Análisis de trayectorias de nanopartículas

El análisis de trayectoria de nanopartículas es un método para la visualización y el estudio de nanopartículas en soluciones desarrollado por Nanosight (Reino Unido) [1] . Se basa en la observación del movimiento browniano de nanopartículas individuales, cuya velocidad depende de la viscosidad y la temperatura del líquido, así como del tamaño y la forma de la nanopartícula. Esto permite usar este principio para medir el tamaño de nanopartículas en soluciones coloidales [2] [3] [4] [5]. Además del tamaño, es posible medir simultáneamente la intensidad de la dispersión de la luz por parte de una nanopartícula individual, lo que permite discriminar entre nanopartículas en función de su material. El tercer parámetro medido es la concentración de cada una de las fracciones de nanopartículas.

El método está ganando popularidad activamente en la comunidad científica. Así, a principios del otoño de 2012, el número de publicaciones científicas utilizando el método de análisis de trayectoria de nanopartículas alcanzó las 400 [6] , de las cuales más de 100 se publicaron solo en 2012.

Base física del método

Para visualizar las nanopartículas, su solución se ilumina con un rayo láser enfocado. En este caso, las nanopartículas individuales más pequeñas que la longitud de onda se comportan como puntos de dispersión. Cuando se observa un volumen de solución iluminada a través de un ultramicroscopio desde arriba, en ángulo recto con el rayo láser, las nanopartículas individuales se ven como puntos brillantes sobre un fondo oscuro. Una cámara científica de alta sensibilidad graba el video del movimiento browniano de tales puntos. Esta grabación de video se transmite en tiempo real a una computadora personal para su procesamiento: aislamiento de nanopartículas individuales en cada cuadro y seguimiento de los movimientos de partículas entre cuadros.

La velocidad del movimiento browniano, expresada como el desplazamiento rms de una partícula a lo largo del tiempo, está relacionada con el tamaño de la partícula mediante la ecuación de Stokes-Einstein . Estrictamente hablando, la difusión de partículas bidimensionales (2D) se registra en el método de análisis de trayectoria de nanopartículas; sin embargo, la independencia de sus tres componentes ortogonales permite reescribir la ecuación de la siguiente forma, cambiando solo el coeficiente numérico:

{<(x,y)^{2}> \over 4}=D_{t}t={\frac {k_{B}Tt}{3\pi \eta d)),

donde es el cuadrado promedio del desplazamiento de partículas en intervalos de tiempo (duración de un cuadro de video), ${\ estilo de visualización <(x, y)^{2}>}$ $t$

{\ Displaystyle D_ {t}}

es el coeficiente de difusión traslacional (traslacional),

k_B

es la constante de Boltzmann ,

T

es la temperatura absoluta ,

\eta

es la viscosidad del líquido,

d

es el diámetro hidrodinámico de la partícula.

A medida que se acumulan estadísticas sobre partículas individuales, se resumen en forma de histograma de distribución de tamaño de partículas. El número de pasos en las trayectorias de las nanopartículas puede ser diferente. Al mismo tiempo, para trayectorias demasiado cortas (2-5 pasos), el error de medición del tamaño es alto debido a la baja significancia estadística. Por lo tanto, solo las partículas con el número de pasos que cumplen con los requisitos de la precisión de análisis requerida se incluyen en el histograma de distribución del tamaño de partículas.

Además del diámetro de partícula calculado de esta manera, se mide la intensidad de dispersión de la misma partícula promediada sobre todos los marcos. Estos datos pueden usarse potencialmente para discriminar nanopartículas en una muestra por su material, así como para detectar la presencia de nanopartículas altamente anisotrópicas (varillas, tubos, placas).

En base al volumen conocido del área de observación y el número de partículas contadas en el mismo, se calcula la concentración absoluta de cada una de las fracciones en piezas/ml.

Rango de tamaño de partícula

El método de análisis de trayectoria de nanopartículas se puede utilizar para soluciones coloidales de partículas que varían en tamaño de 10 [8] a 1000 [2] nm . El rango depende en gran medida de la naturaleza de la muestra en particular. El límite inferior está determinado por las propiedades ópticas del material de nanopartículas [9] . Las nanopartículas deben dispersar suficiente luz para ser visibles contra el ruido de fondo. Por lo tanto, para las nanopartículas de oro y plata, el límite inferior es de 10 nm, para los materiales de óxido es de 15 a 20 nm, para las proteínas y los polímeros es de aproximadamente 20 a 25 nm. El límite superior del rango de medición se puede establecer mediante una serie de factores limitantes:

