RU2361190C1 - Method of determining concentration of nanoparticles - Google Patents
Method of determining concentration of nanoparticles Download PDFInfo
- Publication number
- RU2361190C1 RU2361190C1 RU2008110537/28A RU2008110537A RU2361190C1 RU 2361190 C1 RU2361190 C1 RU 2361190C1 RU 2008110537/28 A RU2008110537/28 A RU 2008110537/28A RU 2008110537 A RU2008110537 A RU 2008110537A RU 2361190 C1 RU2361190 C1 RU 2361190C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- nanoparticles
- volume
- optical
- coherence
- concentration
- Prior art date
Links
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 title claims abstract description 74
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 32
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 55
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 18
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims abstract description 15
- 238000010790 dilution Methods 0.000 claims abstract description 6
- 239000012895 dilution Substances 0.000 claims abstract description 6
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims description 13
- 210000000078 claw Anatomy 0.000 claims 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 9
- 238000009826 distribution Methods 0.000 abstract description 4
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000013590 bulk material Substances 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 21
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 13
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 12
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 10
- 239000002078 nanoshell Substances 0.000 description 8
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 7
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 206010028980 Neoplasm Diseases 0.000 description 3
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 3
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 3
- 239000011859 microparticle Substances 0.000 description 3
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 3
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 230000008033 biological extinction Effects 0.000 description 2
- 201000011510 cancer Diseases 0.000 description 2
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 2
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 230000005653 Brownian motion process Effects 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- FOIXSVOLVBLSDH-UHFFFAOYSA-N Silver ion Chemical compound [Ag+] FOIXSVOLVBLSDH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 239000008280 blood Substances 0.000 description 1
- 210000000601 blood cell Anatomy 0.000 description 1
- 210000002798 bone marrow cell Anatomy 0.000 description 1
- 238000005537 brownian motion Methods 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000005314 correlation function Methods 0.000 description 1
- 230000002380 cytological effect Effects 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000001446 dark-field microscopy Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 210000003743 erythrocyte Anatomy 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 1
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 description 1
- 210000000265 leukocyte Anatomy 0.000 description 1
- 239000002077 nanosphere Substances 0.000 description 1
- 239000002504 physiological saline solution Substances 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 238000004062 sedimentation Methods 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N silicon monoxide Chemical group [Si-]#[O+] LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 1
- 239000012798 spherical particle Substances 0.000 description 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 1
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 description 1
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области нано- и биомедицинских технологий, в частности к созданию неразрушающего способа определения концентрации наночастиц на основе технологии оптического зондирования с помощью низкокогерентного оптического томографа. Изобретение предназначено для определения наночастиц в растворе или биоткани, что необходимо для создания технологии эффективного разрушения раковых клеток с помощью лазерного фототермолиза опухоли с плазменно-резонансными наночастицами, калибровки чувствительности различных биосенсоров на основе биоконъюгатов с золотыми или серебряными наночастицами.The invention relates to the field of nano- and biomedical technologies, in particular to the creation of a non-destructive method for determining the concentration of nanoparticles based on optical sensing technology using a low-coherence optical tomograph. The invention is intended to determine nanoparticles in a solution or biological tissue, which is necessary to create a technology for effective destruction of cancer cells using laser photothermolysis of a tumor with plasma resonant nanoparticles, and to calibrate the sensitivity of various biosensors based on bioconjugates with gold or silver nanoparticles.
Известен способ определения концентрации золотых наночастиц в жидкости (воде), включающий измерение массы золотых частиц в фиксированном объеме путем испарения воды, взвешивания агрегированных наночастиц и определения концентрации наночастиц при условии, что известен объем одной наночастицы, измеренный с помощью электронного микроскопа, и все наночастицы одинаковы (Sarah L. Westcott, Steven J. Oldenburg, Т. Randall Lee and Naomi J. Halas. Formation and Adsorption of Clusters of Gold Nanoparticles onto Functionalized Silica Nanoparticle Surfaces. Langmuir, 1998, 14, 5396-5401).A known method for determining the concentration of gold nanoparticles in a liquid (water), including measuring the mass of gold particles in a fixed volume by evaporating water, weighing the aggregated nanoparticles and determining the concentration of nanoparticles, provided that the volume of one nanoparticle is measured using an electron microscope, and all nanoparticles are the same (Sarah L. Westcott, Steven J. Oldenburg, T. Randall Lee and Naomi J. Halas. Formation and Adsorption of Clusters of Gold Nanoparticles onto Functionalized Silica Nanoparticle Surfaces. Langmuir, 1998, 14, 5396-5401).
Однако данный способ имеет ряд существенных недостатков:However, this method has several significant disadvantages:
1. Способ является разрушающим;1. The method is destructive;
2. Частицы могут быть структурно-неоднородными, например состоять из оболочек и ядер различных материалов; для этого случая способ труднореализуем;2. Particles can be structurally heterogeneous, for example, consist of shells and cores of various materials; for this case, the method is difficult to implement;
3. Предполагается, что все частицы имеют одинаковую форму и размер.3. It is assumed that all particles have the same shape and size.
