Анализатор размеров и концентрации наночастиц Photocor Nanotrack

Photocor Nanotrack — прибор для анализа размеров и концентрации наночастиц

Photocor Nanotrack представляет собой специализированный аналитический комплекс, предназначенный для одновременного определения геометрических размеров и числовой концентрации наноразмерных и субмикронных объектов в жидких средах. Уникальность данного прибора заключается в использовании метода анализа траекторий движения отдельных наночастиц в режиме реального времени. В отличие от ансамблевых методов, усредняющих сигнал по всему объёму образца, данный подход обеспечивает индивидуальную характеризацию каждой видимой частицы, что позволяет получать высокоразрешённые распределения по размерам и прямые данные о концентрации без привлечения калибровочных стандартов.

В конструкции Photocor Nanotrack реализована оригинальная оптическая схема, позволяющая использовать стандартные оптические кюветы вместо специализированных проточных ячеек. Это решение существенно упрощает процедуру пробоподготовки, снижает расход реагентов и делает процесс измерения более доступным для рутинной лабораторной практики. Прибор оснащён высокочувствительной охлаждаемой CMOS-камерой и прецизионным термоэлектрическим термостатом, обеспечивающим стабильность условий эксперимента.

Принцип метода анализа траекторий наночастиц

Метод, лежащий в основе работы Photocor Nanotrack, базируется на прямой оптической визуализации броуновского движения индивидуальных частиц, взвешенных в жидкости. Лазерный луч формирует тонкий световой лист в объёме образца, подсвечивая находящиеся в нём наночастицы. Рассеянный каждой отдельной частицей свет регистрируется высокочувствительной камерой, которая записывает видеопоследовательность с высокой частотой кадров.

Специализированное программное обеспечение анализирует каждый кадр видеозаписи, идентифицируя положение центра рассеяния для каждой видимой частицы. Путём сопоставления координат центров в последовательных кадрах алгоритм реконструирует двумерные траектории броуновского блуждания тысяч отдельных объектов. Из статистики смещений частиц за фиксированные временные интервалы вычисляется среднеквадратичное смещение, которое напрямую связано с коэффициентом трансляционной диффузии.

Гидродинамический диаметр каждой частицы рассчитывается индивидуально по уравнению Стокса-Эйнштейна:

Dh = kb × T / (3πη × MSD / Δt)

где Dh — гидродинамический диаметр, kb — постоянная Больцмана, T — абсолютная температура, η — вязкость среды, MSD — среднеквадратичное смещение, Δt — временной интервал между кадрами. Поскольку расчёт выполняется для каждой траектории отдельно, результирующее распределение по размерам строится на основе статистики десятков тысяч индивидуальных измерений, что обеспечивает высокое разрешение полидисперсных систем.

Определение числовой концентрации частиц

Ключевым преимуществом метода трекинга перед методами динамического рассеяния света является способность прямого определения числовой концентрации наночастиц. Зная точный объём наблюдаемой области (определяемый геометрией лазерного листа и полем зрения камеры) и подсчитывая количество отслеженных частиц в этом объёме, прибор вычисляет абсолютную концентрацию объектов в единице объёма жидкости.

Данная информация критически важна для множества прикладных задач, где недостаточно знания только среднего размера:

• стандартизация дозировок нанопрепаратов и вакцин
• контроль выхода синтеза наночастиц
• оценка эффективности фильтрации и очистки
• исследование кинетики агрегации и нуклеации
• количественный анализ экзосом и внеклеточных везикул в биожидкостях\

Преимущества индивидуального анализа траекторий

Метод анализа траекторий, реализованный в Photocor Nanotrack, обладает рядом принципиальных преимуществ по сравнению с традиционными ансамблевыми техниками:

• Высокое разрешение полидисперсных систем: возможность различать близкие по размеру фракции, которые сливаются в единый пик при усреднении сигнала
• Прямое определение числовой концентрации без необходимости калибровки по эталонам известной концентрации
• Наглядная визуализация процесса: исследователь наблюдает реальное движение частиц, что позволяет оперативно оценивать качество образца, наличие агломератов или загрязнений
• Независимость результатов от интенсивности рассеяния: в отличие от DLS, где вклад крупных частиц непропорционально велик из-за зависимости интенсивности от шестой степени диаметра, метод трекинга даёт распределение, взвешенное по числу частиц
• Возможность селекции данных: программное обеспечение позволяет исключать из анализа артефакты, неподвижные объекты или траектории недостаточной длины