Estabilidad de sedimentación del sistema coloidal. Si hay una gran diferencia de densidad entre el material de partículas y la solución, las partículas de menos de 1000 nm ya se precipitarán rápidamente, lo que impedirá las mediciones.
Manifestación de una importante anisotropía en la forma de la mancha de radiación dispersa debido a la aparición de direcciones preferenciales de dispersión.
En ausencia de las restricciones anteriores, el límite superior del rango lo establece la precisión de medir la posición de la partícula en marcos individuales en comparación con su desplazamiento entre marcos. Para un caso típico de soluciones acuosas, este límite es aproximadamente igual a 1000 nm, sin embargo, puede variar tanto hacia arriba como hacia abajo dependiendo de la viscosidad del solvente utilizado.

Discriminación de partículas basada en su material

La intensidad de dispersión promedio medida para cada partícula se puede usar para discriminar fracciones de nanopartículas por material. Para partículas mucho más pequeñas que la longitud de onda, la ley de dispersión de Rayleigh es válida . La intensidad de la radiación dispersada por una partícula con un diámetro depende de los siguientes factores: $yo$ $d$

I=I_{0}{\frac {1+\cos ^{2}\theta }{2R^{2}}}\left({\frac {2\pi }{\lambda }}\right )^{4}\left({\frac {\left|m_{r}\right|^{2}-1}{\left|m_{r}\right|^{2}+2}}\right )^{2}\izquierda({\frac{d}{2}}\derecha)^{6}

donde es la intensidad del haz no polarizado incidente con longitud de onda , $yo_0$ $\lambda$

R

es la distancia a la partícula,

\ theta

es el ángulo de dispersión,

Sres}

es el índice de refracción complejo del material de partículas en relación con el solvente , donde es el índice de refracción del material de partículas en relación con el solvente, es el coeficiente de absorción relativo, es la unidad imaginaria

{\displaystyle m_{r}=n_{r}-ik_{r))

n_{r}

k_{r}

i

$yo_0$ , , y son constantes durante el experimento para todas las partículas, por lo que la expresión se simplifica a $R$ $\ theta$ $\lambda$

{\displaystyle yo\sim {d}^{6}R_{i))

donde está el poder de dispersión del material de partículas, $Rhode Island$ $R_{i}=\left({\frac {\left|m_{r}\right|^{2}-1}{\left|m_{r}\right|^{2}+2} }\derecho)^{2}$

Así, en el gráfico , las partículas formadas por el mismo material, con cierto error experimental, deberían caer sobre la curva . En presencia de partículas compuestas de diferentes materiales, este gráfico mostrará varias agrupaciones de puntos pertenecientes a diferentes curvas [10] . ${\ estilo de visualización yo (d)}$ ${\ estilo de visualización d^{6}}$

Cabe señalar que, en la práctica, rara vez se observa una separación estricta de dos ramas relacionadas con diferentes materiales de partículas por varias razones:

Variaciones significativas en la intensidad de las partículas medidas debido a las diferentes posiciones relativas al plano focal del objetivo y el eje del rayo láser. Este efecto es la principal fuente de errores experimentales (dispersión de puntos) en las parcelas . ${\ estilo de visualización yo (d)}$
Saturación de píxeles de la cámara (sobreexposición) para la zona central del punto de las partículas más brillantes. Esto conduce a la aparición de una meseta en la dependencia exponencial.
Cambio continuo en lugar de discreto en las propiedades ópticas efectivas del material de las partículas o variaciones significativas en su forma. En este caso, no existe una dependencia de potencia, sino un sector continuamente lleno de puntos entre dos funciones de potencia.

Análisis de partículas fluorescentes

Cuando se estudian soluciones de nanopartículas fluorescentes , por ejemplo, puntos cuánticos , nanopartículas de látex con un tinte fluorescente incluido en el polímero, o específicamente nanopartículas biológicas marcadas con fluorescencia ( exosomas , liposomas , partículas virales , etc.), se utiliza una configuración de equipo especial [11 ] [12] . Se añade un filtro de luz de onda larga entre la muestra y la cámara de vídeo , que corta la radiación dispersada elásticamente por las partículas (con la longitud de onda del láser). Por lo tanto, solo las partículas fluorescentes se registran en el video. Esto hace posible estudiar selectivamente solo la fracción de nanopartículas de interés para el investigador en el contexto de un número mucho mayor de partículas ordinarias.

En el modo fluorescente, de forma similar a la configuración principal, se mide la distribución de tamaño de las partículas [12] y su concentración. Dos medidas sucesivas, una sin filtro de luz y otra con filtro de luz, nos permiten estimar la proporción de partículas fluorescentes en su cantidad total.