Известен оптический способ определения концентрации золотых наночастиц в суспензии, включающий измерение оптической плотности А образца в кювете толщиной l от длины волны и определение концентрации из соотношенияA known optical method for determining the concentration of gold nanoparticles in suspension, including measuring the optical density A of the sample in a cell with a thickness l of the wavelength and determining the concentration from the ratio
В случае сферических частицIn the case of spherical particles
где: С есть оптическое сечение экстинкции (коэффициент поглощения и рассеяния), зависящее от длины волны, формы частиц, показателя преломления;where: C is the optical extinction cross section (absorption and scattering coefficient), depending on the wavelength, particle shape, refractive index;
Q - коэффициент экстинкции для сферических частиц; (Н.Г.Хлебцов, В.А.Богатырев, Л.А.Дыкман, Б.Н.Хлебцов. Плазменно-резонансные наночастицы для биодиагностики и медицины. Российские нанотехнологии. 2007, т.2, №3-4, с.69-86).Q is the extinction coefficient for spherical particles; (N.G. Khlebtsov, V. A. Bogatyrev, L. A. Dykman, B. N. Khlebtsov. Plasma-resonant nanoparticles for biodiagnostics and medicine. Russian nanotechnologies. 2007, vol. 2, No. 3-4, p. 69-86).
Однако данный способ содержит ряд недостатков:However, this method contains several disadvantages:
1. Для определения концентрации наночастиц необходим расчет или дополнительное измерение оптического сечения экстинкции С, которое определяется коэффициентом поглощения и трудноопределяемого коэффициента рассеяния.1. To determine the concentration of nanoparticles, it is necessary to calculate or additionally measure the optical cross section of extinction C, which is determined by the absorption coefficient and the difficult to determine scattering coefficient.
2. Для расчета концентрации наночастиц необходимо знание о размерах одной наночастицы, ее внутреннем строении, при этом, например, для нанооболочек возможно получение информации о структуре только на основе измерений на электронном сканирующем микроскопе в процессе агрегации для оценки степени пористости нанооболочки.2. To calculate the concentration of nanoparticles, knowledge of the size of one nanoparticle, its internal structure is necessary, while, for example, for nanoshells, it is possible to obtain information about the structure only based on measurements on an electronic scanning microscope during the aggregation to assess the degree of porosity of the nanoshell.
3. Спектральное положение плазменного резонанса слабочувствительно к размеру наночастиц только для однородного материала (например, изменение диаметра золотых наносфер от 3-х до 300 нм сдвигает максимум плазменного резонанса на 20 нм, в то время как нанооболочек в зависимости от ее толщины плазменный резонанс может на сотни нм - от 530 до 1200 нм), при этом величина оптической плотности сильно зависит, по крайней мере, от двух параметров: концентрации и структуры одной наночастицы.3. The spectral position of the plasma resonance is weakly sensitive to the size of the nanoparticles only for a homogeneous material (for example, a change in the diameter of the gold nanospheres from 3 to 300 nm shifts the maximum of the plasma resonance by 20 nm, while the nanoshells depending on its thickness, the plasma resonance can hundreds of nm - from 530 to 1200 nm), while the optical density strongly depends on at least two parameters: the concentration and structure of one nanoparticle.
4. При больших концентрациях наночастиц на значении оптической плотности должно сказываться многократное рассеяние на наночастицах, а также образование кластеров вследствие адгезии наночастиц.4. At high concentrations of nanoparticles, the optical density should be affected by multiple scattering by nanoparticles, as well as cluster formation due to adhesion of nanoparticles.
В медицинской диагностической практике используется цитологический метод определения концентрации клеточных форменных образований (эритроцитов - характерный размер 6-8 микрон при концентрации 5·109/мл; тромбоцитов - средний размер 3-4 микрона, концентрация 300·106/мл; лейкоцитов - 15-30 микрон, концентрация 6·106/мл) с помощью камеры Горяева, представляющей собой плоскую горизонтальную кювету с фиксированной глубиной (100 микрон), при этом подсчитывается число соответствующих клеток в фиксированном объеме, используя световой микроскоп, работающий в отраженном или в проходящем свете (Г.И.Козинец и др. Клетки крови и костного мозга. М.: МИА. 2004, с.189-202).In medical diagnostic practice, a cytological method is used to determine the concentration of cell-shaped formations (erythrocytes - a characteristic size of 6-8 microns at a concentration of 5 · 10 9 / ml; platelets - an average size of 3-4 microns, a concentration of 300 · 10 6 / ml; leukocytes - 15 -30 microns, the concentration of 6 × 10 6 / ml) using, the corresponding calculated number of cells in a fixed volume Goryaev chamber is a flat horizontal cuvette at a fixed depth (100 micron) using a light microscope exercising minutes in reflected or transmitted light (G.I.Kozinets et al. Blood and bone marrow cells. M .: MIA. 2004 s.189-202).
