Ученые предложили подход, с помощью которого можно одновременно определить сразу несколько характеристик любых микрочастиц: размер, массу, заряд и плотность. Для этого тестовые кварцевые микрочастицы поместили в своеобразную электродинамическую «ловушку», где они двигались по определенной орбите, параметры которой указали на свойства частицы. Эксперименты показали, что предложенная методика по точности не уступает уже проверенным временем подходам, поэтому ее можно использовать в материаловедении, химии, биологии и медицине для исследования нано- и микроструктур из различных материалов, а также вирусов и бактерий. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Powder Technology.
Специалистам из самых разных отраслей науки — физики, химии, биологии — приходится часто иметь дело с микроскопическими объектами, иногда и отдельными частицами. В силу размера изучать их довольно сложно, поэтому методы, используемые для определения свойств таких микро- и нанообъектов, постоянно совершенствуются.
В более ранней работе ученые из Университета ИТМО (Санкт-Петербург) теоретически описали подход, с помощью которого можно одновременно определить несколько характеристик частицы: массу, размер, заряд и плотность. Авторы предложили использовать для этой цели квадрупольную ловушку. Принцип работы этого устройства заключается в том, что интересующую частицу помещают в переменные электрические поля, «зажимающие» заряженную частицу по всем направлениям движения, фиксируя ее в пространстве. При этом параметры полей подбираются так, чтобы частица удерживалась примерно в одной точке, совершая лишь незначительные колебания. Эту систему можно сравнить с тем, как шарик для настольного тенниса «зависает» на одном месте, если на него с разных сторон направляют несколько потоков воздуха равной силы.
Если же амплитуду электрических полей в разы увеличить, передаваемая частице энергия заставит ее управляемо двигаться в квадрупольной ловушке по ромбовидным орбитам. Математические расчеты показали, что по характеристикам траектории движения частицы можно определить ее физические свойства, например размер, заряд и массу.
В новой работе авторы экспериментально подтвердили эффективность данного подхода, использовав в качестве объектов исследования 35 кварцевых микрочастиц. Образцы поместили в квадрупольную ловушку, после чего заставили их перемещаться под действием электрического поля.
Чтобы отслеживать местонахождение частицы в квадрупольной ловушке, авторы освещали ее лазерным лучом, рассеяние которого фиксировала высокоскоростная камера. Полученный таким образом видеоматериал позволил ученым покадрово проанализировать положение частиц в каждый момент времени. Эксперимент показал, что орбита вращения частицы по форме напоминала ромб, вершины которого соответствовали четырем точкам, из которых в ловушку подавалось электрическое поле.
По полученным параметрам орбиты ученые рассчитали ряд математических коэффициентов, через которые удалось выразить сразу четыре характеристики частицы: массу, размер, заряд и плотность. Затем, чтобы оценить точность использованного подхода, исследователи сравнили свои результаты с данными, полученными другими методами, широко применяемыми в физике, — микроскопией, спектроскопией, масс-спектрометрией и другими. Оказалось, что погрешность определения массы составила примерно 10%, размера и заряда — 16%, а плотности — 18%. Такая точность измерения сопоставима с возможностями других существующих на сегодняшний день методов.
«Предложенный метод позволяет неразрушающим способом охарактеризовать отдельные микрочастицы, например входящие в состав различных промышленно важных материалов. Кроме того, этот подход не требует дорогостоящего оборудования, а его точность сопоставима с существующими стандартными экспериментальными методиками. В связи с этим наш подход может использоваться в аналитической химии, материаловедении, биологии и медицине для анализа различных материалов и живых микроскопических объектов. В дальнейшем мы планируем применить полученный подход для определения параметров наночастиц, локализованных в радиочастотных ловушках», — рассказывает основной исполнитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Дмитрий Щербинин, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Международного научно-образовательного центра физики наноструктур Университета ИТМО.
Проект был реализован большой научной командой университета ИТМО, в состав которой входили как научные сотрудники и аспиранты Международного научно-образовательного центра физики наноструктур, так и бакалавры, обучающиеся на программе «Физика наноструктур».
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