Por otra parte, cabe señalar que el método no permite el estudio de moléculas individuales de colorantes orgánicos fluorescentes. Para ello se utiliza la Espectroscopía de Correlación de Fluorescencia .

Mediciones de potencial de partículas $\zeta$

Una modificación del método de análisis de trayectorias de nanopartículas, denominada Z-NTA, permite medir el potencial [aprox. 1] partículas individuales [13] . Cuando se aplica una diferencia de potencial constante a la solución, las nanopartículas que contiene comienzan a moverse de un electrodo a otro a una velocidad que depende de su potencial. La velocidad media de movimiento en esta dirección se utiliza para calcular el potencial de cada partícula según la ecuación de Helmholtz-Smoluchowski: $\zeta$ $\zeta$ ${\ estilo de visualización <u>}$ $\zeta$

\zeta \ ={\frac {4\pi \eta <u>}{\epsilon _{0}\epsilon E)),

donde es la viscosidad del liquido, $\eta$

\epsilon_0

es la constante eléctrica ,

\epsilon

es la permitividad relativa del líquido,

mi

es la fuerza del campo eléctrico .

Como ya se mencionó, las componentes ortogonales del movimiento browniano de las partículas son independientes. Por lo tanto, el movimiento caótico de una partícula en una dirección perpendicular a la electroforética dirigida puede usarse para medir simultáneamente su tamaño.

Esto permite no solo obtener un histograma de la distribución de nanopartículas sobre potenciales, sino también estudiar cómo depende del tamaño de partícula [13] . $\zeta$

Notas

↑ En la literatura en idioma ruso, también se usa el término potencial electrocinético

Enlaces

↑ Sitio web oficial de Nanosight Ltd. Consultado el 29 de mayo de 2022. Archivado desde el original el 21 de marzo de 2015. (indefinido)
↑ 1 2 V. Filipe, A. Hawe, W. Jiskoot, "Evaluación crítica del análisis de seguimiento de nanopartículas (NTA) por NanoSight para la medición de nanopartículas y agregados de proteínas" [1] Archivado el 25 de marzo de 2022 en Wayback Machine .
↑ Consideraciones sobre el tamaño de partículas. Parte 2: Especificación de un analizador de tamaño de partículas [2] Archivado el 26 de septiembre de 2015 en Wayback Machine .
↑ I. V. Fedosov, I. S. Nefedov, B. N. Khlebtsov, V. V. Tuchin, "Medida del coeficiente de difusión de nanopartículas mediante microscopía de iluminación planar selectiva" [3] (enlace inaccesible) DOI:10.1134/S0030400X09120030
↑ Guía estándar ASTM E2834-12 para la medición de la distribución del tamaño de partículas de nanomateriales en suspensión mediante análisis de seguimiento de nanopartículas (NTA) [4] Archivado el 3 de septiembre de 2012 en Wayback Machine .
↑ Lista de publicaciones en revistas arbitradas y documentos de congresos utilizando el método de análisis de trayectoria de nanopartículas Copia archivada (enlace no disponible) . Consultado el 18 de octubre de 2011. Archivado desde el original el 17 de octubre de 2011. (indefinido)
↑ Software de análisis de seguimiento de nanopartículas (NTA) (enlace no disponible) . Consultado el 23 de agosto de 2011. Archivado desde el original el 14 de julio de 2011. (indefinido)
↑ Imagen de nanopartículas de plata de 10 nm moviéndose bajo movimiento browniano . Consultado el 14 de octubre de 2011. Archivado desde el original el 25 de marzo de 2012. (indefinido)
↑ Preguntas fundamentales sobre NTA Archivado el 14 de julio de 2011.
↑ D.Griffiths, P.Hole, J.Smith, A.Malloy, B.Carr "Tamaño y conteo de nanopartículas por dispersión y análisis de seguimiento de nanopartículas fluorescentes (NTA)" [5] (enlace no disponible)
↑ Visualización, dimensionamiento y conteo de nanopartículas fluorescentes y marcadas con fluorescencia [6] Archivado el 14 de julio de 2011 en Wayback Machine .
↑ 1 2 V.Filipe, R.Poole, M.Kutscher, K.Forier, K.Braeckmans y W.Jiskoot "Seguimiento de partículas individuales de fluorescencia para la caracterización de agregados de proteínas submicrónicas en fluidos biológicos y formulaciones complejas" [7]
↑ 1 2 Análisis de potencial Zeta usando Z-NTA (enlace no disponible) . Consultado el 7 de septiembre de 2011. Archivado desde el original el 22 de agosto de 2011. (indefinido)