец.

Помимо вышеперечисленных ограничений на размеры частиц, электропроводность раствора и прикладываемое поле, в эксперименте также требуется соблюдение допустимых диапазонов по концентрации. Для корректного вычисления значения электрофоретической подвижности и дзета-потенциала частиц в коллоидном растворе необходимо, чтобы в рассеивающем объеме было от 500 до 1000 частиц. Оценка количества частиц N в рассеивающем объеме V производится по формуле [48]

3C V

N = 3CV (4.1)

4kR3 V У

где Co- объемная доля частиц в образце коллоидного раствора,

V - рассеивающий объем,

R - средний размер частиц.

Рекомендуемые значения концентрации для частиц разного размера представлены в Таблице 4.3.

Таблица 4.3 - Рекомендуемые значения концентрации для частиц разного размера для проведения электрофоретических измерений

Размер частицы Концентрация Кювета с погружными электродами

< 10 нм Минимальная концентрация 0,5 г/л

Максимальная концентрация Максимальная концентрация частиц в образце ограничена только взаимодействием частиц между собой

От 10 нм до 100нм Минимальная концентрация 1 мг/л

Максимальная концентрация 5 %масс. (при условии, что плотность коллоидной системы 1 г/см3)

От 100 нм до 1 мкм Минимальная концентрация 0,01 г/л (10"3% масс.)

Максимальная концентрация 1%масс. (при условии, что плотность коллоидной системы 1 г/см3)

В работе были проведены экспериментальные исследования по измерению электрофоретической подвижности в зависимости от концентрации рассеивателей в исследуемом растворе. На Рисунке 4.6 представлен пример зависимости электрофоретической подвижности микросфер диаметром 20 нм от их массовой концентрации в исследуемом растворе в диапазоне рекомендуемых концентраций, представленных в таблице.

2.5

2.0

1.5

i 1

•0 S.....?"

.....¥

0.5

0.0

0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00

П, мг/л

Рисунок 4.6 - Зависимость электрофоретической подвижности микросфер, диаметром 20 нм от массовой концентрации образца

При изменении концентрации величина электрофоретической подвижности изменялась линейно в диапазоне 0,9-1,8 мкм-см/В-с. При разбавлении коллоидной системы наблюдается десорбция потенциалопределяющих ионов с поверхности дисперсной фазы, что приводит к уменьшению электрофоретической подвижности и дзета-потенциала.

Для повышения точности измеряемых электрокинетических параметров модифицированного метода электрофоретического рассеяния света в работе было исключено влияние осмотического потока жидкости. В гетеродинной реализации измерение проводилось в центре кюветы и вкладом осмотического потока пренебрегалось. В реализации на призме ПВО для исключения взаимодействия частиц на границе раздела стекло-вода варьировалась глубина проникновения лазерного излучения в образец. Электрофоретическая подвижность микросфер

радиусом 20 нм при глубине проникновения d=800 нм равнялась 0,96 ±0.4 мкм-см/В-с, а на глубине проникновения d=200 нм 2,7±0.2 мкм-см/В-с.

В ходе дальнейших исследований были измерены значения дзета -потенциала при добавлении NaCl в исследуемый раствор микросфер. Исследование подобных растворов с высокой электропроводностью (3,9 мСм/см) на приборе ZetaSizer Nano оказалось невозможным, в связи с возможным нагревом и изменением свойств образца при приложении больших полей (в ZetaSizer Nano нет возможности регулирования напряжения на электродах для разных типов образцов). При этом растворы с высокой электропроводностью часто применяются в медицине (различные электролиты). В наших экспериментах при добавлении NaCl величина напряженности внешнего электрического поля не превышала 10 В/см.

В работе проводились экспериментальные исследования по измерению электрофоретической подвижности для образцов с разной величиной электропроводности, значение которой изменили путем добавления соли NaCl. На Рисунке 4.7 представлены результаты исследований зависимости дзета -потенциала микросфер размером 300 нм и 60 нм от концентрации NaCl.