Однако данный способ не позволяет определить концентрацию наночастиц, так как в световом микроскопе, работающем в отраженном или в проходящем свете, наночастицы не наблюдаются. Пространственное разрешение светового микроскопа ограничено минимальным размером фокального пятна, которое вследствие волновых свойств света ограничено длиной волны (минимально полмикрона в видимой области), что существенно больше типичных пространственных размеров наночастиц (1-300 нм).However, this method does not allow to determine the concentration of nanoparticles, since in a light microscope operating in reflected or transmitted light, nanoparticles are not observed. The spatial resolution of the light microscope is limited by the minimum size of the focal spot, which due to the wave properties of light is limited by the wavelength (minimum half a micron in the visible region), which is significantly larger than the typical spatial sizes of nanoparticles (1-300 nm).
Известен способ наблюдения наночастиц с размером 50-400 нм с помощью темнопольного светового микроскопа (Prashant К. Jain, Ivan Н. El-Sayed and Mostafa A. El-Sayedl. Au nanoparticles targeted cancer. Nanotoday, 2007, v.2, №1, p.18-29).A known method of observing nanoparticles with a size of 50-400 nm using a dark field light microscope (Prashant K. Jain, Ivan N. El-Sayed and Mostafa A. El-Sayedl. Au nanoparticles targeted cancer. Nanotoday, 2007, v. 2, No. 1 , p. 18-29).
Однако такой способ позволяет наблюдать рассеянное каждой наночастицей оптическое излучение с пространственным размером, определяемым разрешением микроскопа, при этом используются остросфокусированное излучение и не представляется возможным определение концентрации наночастиц в объеме, так как при фиксированном пространственном положении фокуса не контролируется, на какой глубине находятся различные наночастицы. Основной недостаток данного способа даже для оценки концентрации связан с тем, что в методе темнопольной микроскопии должны использоваться тонкие слои жидкости с наночастицами - толщиной менее сотни микрон (технология приготовления образца следующая: на предметное стекло капают несколько микролитров раствора наночастиц и накрывают покровным стеклом). Однако вследствие эффектов поверхностного натяжения, наночастицы скапливаются на границе образца, что делает практически невозможным определение концентрации наночастиц в объеме.However, this method makes it possible to observe the optical radiation scattered by each nanoparticle with a spatial size determined by the resolution of the microscope. In this case, sharply focused radiation is used and it is not possible to determine the concentration of nanoparticles in the volume, since at a fixed spatial position of the focus, it is not controlled at what depth the various nanoparticles are located. The main disadvantage of this method, even for concentration estimation, is that thin-layer liquid with nanoparticles — less than a hundred microns thick — should be used in the dark-field microscopy method (the sample preparation technology is as follows: several microliters of a nanoparticle solution are dropped onto a glass slide and covered with a coverslip). However, due to surface tension effects, nanoparticles accumulate at the sample boundary, which makes it almost impossible to determine the concentration of nanoparticles in the bulk.
Наиболее близким к предлагаемому способу является оптический способ определения концентрации микрочастиц в жидкости, включающий облучение лазерным пучком прозрачного капилляра, внутри которого протекает раствор с микрочастицами, измерение оптического импульсного излучения, возникающего вследствие рассеяния на каждой частице, и определение концентрации частиц в растворе по суммарному числу продетектированных рассеянных оптических импульсов в единицу времени и объему протекшей за это время через капилляр жидкости (Грехов В.А., Пахомов Л.М. Волоконно-оптическая система измерения концентрации инертных частиц. ПТЭ 2000, №6, с.113-116).Closest to the proposed method is an optical method for determining the concentration of microparticles in a liquid, including irradiating a transparent capillary with a laser beam, inside which a solution with microparticles flows, measuring the optical pulsed radiation resulting from scattering on each particle, and determining the concentration of particles in the solution by the total number of detected scattered optical pulses per unit time and the volume of fluid flowing during this time through the capillary (Grekhov V.A., Pakho s LM Fiber optic measuring the concentration of inert particles. PTE 2000, №6, s.113-116).
Однако данный способ содержит ряд недостатковHowever, this method contains several disadvantages
1. Способ позволяет определение концентрации микрочастиц диаметром от 50-500 мкм;1. The method allows the determination of the concentration of microparticles with a diameter of 50-500 microns;
2. Способ имеет ограниченный диапазон измерения концентраций. При используемой в установке скорости прокачки 10 м/с и минимальном времени измерения 10 мкс анализируемое число частиц не превышает 106/см-3;2. The method has a limited range of concentration measurements. When used in the installation pumping speed of 10 m / s and a minimum measurement time of 10 μs, the analyzed number of particles does not exceed 10 6 / cm -3 ;
3. Численные оценки показывают возникновение больших технических сложностей при попытке применения данного способа для определения концентрации наночастиц вследствие необходимости прокачки раствора через нанокапилляр и соответственно возможности измерения только малых концентраций наночастиц, при этом для анализа 1 микролитра раствора наночастиц должно потребоваться не менее часа при условии, что лазерный пучок фокусируется в микронную область.3. Numerical estimates show the emergence of great technical difficulties when trying to use this method to determine the concentration of nanoparticles due to the need to pump the solution through the nanocapillary and, accordingly, the ability to measure only low concentrations of nanoparticles, and for the analysis of 1 microliter of the nanoparticle solution, it should take at least an hour, provided that the laser beam focuses in the micron region.