150

• 300nm • 60nm о

;.........................—

\........................i

0 1-

2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00

CNaCI, ммоль/л

Рисунок 4.7 - Зависимость дзета-потенциала микросфер размером 300 нм и 60 нм

от концентрации NaCl

100

50

Увеличение абсолютного значения дзета-потенциала при добавлении №С1 связано с изменением толщины двойного электрического слоя вокруг частицы.

При добавлении электролита изменяется соотношение между влиянием электрического притяжения и диффузии, определяющими распределение в наружной обкладе двойного слоя. Число ионов в диффузной части ДЭС будет уменьшаться, при этом большее число противоинов будет находиться в адсорбционном слое, это приведет к увеличению абсолютного значения дзета-потенциала.

4.2. Исследование электрокинетических свойств биологических коллоидных систем

Биологические коллоидные системы характеризуются интенсивным взаимодействием частиц дисперсной фазы и дисперсной среды. В качестве исследуемой биологической коллоидной системы был выбран 5% раствор белка альбумина, который составляет больше половины массы белков, находящихся в плазме крови. Характерный гидродинамический радиус составляет порядка 4,5 нм (Рисунок 4.8).

0.12 0.10

^ 0.08

си

0.06

о

>

2 0.04 0.02 0.00

1.7 1.9 2.2 2.6 3.0 3.8 5.0 7.2 13.2 79.2 ^нм

Рисунок 4.8 - Результат измерения радиуса молекулы альбумин в воде

Альбумин является молекулой-переносчиком биологически важных веществ [61, 78]. В связи с этим изучение механизмов агрегационной устойчивости при воздействии внешних факторов (добавление электролитов, металлических наночастиц, изменения рН раствора) является актуальным.

Заряд и электрокинетические свойства альбумина определяют ионизируемые атомные группы, находящиеся на ее поверхности. Молекула альбумина содержит

порядка ста пар положительных и отрицательных зарядов [47]. На изменение поверхностного заряда глобулы влияет рН раствора. Изоэлектрическая точка для альбумина, где дзета потенциал равен 0 мВ и находится вблизи pH 4.9.

Значения электрофоретической подвижности и дзета-потенциала для белка альбумина в водном растворе (рН=7,6; электропроводностью 3,77 м-См/см), полученные разработанным модифицированным методом в гетеродинном режиме, в ПВО и на приборе Zetasizer Nano представлены в Таблице 4.4 [A.9].

Таблица 4.4 - Значения электрофоретической подвижности и дзета-потенциала

белка альбумина в водном растворе полученные на разных установках

Параметры Измерительная система в гетеродинном режиме Измерительная система в режиме ПВО Прибор Zetasizer Nano

ц, мкм-см/В-с 1,2+0,3 0,8+0,2 -1,1+0,6

<", мВ 10,9+1,3 11,3+2,1 -10,4+8,3

Из Таблицы 4.4 видно, что значения электрокинетических параметров раствора белка альбумина, полученные с использованием двух экспериментальных установок, коррелируют между собой и соотносятся с результатами измерений на приборе Zetasizer Nano.

Кроме белка альбумина в работе были исследованы образцы смешанной слюны человека. Смешанная слюна представляет собой уникальную биологическую жидкость, имеющую широкие возможности для использования в фундаментальных исследованиях, а также в ранней диагностике, прогнозировании и мониторинге посттерапевтического статуса [А.6]. Изучение биохимического состава смешанной слюны и ее свойств в нормальных образцах и образцах доноров с различными заболеваниями может выявить некоторые важные для неинвазивной диагностики характеристики. В медико-биологической практике смешанную слюну исследуют различными биохимическими, хроматографическими и оптическими методами. Оптические методы получили наибольшее распространение в связи с их высокой чувствительностью, быстродействием, неинвазивностью, дешевизной и др [А.7]. В нашем

исследовании методом электрофоретического светорассеяния исследовали образцы смешанной слюны здоровых людей.

Измерения смешанной слюны проводили не позднее двух суток после забора материала. Все измерения проводились при кратковременном (30 с) приложенном электрическом поле во избежание нагрева образцов. Значения электрофоретической подвижности для смешанной слюны 5-ты здоровых волонтеров, полученные разработанным модифицированным представлены на Рисунке 4.9 [A.15].

lllll

1 2 3 4 5

номер волонтера

Рисунок 4.9 - Электрофоретическая подвижность белков в смешанных образцах

слюны 5 здоровых доноров

Таким образом, показано, что модифицированный метод электрофоретического рассеяния света позволяет исследовать биологические жидкости, характеризующиеся интенсивным взаимодействием частиц дисперсной фазы и дисперсной среды [A.15-16].

4.3. Результаты исследований коагуляционной способности растворов наночастиц

4.3.1. Исследование фуллеренола

Фуллерены применяются в различных областях науки и техники, включая материаловедение, механику, машиностроение, строительство, электронику, оптику, медицину, фармакологию, пищевую и косметическую промышленность, что обуславливает значительный интерес к изучению его электрокинетических

4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0

свойств при воздействии различных внешних факторов. [36]. Такое большое применение фуллерена можно объяснить строением и особыми химическими, механическими и оптическими свойствами. Благодаря своим практическим свойствам фуллерены в настоящее время также являются ключевой темой нанотехнологий и промышленных исследований [15]. Молекулы фуллеренов полностью состоят из углерода в форме полой сферы, эллипсоида или трубки и являются полностью симметричной.

Химическую модификацию молекулы фуллерена С60 путем присоединения гидроксильных групп называют фуллеролами или фуллеренолами (Рисунок 4.10) (СбО(ОН)п) (п=5-15) [36]. Фуллеренол может быстро и необратимо реагировать с различными солями металлов в водной среде с образованием нерастворимых сшитых полимеров металл-гидроксифуллерен (М-фуллеренол). Взаимодействие фуллеренолов с биометаллом важно для фармацевтических препаратов на основе фуллеренов [26].

Рисунок 4.10 - Структура фуллеренола

Из Рисунка 4.11 видно, что гидродинамический радиус молекулы фуллеренола составляет 2.2 нм. Молекулы фуллеренола имеют размеры порядка 1 нм, но так как частицы находятся в дистиллированной воде, то их гидродинамический радиус превышает собственный [А.17].

М,усл.ед. 0.40

■

0.30 0.20 0.10 0.00

1.6 1.8 2.0 2.3 2.8 3.5 4.6 6.8 13.0 142.6

^нм

Рисунок 4.11 - Результат измерения радиуса молекулы фуллеренола в исходной

концентрации

На Рисунке 4.12 представлена полученная зависимость электрофоретической подвижности частиц фуллернола С60ОН46 от концентрации раствора [А.17, А. 24].

I I I I I РП

———..................и........—

.................I"

..............¥

0.5 0.0

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

п, 10-3

Рисунок 4.12 - Зависимость ЭФП частиц С60ОН46 от концентрации раствора

Как видно из полученной зависимости ЭФП возрастает линейно в пределах одного порядка с ростом концентрации раствора.

Благодаря хорошей связывающей способности, агрегации, фуллеренол часто используется в качестве переносчика медицинских препаратов. Кроме того, фуллеренол может выступать в роли ингибитора связывающей функции белка

2.5

2.0

1.5

1.0

альбумина. Для проверки наличия данного свойства были проведены исследования по влиянию фуллеренола на взаимодействие альбумина с сульфатом магнием. Объем раствора составлял 2 мл, где 0.5 мл сульфата магния, 0.5 мл альбумин, 1мл фуллеренола. Результаты измерения дзета-потенциала представлены на Рисунке 4.13 [А.21, А. 23].