Задачей настоящего изобретения является определение концентрации наночастиц в растворе, возможность определения пространственного распределения наночастиц в объеме, а также динамики поведения наночастиц при исследовании процессов диффузии или агрегации и оседания.The objective of the present invention is to determine the concentration of nanoparticles in solution, the ability to determine the spatial distribution of nanoparticles in the volume, as well as the dynamics of the behavior of nanoparticles in the study of diffusion or aggregation and sedimentation processes.
Технический результат заключается в расширении диапазона определения концентрации наночастиц, обеспечении возможности измерения наночастиц различных типов (сфер, эллипсоидов, кубиков, стержней, оболочек) размером от десятка до сотен нанометров.The technical result consists in expanding the range for determining the concentration of nanoparticles, providing the ability to measure nanoparticles of various types (spheres, ellipsoids, cubes, rods, shells) ranging in size from tens to hundreds of nanometers.
Поставленная задача решается тем, что в способе определения концентрации наночастиц, включающем зондирование объемной среды, содержащей наночастицы, оптическим излучением с помощью низкокогерентного томографа, измерение размера фокального пятна зондирующего пучка D, длины продольной когерентности ΔLc и определение объема когерентности ΔVc=πD2 ΔLc/4, получение цифрового двумерного изображения, каждый пиксел которого пропорционален интенсивности обратноотраженного излучения из объема когерентности, путем сканирования зондирующего пучка по двум поперечным координатам при фиксированной продольной оптической длине в опорном плече интерферометра томографа либо одной из поперечных координат зондирующего пучка и продольной координаты в опорном плече, добиваются дискретного изображения путем фиксированного разведения раствора с наночастицами, выделяют площадь на двумерном изображении S, определяют концентрацию наночастиц в единице объема V по числу отражающих пикселей с интенсивностью, превышающей уровень шума из выделенной площади, а выделенный объем V определяется произведением площади S на длину когерентности или на размер фокального пятна в зависимости от режима сканирования.The problem is solved in that in a method for determining the concentration of nanoparticles, including sensing a volume medium containing nanoparticles with optical radiation using a low coherence tomograph, measuring the size of the focal spot of the probe beam D, the length of the longitudinal coherence ΔL c and determining the coherence volume ΔV c = πD 2 ΔL c / 4, obtaining a two-dimensional digital image, each pixel is proportional to the intensity of radiation obratnootrazhennogo coherence volume, by scanning probe n two transverse coordinates at a fixed longitudinal optical length in the reference arm of the tomograph interferometer or one of the transverse coordinates of the probe beam and the longitudinal coordinate in the reference arm, achieve a discrete image by fixed dilution of the solution with nanoparticles, select the area on the two-dimensional image S, determine the concentration of nanoparticles in unit volume V by the number of reflective pixels with an intensity exceeding the noise level from the allocated area, and the allocated volume V is determined the product of the area S on the coherence length or focal spot size depending on the scan mode.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена блок-схема установки для измерения концентрации наночастиц в объеме с помощью низкокогерентного волоконно-оптического сканирующего томографа; на фиг.2 - экспериментально измеренная зависимость продольной функции когерентности излучателя оптического томографа, позволяющей определить длину продольной когерентности ΔLc; на фиг.3 - двумерная зависимость интенсивности обратно-отраженного оптического сигнала от кюветы толщиной 1 мм с раствором золотых нанооболочек при концентрации 109/лм, на фиг.4 - результаты, аналогичные фиг.3 при 4-кратном двойном разведении (в 16 раз) концентрации золотых нанооболочек, где:The invention is illustrated by drawings, where Fig. 1 shows a block diagram of an apparatus for measuring the concentration of nanoparticles in a volume using a low coherent fiber optic scanning tomograph; figure 2 - experimentally measured dependence of the longitudinal coherence function of the emitter of the optical tomograph, which allows to determine the length of the longitudinal coherence ΔL c ; figure 3 - two-dimensional dependence of the intensity of the back-reflected optical signal from a cell with a thickness of 1 mm with a solution of gold nanoshells at a concentration of 10 9 / lm, figure 4 - results similar to figure 3 with 4-fold double dilution (16 times ) the concentration of gold nanoshells, where:
1 - суперлюминесцентный диод;1 - superluminescent diode;
2 - одномодовый волоконно-оптический Х разветвитель;2 - single-mode fiber optic X splitter;
3 - измерительный канал волоконно-оптического интерферометра;3 - measuring channel of a fiber optic interferometer;
4 - XY сканер поперечного смещения зондирующего оптического пучка;4 - XY scanner transverse bias probing optical beam;
5 - длиннофокусная оптическая система;5 - telephoto optical system;
6 - анализируемая кювета с наночастицами;6 - analyzed cell with nanoparticles;
7 - персональный компьютер;7 - personal computer;
8 - фотоприемник;8 - photodetector;
9 - смесительный канал волоконно-оптического интерферометра;9 - mixing channel of a fiber optic interferometer;
10 - опорный канал волоконно-оптического интерферометра;10 - reference channel of a fiber optic interferometer;
11 - оптико-механическая система продольного сканирования и модуляции по Z координате.11 - optical-mechanical system of longitudinal scanning and modulation along the Z coordinate.