14 12 1 10 ^ 8 6 4 2 0

I.Ii

Alb Ful Alb+Ful Alb+MgSO4 Alb+MgSO4+Ful

Рисунок 4.13 - Дзета-потенциал раствора белка альбумина, наночастиц фуллеренола и их смеси при добавлении электролита MgSO4

Видно, что при добавлении в раствор альбумина в воде и альбумина с сульфатом магния в воде фуллеренола происходит уменьшение величины дзета -потенциала. Это указывает на нарушение агрегационной устойчивости альбумина при добавлении фуллеренола. Абсолютное значение дзета-потенциала, равное 30 мВ, выступает условной границей для разделение жидких коллоидных систем на устойчивые (|Z| > 30 мВ) и неустойчивые (|Z| < 30 мВ). Таким образом можно сказать, что исследованная система смеси альбумина и фуллеренола является более неустойчивой, по сравнению с чистым раствором альбумина в воде и склонна образовывать агрегаты. Выявленное нарушение агрегационной устойчивости подтверждается и измеренным распределением частиц по размерам (Рисунки 4.14 - 4.16) [А.5].

с! ш

0.03 0.03 0.02 0.02

ш

О ^

и

^ 0.01

0.01 0.00

Г\

л

1.7 1.9 2.2 2.5 3.0 3.7 4.8 6.9 12.2 52.8

^нм

Рисунок 4.14 - Распределение частиц по размерам раствора альбумина и сульфата

магния в концентрации 1: 1

М,услов.ед 0.08

0.06

0.04

0.02

0.00

1.6 1.7 2.0 2.3 2.7 3.4 4.5 6.5 11.9 71.3

^нм

Рисунок 4.15 - Распределение частиц по размерам раствора альбумина и

фуллеренола в концентрации 1:3

^услов.ед 0.08

0.06 —

0.04 —

/Л

п

0.02

0.00

1.6 1.7 2.0 2.3 2.7 3.4 4.5 6.5 11.9 71.3

R,нм

Рисунок 4.16 - Распределение частиц по размерам раствора альбумин и фуллеренола в концентрации 1:3 с добавлением сульфата магния

Показано, что в исследуемом растворе альбумина с сульфатом магния после добавления фуллеренола образуются агрегаты с размерами более 12 нм. При этом размеры единичной молекулы альбумина не превышают 6 нм, а фуллеренола -2 нм. Приведенные зависимости подтверждают результаты по исследованию электрокинетических параметров раствора альбумина с фуллереном при добавлении сульфата магния.

4.3.2. Исследование суспензии наночастиц золота и меди

Металлические наночастиыц являются перспективными в качестве диагностических и терапевтических инструментов в медикобиологических исследованиях [15]. При этом они неустойчивы по отношению к процессам агломерации и агрегации [26]. В большинстве случаев агрегация приводит к потере свойств, связанных с коллоидным состоянием этих металлических частиц. Металлические наночастицы притягиваются друг к другу ван-дер-ваальсовыми, электростатическими или магнитными силами. При этом необходимо преодолеть описанные силы притяжения частиц, чтобы предотвратить самопроизвольную агломерацию частиц. Этого можно добиться несколькими способами:

электростатической или стерической стабилизацией [14]. Электростатическая стабилизация подразумевает формирование поверхностного заряда частиц в дисперсионной среде следующими путями: преимущественная адсорбция ионов, накопление или истощение электронов на поверхности, физическая адсорбция заряженных частиц на поверхности. Это приводит к возникновению сил отталкивания между частицами. При этом эффективность стабилизации зависит от растворимости добавляемого защитного поверхностно-активного вещества и способности лиофобных частиц его адсорбировать на своей поверхности [24].

Одним из ключевых факторов, влияющих на величину дзета-потенциала, является концентрация коллоидной системы [29]. На Рисунке 4.17 приведены результаты исследования электрокинетических параметров растворов наночастиц меди и золота в зависимости от их концентрации в растворе.