Устройство состоит из низкокогерентного волоконно-оптического сканирующего интерферометра (оптический томограф), содержащего суперлюминесцентный диод (SLD) 1, одномодовый волоконно-оптический Х разветвитель 2 с измерительным каналом 3 и опорным каналом 10, а также со смесительным каналом 9. Устройство содержит XY-сканер поперечного смещения зондирующего оптического пучка 4, длиннофокусную оптическую систему 5 и анализируемую кювету с наночастицами 6. Устройство имеет оптико-механическую систему продольного сканирования и модуляции 11 оптической длины по Z координате. Устройство содержит фотоприемник (PhD) 8 с электронным усилителем и аналого-цифровым преобразователем, сигнал с которого поступает на персональный компьютер 7.The device consists of a low-coherent fiber-optic scanning interferometer (optical tomograph) containing a superluminescent diode (SLD) 1, a single-mode fiber
Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.
В соответствии с фиг.1 непрерывное оптическое излучение суперлюминесцентного диода 1 вводится в одномодовый волоконно-оптический Х разветвитель 2 интерферометра, после оптического деления в разветвителе Х часть оптического излучения поступает в измерительный канал 3, где с помощью XY сканера 4 осуществляется поперечное сканирование пучка по Х и Y координате, а длиннофокусная оптическая система 5 формирует определенное фокальное пятно размером D в анализируемой кювете 6. С помощью управляющего сигнала с персонального компьютера 7 осуществляется поперечное сканирование пучка в анализируемой кювете 6 с наночастицами. Оптическое излучение, обратноотраженное из анализируемой кюветы 6, измеряется только из объема определяемого объемом когерентности ΔVс, который соответствует размеру (площади) фокального пятна D, умноженной на длину продольной когерентности ΔLc излучателя. Это излучение смешивается с обратноотраженным оптическим излучением опорного канала 10, который состоит из оптико-механической системы сканирования и модуляции 11 по Z координате. Оптико-механическая система продольного сканирования и модуляции 11 оптической длины содержит перестраиваемую оптическую линию задержки и отражатель (плоское зеркало), укрепленный на пьезокорректоре, с помощью которого осуществляется модуляция оптической длины при подаче сигнала перестройки и модуляции с персонального компьютера 7. Интерферирующие оптические поля с двух каналов 3 и 10 на выходе волоконно-оптического смесительного канала 9 детектируются с помощью фотодетектора 8, фототок которого пропорционален произведению оптических полей опорного 10 и измерительного 3 каналов. Сигнал интерференции оптических полей измеряется при поперечном сканировании оптического пучка с помощью XY-сканера 4 и модуляции оптической длины в опорном канале 10. Для каждой поперечной настройки оптического пучка в измерительном канале измеряется интенсивность отраженного света только из объема когерентности, определяемой поперечным размером фокального пятна D и длиной продольной когерентности ΔLc.In accordance with figure 1, the continuous optical radiation of the
Длина продольной когерентности оптического излучателя определяется спектральной шириной зондирующего излучения Δλ, в частности шириной спектра суперлюминесцентного диода, и для гауссовской линии излучения имеет видThe length of the longitudinal coherence of the optical emitter is determined by the spectral width of the probe radiation Δλ, in particular the spectral width of the superluminescent diode, and for a Gaussian emission line has the form
где: λ - длина волны центра линии излучения.where: λ is the wavelength of the center of the emission line.
При этом концентрация определяется числом пикселей с интенсивностью, превышающей уровень шума, который определяется интенсивностью отражения от прозрачного раствора без наночастиц (вода, физиологический раствор), из выделенной площади S=ΔX·ΔY при сканировании по поперечным координатам, а объем V равен площади S, умноженной на длину продольной когерентности ΔLc при фиксированной настройке оптической длины в оптической линии задержки или выделенной площади S=ΔX·ΔZ, умноженных на размер фокального пятна D при сканировании по одной поперечной и одной продольной координате.In this case, the concentration is determined by the number of pixels with an intensity exceeding the noise level, which is determined by the intensity of reflection from a transparent solution without nanoparticles (water, physiological saline) from the allocated area S = ΔX · ΔY when scanning along transverse coordinates, and the volume V is equal to the area S, multiplied by the length of the longitudinal coherence ΔL c with a fixed setting of the optical length in the optical delay line or the allocated area S = ΔX · ΔZ multiplied by the size of the focal spot D when scanning along one transverse and one longitudinal coordinate.