и со

3.5 3.3 3.1 2.9 2.7 2.5 2.3 2.1 1.9

Au

0.007 0.009 0.011 0.013 0.015 0.017 0.01 П, г/л

а)

б)

Рисунок 4.17. Зависимость электрофоретической подвижности (а) и дзета-потенциала (б) раствора наночастиц меди и золота от концентрации коллоидных

частиц

Из полученных графиков видно, что значение дзета-потенциала увеличивается при увеличении концентрации коллоидных частиц золота и меди, что связано с увеличением количества свободных зарядов, которые формируют диффузный слов двойного электрического слоя.

Как показано ранее, системы, обладающие дзета-потенциалом более 30 мВ относятся к устойчивым, что справедливо для исследованных металлических наночастиц. Данное свойство также заявлено и производителем исследованных наночастиц, поскольку они покрыты поливиниловым спиртом, являющимся стабилизирующим поверхностно-активным веществом.

4.3.3 Исследование агрегационной устойчивости магнитных жидкостей

Магнитная жидкость (МЖ) — это жидкость, которая притягивается к полюсам магнита. Это коллоидная жидкость, состоящая из наноразмерных ферромагнитных или ферримагнитных частиц (порядка 10 нм), взвешенных в жидкости-носителе (обычно органическом растворителе или воде) [77]. Каждая магнитная наночастица тщательно покрыта поверхностно-активным веществом для предотвращения агрегации [72]. В настоящее время большее распространение получили магнитные жидкости в биомедицинских приложениях, а именно в адресной доставке лекарственных веществ, а также в различных отраслях науки и техники [52]. Поэтому понимание и изучение электрокинетических явлений в подобных системах является актуальной задачей.

В данной работе были выбраны магнитные наночастицы Fe3O4, стабилизированные олеиновой кислотой. Измеренные значения электрофоретической подвижности и дзета-потенциала для магнитных наножидкостей, полученные разработанным модифицированным методом в гетеродинном режиме и на приборе Zetasizer Nano представлены в Таблице 4.5.

Таблица 4.5 - Значения электрофоретической подвижности и дзета-потенциала

МЖ в водном растворе

Параметры Лабораторная установка в гетеродинном режиме Прибор Zetasizer Nano

ц, мкм-см/В-с 2,1+0,1 -2,1 +0,3

<", мВ 26,4+1,3 -26,9+3,9

На Рисунке 4.18 приведены результаты исследования электрокинетических параметров растворов магнитных жидкостей.

3.5 3.0 £ 2.5 2.0

и

5Е 1.5 ^

£ 1.0

0.5

0.0

70

60

50

со 40

30

20

10

0

.........í 60 ..}

........50 т 1

: I I " 1 40 ...............................*

0 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.001 0.0012 0 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.001 0.0012

С, г/л С, г/л

а б

Рисунок 4.18 - Зависимость электрофоретической подвижности (а) и дзета-

потенциала (б) МЖ в водном растворе

При увеличении концентрации магнитной жидкости наблюдалось линейное увеличение абсолютного значения дзета-потенциала, а следовательно, и устойчивости растворов [А.19]. Подобные результаты подтверждаются данными лазерной корреляционной спектроскопии, указывающей на активное агрегатообразование в магнитных жидкостях при их разбавлении [А.4, А.20, А.22].

Таким образом, модифицированный метод электрофоретического рассеяния света и алгоритм обработки экспериментальных данных позволил исследовать лиофобные коллоидные системы, такие как растворы металлических наночастиц и магнитные жидкости, характеризующиеся термодинамической неустойчивостью.

4.4. Выводы к главе 4.

В главе представлены экспериментальные результаты по исследованию коллоидных систем различного типа. Приведены правила подготовки образцов для проведения электрофоретических измерений.

Показано, что модифицированный метод электрофоретического рассеяния света позволяет исследовать агрегационную устойчивость моно- и

полидисперсных растворов в диапазоне размеров частиц 0,5-1000 нм с погрешностью не более 10%, обладает высокой эффективностью и достоверностью получаемых результатов за счет одновременного определения нескольких параметров, высоким быстродействием (время получения измеренных параметров до 1 минуты) и возможностью компактной реализации, позволяет исследовать образцы с концентрацией от 1 мг/л и величиной электропроводности более 4 мСм/см.

Определены закономерности изменения электрокинетических параметров коллоидных систем (биологических жидкостей, растворов наночастиц, магнитных жидкостей) при изменении концентрации образов и добавлении электролитов, изменении pH раствора, величины приложенного электрического поля. Показана связь между электрокинетическими параметрами и устойчивостью исследуемых коллоидных растворов, а также произведено сравнение с результатами работы аналогичных коммерческих приборов (Zetasizer Nano).

На примере молекул фуллеренола и альбумина экспериментально доказана возможность оценки агрегационной устойчивости растворов с использованием предложенного метода. Выявлено изменение коагуляционной способности альбумина при взаимодействии с фуллеренолом, который является активатором связывающей функции белка.

115

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе выполнения диссертационной работы были получены следующие результаты:

1. Разработан модифицированный метод электрофоретического рассеяния света повышенной эффективности, позволяющий анализировать электрокинетические параметры коллоидных систем в диапазоне размеров частиц 0,5-1000 нм с погрешностью не более 10%, обладает высокой эффективностью и достоверностью получаемых результатов за счет одновременного определения нескольких параметров, высоким быстродействием (время получения измеренных параметров до 1 минуты) и возможностью компактной реализации, позволяет исследовать образцы с концентрацией от 1 мг/л, величиной электропроводности более 4 мСм/см, в объеме менее 25 мкл.

2. Разработана физико-математическая модель рассеяния неоднородной плоской волны на сферической частице и проведены аналитические и численные расчеты характеристик рассеяния в случае электрофоретического рассеяния света в полном внутреннем отражении.

3. Разработан алгоритм обработки сигналов электрофоретического рассеяния, позволяющий вычислять электрофоретическую подвижность и дзета-потенциал частиц в полидисперсных системах по данным периодограмм.

4. Предложен алгоритм проведения измерений электрокинетических параметров коллоидных растворов модифицированным методом электрофоретического рассеяния света повышенной эффективности. Приведенный анализ требования к элементам схем установок модифицированного метода позволили достичь высокого С/Ш и повысить точность проводимых исследований.

5. Разработаны два практических экспериментальных макета модифицированного метода электрофоретического рассеяния света, позволяющие измерять электрокинетические параметры в коллоидных системах различного объема:

• с использованием кюветы (гетеродинный режим) с модифицированной частью приема рассеянного сигнала за счет применения оптического многомодового волокна;

• с использованием призмы ПВО в свободном и капиллярном режиме.

Проведены измерения с применением разработанного модифицированного

метода электрофоретического рассеяния света на коллоидных растворах наночастиц, биомолекулярных и магнитных жидкостях.

Результаты работы могут применяться при создании новых измерительных устройств для исследования электрокинетических параметров коллоидных систем. Предложенная модель рассеяния неоднородной волны на сферической частице, алгоритм обработки и анализа экспериментальных данных и реализации метода электрофоретического рассеяния света является перспективными для дальнейшего развития коллоидной химии, медицинской диагностики, биотехнологии, и других областей науки и технологии, связанных с коллоидными системами.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

АКФ — Автокорреляционная функция

ЭФС — Электрофоретическое рассеяние света

МЖ — Магнитная жидкость

ПВО — Полное внутреннее отражение

ФП — Фотоприёмник

RIN — Relative Intensity Noise (Количественный показатель уровня

флуктуаций мощности источника)

ЭФП - электрофоретическая подвижность

118

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ахманов С.А., Дьяков Ю.Е., Чиркин А.С.. Введение в статистическую радиофизику и оптику. — М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1981. — 640 с.

2. Балабанов В. И. Словарь нанотехнологических и связанных с нанотехнологиями терминов. — Москва : ФИЗМАТЛИТ, 2010. — 528 с.