На фиг.2 представлена измеренная зависимость интенсивности низкокогерентного оптического излучения суперлюминисцентного «диода от изменения длины при сканировании оптической длины в опорном канале 10 волоконно-оптического интерферометра 3, осуществляющего зондирование поверхности зеркала в измерительном канале. Измеренная корреляционная функция оптического поля излучателя или функция продольной когерентности позволяет экспериментально определить длину продольной когерентности ΔLc как длину, соответствующую уменьшению интенсивности сигнала интерференции вдвое.Figure 2 presents the measured dependence of the intensity of low coherent optical radiation of a superluminescent "diode on the change in length when scanning the optical length in the
Экспериментальные тестовые измерения концентрации наночастиц, типичные для используемых в нанотехнологиях, представлены на фиг.3-4. Концентрация золотых нанооболочек с плазменным резонансом в области 800 нм, измеренной методом оптической плотности, составляла величину порядка 109 частиц в миллилитре. На фиг.3 представлена двумерная зависимость интенсивности отраженного оптического сигнала из объема кюветы толщиной 1 мм с раствором в воде плазменно-резонансных золотых нанооболочек толщиной 15 нм и ядром из оксида кремния SiO2 диаметром 140 нм, при этом сканирование осуществлялось по одной поперечной координате ΔХ (ось абсцисс) и продольной ΔZ (на фиг.3 ось ординат). Объем когерентности в измерениях с помощью низкокогерентного оптического томографа ОСТ-3 фирмы «Carl Zeiss» определяется размером фокального пятна с диаметром, составляющим 20 микрон, и длиной когерентности, равной ΔLc=10 микрон, при зондировании излучением суперлюминисцентного диода с длиной волны 820 нм. На Фиг.3 видна пространственная неравномерность плотности пикселей и соответственно наночастиц в кювете, а также в разных пикселах наблюдается различная интенсивность отраженного оптического сигнала, что говорит о попадании в объем когерентности более одной частицы. Чувствительность метода по уровню отраженного оптического сигнала достигает 50 dB (уровень шума соответствует коэффициенту отражения 10-5). Типичная величина отражения одной золотой плазменно-резонансной наночастицей, порядка 0.001 от величины зондирующего излучения, что превышает уровень шума на два порядка. Полученная двумерная картина распределения наночастиц в объеме измеряется в течение 0,3 сек, а число пикселей может может превышать 106, поэтому время измерения одного пиксела менее 1 мкс, что позволяет исследовать динамические процессы агрегации и диффузии наночастиц.Experimental test measurements of the concentration of nanoparticles, typical for those used in nanotechnology, are presented in Fig.3-4. The concentration of gold nanoshells with a plasma resonance in the region of 800 nm, measured by the optical density method, amounted to about 10 9 particles per milliliter. Figure 3 shows a two-dimensional dependence of the intensity of the reflected optical signal from the volume of the cuvette with a thickness of 1 mm with a solution in water of plasma-resonant gold nanoshells with a thickness of 15 nm and a silicon oxide core SiO 2 with a diameter of 140 nm, while scanning was performed along one transverse coordinate ΔX ( abscissa axis) and longitudinal ΔZ (in Fig. 3, the ordinate axis). The volume of coherence in measurements using a Carl Zeiss OST-3 low-coherence optical tomograph from Carl Zeiss is determined by the size of the focal spot with a diameter of 20 microns and a coherence length of ΔL c = 10 microns when probing with a superluminescent diode with a wavelength of 820 nm. Figure 3 shows the spatial unevenness of the density of pixels and, accordingly, of the nanoparticles in the cuvette, as well as in different pixels, different intensities of the reflected optical signal are observed, which indicates that more than one particle enters the coherence volume. The sensitivity of the method by the level of the reflected optical signal reaches 50 dB (the noise level corresponds to a reflection coefficient of 10 -5 ). The typical reflection value of a single gold plasma resonance nanoparticle is about 0.001 of the value of the probe radiation, which exceeds the noise level by two orders of magnitude. The resulting two-dimensional picture of the distribution of nanoparticles in the volume is measured for 0.3 seconds, and the number of pixels can exceed 10 6 , so the measurement time of one pixel is less than 1 μs, which allows us to study the dynamic processes of aggregation and diffusion of nanoparticles.
На фиг.4 представлена двумерная зависимость интенсивности отраженного оптического сигнала от кюветы с наночастицами при 16-кратном разведении или 4-кратном двойном разведении. Расчеты показали, что в двумерной области ΔZ=1 мм и ΔХ=100 микрон наблюдается в среднем 125 частиц, что соответствует концентрации 6,25·107, тогда в соответствии с предлагаемым способом неразведенная концентрация составляет N=109 золотых нанооболочек в миллилитре.Figure 4 presents a two-dimensional dependence of the intensity of the reflected optical signal from a cell with nanoparticles at 16-fold dilution or 4-fold double dilution. Calculations showed that in the two-dimensional region ΔZ = 1 mm and ΔX = 100 microns, an average of 125 particles are observed, which corresponds to a concentration of 6.25 · 10 7 , then in accordance with the proposed method the undiluted concentration is N = 10 9 gold nanoshells per milliliter.