3. Бекман, И. Н. Высшая математика: математический аппарат диффузии: учебник для бакалавриата и магистратуры / И. Н. Бекман. — 2-е изд., испр. и доп. — Москва: Издательство Юрайт, 2018. — 397 с.

4. Беленький Д, Балаханов Д., Лесников Е., Определение дзета-потенциала. Краткий обзор основных методов // Aналитика — 2017. — №3 (34) — с. 82-89.

5. Борен, К. Ф. Поглощение и рассеяние света малыми частицами / К. Ф. Борен, Д. Р. Хафмен; пер. с англ. З. И. Фейзулина и др., предисл. В. И. Татарского. —Москва: Мир, 1986. — 660 с.

6. Бреховских Л. М. Волны в слоистых средах. - Рипол Классик, 1957.

7. Величко Е. Н., Котов О. И., Непомнящая Э. К., Петров А. Н., Соколов А. В. Об основных требованиях к элементам измерительной схемы лазерной корреляционной спектроскопии // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2020. Т. 23. № 1. С. 83-95.

8. Годымчук А. Ю. и др. Агрегация наночастиц Al и Al2O3 в водных растворах низкомолекулярных карбоновых кислот //Вестник Томского государственного университета. Химия. - 2021. - №. 24. - С. 27-39

9. Головицкий, А. П. Обратные задачи экспериментальной физики. Практические аспекты: учеб. пособие / А. П. Головицкий. — СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2008 — 222 c.

10. ГОСТ ISO 13099-2-2016. Государственная система обеспечения единства измерений. Коллоидные системы. Методы определения дзета -

потенциала. Часть 2. Оптические методы (Издание официальное). Раздел № 11. М.: Стандартинформ, 2019. 16 с.

11. Громаков Н.С. Дисперсные системы и их свойства: учеб. пособие — Изд-во Казанск. гос. архитект.-строит. ун-та — 2015. — 91 с.

12. Гудмен Дж. Статистическая оптика: Пер. с англ. - М.: «Мир», 1988. -

528 с.

13. Данилова Е. А., Гусев А. М., Домкин К. И. Классификация дисперсных систем и влияние размеров частиц на некоторые свойства //Труды Международного симпозиума «Надежность и качество». - 2011. - Т. 2.

14. Довнар, Р. И. Применение золота в медицине: прошлое, настоящее и будущее. Часть 2. Медицинское применение наночастиц золота / Р. И Довнар, С. М. Смотрин // Журнал Гродненского государственного медицинского университета. — 2011. — № 4. — С. 17 - 21.

15. Евстратов А. А. и др. Нанотехнологии в биологии и медицине. Микрофлюидика. - 2015. - С. 333.

16. Иванова Г. Д., Хе В. К., Иванов В. И. Оптическая седиментация полидисперсных смесей //Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. - 2016. - №. 8-2. - С. 141.

17. Исимару, А. Распространение и рассеяние волн в случайно -неоднородных средах. — Москва: Мир, 1981. — Т. 1. — 280 c.

18. Камминс Г., Пайк Э. Спектроскопия оптического смешения и корреляция фотонов. Москва: Мир, 1978. P. 584.

19. Кириченко, М. Н. Применение методов светорассеяния в биомедицине и экологии / М. Н. Кириченко // Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология. — 2019. — №. 1 - 3. — С. 80 - 103.

20. Левшин, Л. В. Оптические методы исследования молекулярных систем / Л. В. Левшин, А. М. Салецкий. — Москва: Издательство Московского университета, 1994. — 320 с.

21. Майер В. Полное внутреннее отражение света. - Litres, 2017.

22. Марахова, А. Определение размеров наночастиц в коллоидных растворах методом динамического рассеяния света / А. Марахова, В. Жилкина, Е. Блынская, К. Алексеев, Я. Станишевский // Наноиндустрия. — 2016. —Т. 63. № 1. — С. 88 - 93.

23. Молотилин Т.Ю., Электрофоретическая подвижность частиц Януса. // Москва, 2013, 76 с.