Предлагаемый способ обладает потенциально большим диапазоном измерения концентрации. При условии, что концентрация наночастиц в растворе составляет величину N=1012 в миллилитре, то при равномерном распределении частиц среднее расстояние между частицами будет составлять один микрон и тогда в типичный объем когерентности, определяемой размером фокального пятна 10 микрон, и длиной когерентности 10 микрон ΔVc=πD2 ΔLc/4 попадает более тысячи частиц. Такой уровень концентрации наночастиц невозможно определить предлагаемыми оптическими методами при условии, если не разводить анализируемый раствор. Если уровень концентрации составляет величину N=109/мл, то при равномерном распределении частиц среднее расстояние между частицами будет составлять 10 микрон и тогда в типичный объем когерентности ΔVс попадает в среднем одна частица. В этом случае при пространственном сканировании излучения, например, по поперечным координатам X, Y при фиксированной продольной длине ΔZ каждый пиксел несет информацию об интенсивности отраженного сигнала от каждой наночастицы и при равномерном пространственном распределении наночастиц получаем двумерную картину со сплошной одинаковой интенсивностью на всей анализируемой площади. В реальном случае вследствие броуновского движения в объем когерентности может попасть две и более частицы, тогда величина отраженного сигнала отдельных пикселей возрастает. Таким образом, можно определять наличие кластеров из наночастиц и пространственную неравномерность по глубине или по поперечной координате.The proposed method has a potentially large range of concentration measurements. Provided that the concentration of nanoparticles in the solution is N = 10 12 per milliliter, then with a uniform distribution of particles, the average distance between particles will be one micron and then in a typical coherence volume determined by the focal spot size of 10 microns and a coherence length of 10 microns ΔV c = πD 2 ΔL c / 4 gets more than a thousand particles. Such a concentration level of nanoparticles cannot be determined by the proposed optical methods, provided that the analyzed solution is not diluted. If the concentration level is N = 10 9 / ml, then with a uniform distribution of particles, the average distance between the particles will be 10 microns and then on average one particle falls into a typical coherence volume ΔV s . In this case, during spatial scanning of radiation, for example, along the transverse coordinates X, Y at a fixed longitudinal length ΔZ, each pixel carries information about the intensity of the reflected signal from each nanoparticle and, with a uniform spatial distribution of the nanoparticles, we obtain a two-dimensional picture with a continuous identical intensity over the entire analyzed area. In the real case, due to the Brownian motion, two or more particles can fall into the coherence volume, then the magnitude of the reflected signal of individual pixels increases. Thus, it is possible to determine the presence of clusters of nanoparticles and spatial unevenness in depth or in the transverse coordinate.
При концентрации наночастиц N=106/мл, то при равномерном распределении частиц среднее расстояние между частицами будет составлять 100 микрон. При типичной поперечной длине сканирования в несколько миллиметров необходимо просканировать по глубине 10 сканов, чтобы получить точную информацию о числе наночастиц в одном миллилитре. Оценки показывают, что минимально определяемая концентрация наночастиц будет составлять N=103/мл, при этом среднее расстояние между наночастицами будет составлят 1 мм и необходимо проводить 100 сканов по глубине, чтобы найти одну частицу в миллилитре.When the concentration of nanoparticles is N = 10 6 / ml, then with a uniform distribution of particles, the average distance between the particles will be 100 microns. With a typical transverse scan length of several millimeters, it is necessary to scan 10 scans in depth to obtain accurate information about the number of nanoparticles in one milliliter. Estimates show that the minimum detectable concentration of nanoparticles will be N = 10 3 / ml, while the average distance between nanoparticles will be 1 mm and 100 scans must be carried out in depth to find one particle in a milliliter.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008110537/28A RU2361190C1 (en) | 2008-03-21 | 2008-03-21 | Method of determining concentration of nanoparticles |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008110537/28A RU2361190C1 (en) | 2008-03-21 | 2008-03-21 | Method of determining concentration of nanoparticles |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2361190C1 true RU2361190C1 (en) | 2009-07-10 |
Family
ID=41045848
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008110537/28A RU2361190C1 (en) | 2008-03-21 | 2008-03-21 | Method of determining concentration of nanoparticles |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2361190C1 (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2411513C1 (en) * | 2009-12-14 | 2011-02-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" (ГОУ ВПО ТГТУ) | Method of identifying and monitoring concentration nano-objects in dispersed media |
| RU2502980C1 (en) * | 2012-07-11 | 2013-12-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "Пензенский государственный университет") | Method of determining concentration and average size of nanoparticles in sol |
| RU2648889C1 (en) * | 2016-03-10 | 2018-03-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокомолекулярных соединений Российской академии наук | Control method of carbon nanoparticles surface treatment efficiency for its introduction into polymer materials and device for its implementation |
| CN116612826A (en) * | 2023-05-24 | 2023-08-18 | 江苏师范大学 | Method for quantifying nano-materials in solution based on optical imaging counting |
| RU2816346C1 (en) * | 2023-12-22 | 2024-03-29 | Общество с ограниченной ответственностью "Торговый Дом "ХИММЕД" | Method of determining nanoparticles in high-purity acids |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1578590A1 (en) * | 1988-09-23 | 1990-07-15 | Черновицкий Государственный Университет | Apparatus for determining dimensions and concentration of light-diffusing particles |
| JP2003106979A (en) * | 2001-09-27 | 2003-04-09 | Otsuka Denshi Co Ltd | Dynamic light scattering measuring device using low coherence interferometry |
| US6738144B1 (en) * | 1999-12-17 | 2004-05-18 | University Of Central Florida | Non-invasive method and low-coherence apparatus system analysis and process control |
| US20050099626A1 (en) * | 2003-11-10 | 2005-05-12 | King Frederick D. | Method and apparatus for particle measurement employing optical imaging |
-
2008
- 2008-03-21 RU RU2008110537/28A patent/RU2361190C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1578590A1 (en) * | 1988-09-23 | 1990-07-15 | Черновицкий Государственный Университет | Apparatus for determining dimensions and concentration of light-diffusing particles |
| US6738144B1 (en) * | 1999-12-17 | 2004-05-18 | University Of Central Florida | Non-invasive method and low-coherence apparatus system analysis and process control |
| JP2003106979A (en) * | 2001-09-27 | 2003-04-09 | Otsuka Denshi Co Ltd | Dynamic light scattering measuring device using low coherence interferometry |
| US20050099626A1 (en) * | 2003-11-10 | 2005-05-12 | King Frederick D. | Method and apparatus for particle measurement employing optical imaging |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ГРЕХОВ В.А. и др. Волоконно-оптическая система измерения концентрации инертных частиц. ПТЭ, 2000, №6, с.113-116. * |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2411513C1 (en) * | 2009-12-14 | 2011-02-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" (ГОУ ВПО ТГТУ) | Method of identifying and monitoring concentration nano-objects in dispersed media |
| RU2502980C1 (en) * | 2012-07-11 | 2013-12-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "Пензенский государственный университет") | Method of determining concentration and average size of nanoparticles in sol |
| RU2648889C1 (en) * | 2016-03-10 | 2018-03-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокомолекулярных соединений Российской академии наук | Control method of carbon nanoparticles surface treatment efficiency for its introduction into polymer materials and device for its implementation |
| CN116612826A (en) * | 2023-05-24 | 2023-08-18 | 江苏师范大学 | Method for quantifying nano-materials in solution based on optical imaging counting |
| RU2816346C1 (en) * | 2023-12-22 | 2024-03-29 | Общество с ограниченной ответственностью "Торговый Дом "ХИММЕД" | Method of determining nanoparticles in high-purity acids |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5134177B2 (en) | Systems using light-scattering spectroscopy based on electric fields | |
| US6611339B1 (en) | Phase dispersive tomography | |
| Bizheva et al. | Path-length-resolved dynamic light scattering in highly scattering random media: The transition to diffusing wave spectroscopy | |
| Buosciolo et al. | New calibration method for position detector for simultaneous measurements of force constants and local viscosity in optical tweezers | |
| US6256102B1 (en) | Dual-beam low-coherence interferometer with improved signal-to-noise ratio | |
| US20090219544A1 (en) | Systems, methods and computer-accessible medium for providing spectral-domain optical coherence phase microscopy for cell and deep tissue imaging | |
| Rajadhyaksha et al. | Detectability of contrast agents for confocal reflectance imaging of skin and microcirculation | |
| WO2003077757A1 (en) | Imaging transverse flow velocity using spectral bandwidth of the doppler frequency shift in phase-resolved optical doppler tomography | |
| JP2024541300A (en) | Method and apparatus for determining nanoparticle characteristics of nanoparticles in a sample - Patents.com | |
| RU2361190C1 (en) | Method of determining concentration of nanoparticles | |
| Moger et al. | Measuring red blood cell flow dynamics in a glass capillary using Doppler optical coherence tomography and Doppler amplitude optical coherence tomography | |
| IL286489B2 (en) | Wave scattering-based microscopy | |
| Skipetrov et al. | Diffusing-wave spectroscopy in randomly inhomogeneous media with spatially localized scatterer flows | |
| US20190302007A1 (en) | Non-contact photoacoustic spectrophotometry insensitive to light scattering | |
| Wang et al. | Detection and monitoring of microparticles under skin by optical coherence tomography as an approach to continuous glucose sensing using implanted retroreflectors | |
| Loerke et al. | Quantifying axial secretory-granule motion with variable-angle evanescent-field excitation | |
| JP4823064B2 (en) | Method and apparatus for backscattering spectroscopy | |
| Oldenburg et al. | Characterization of plasmon-resonant gold nanorods as near-infrared optical contrast agents investigated using a double-integrating sphere system | |
| JP4357138B2 (en) | Particle measuring method and apparatus | |
| Meglinski et al. | Diffusing wave spectroscopy: application for blood diagnostics | |
| Harvey et al. | Optical coherence tomography velocimetry in controlled shear flow | |
| Matcher | Practical aspects of OCT imaging in tissue engineering | |
| Corral et al. | Tissue characterization with ballistic photons: counting scattering and/or absorption centres. | |
| Lauri et al. | Experimental study of the multiple scattering effect on the flow velocity profiles measured in intralipid phantoms by DOCT | |
| Jacques | Confocal laser scanning microscopy using scattering as the contrast mechanism |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130322 |