Технические характеристики анализатора

• Диапазон измерения размеров частиц: от 10 нм до 1 мкм
• Диапазон измерения числовой концентрации: от 10⁶ до 10⁹ частиц в миллилитре
• Требуемый объём образца: 4 мл
• Фотоприёмник: высокочувствительная CMOS-камера с активным охлаждением матрицы для снижения теплового шума и повышения отношения сигнал/шум
• Система термостатирования: термоэлектрический модуль Пельтье, рабочий диапазон от 5 °С до 80 °С, погрешность поддержания температуры 0,1 °С
• Габаритные размеры: 400 × 200 × 200 мм
• Масса прибора: 9 кг

Охлаждаемая CMOS-камера как ключевой элемент детектирования

Регистрация света, рассеянного наноразмерными объектами диаметром от 10 нм, предъявляет экстремальные требования к чувствительности фотоприёмника. В Photocor Nanotrack используется специализированная CMOS-камера с системой активного охлаждения матрицы. Охлаждение сенсора существенно снижает уровень темнового тока и теплового шума, что критически важно для надёжной идентификации слабых сигналов от мельчайших наночастиц на границе нижнего предела обнаружения.

Высокая квантовая эффективность современных охлаждаемых CMOS-сенсоров в сочетании с низким уровнем шума считывания обеспечивает регистрацию отдельных фотонов, рассеянных наночастицами размером 10–20 нм, что было бы невозможно при использовании неохлаждаемых камер или детекторов предыдущих поколений.

Использование стандартных оптических кювет

Оригинальная оптическая схема Photocor Nanotrack спроектирована таким образом, чтобы обеспечить совместимость со стандартными оптическими кюветами, широко применяемыми в спектроскопических и коллоидно-химических исследованиях. Это техническое решение устраняет необходимость приобретения дорогостоящих специализированных проточных ячеек и сложных систем подачи образца.

Практические преимущества использования стандартных кювет включают:

• снижение стоимости единичного анализа за счёт применения общедоступных расходных материалов
• упрощение процедуры пробоподготовки и мойки кювет
• возможность использования уже имеющегося парка кювет в лаборатории
• лёгкость замены образца и минимизация перекрёстного загрязнения
• совместимость с автоматизированными системами пробоподготовки

Прецизионное термостатирование образца

Точность определения гидродинамического диаметра методом трекинга напрямую зависит от стабильности температуры образца, поскольку коэффициент диффузии линейно связан с абсолютной температурой через уравнение Стокса-Эйнштейна. Встроенный термоэлектрический модуль Photocor Nanotrack поддерживает температуру в диапазоне от 5 °С до 80 °С с погрешностью не более 0,1 °С.

Широкий температурный диапазон открывает возможности для проведения разнообразных исследований:

• температурные зависимости размеров и концентрации наночастиц
• изучение фазовых переходов в полимерных и липидных наносистемах
• термостабильность белковых наночастиц и вирусных векторов
• кинетика термоиндуцированной агрегации
• работа с термочувствительными биологическими образцами при пониженных температурах

Области применения анализатора Photocor Nanotrack

1. Наномедицина и фармакология — характеризация липосом, полимерных наночастиц, мицелл, дендримеров; определение концентрации терапевтических наноносителей
2. Биология и диагностика — анализ экзосом, внеклеточных везикул, вирусов и вирусноподобных частиц; количественная оценка биомаркеров в жидких биопсиях
3. Нанотехнологии — контроль синтеза металлических, оксидных и углеродных наночастиц; мониторинг стабильности нанодисперсий
4. Вакцинология — подсчёт и sizing вирусных векторов, адъювантных наночастиц и липидных нанокомплексов для мРНК-вакцин
5. Наука об окружающей среде — анализ микро- и нанопластика в водных средах; характеризация природных коллоидов
6. Пищевая промышленность — исследование наноструктур в молочных продуктах, эмульсиях, функциональных пищевых ингредиентах
7. Материаловедение — оценка дисперсности керамических суспензий, чернил для 3D-печати, покрытий
8. Фундаментальная коллоидная химия — изучение механизмов нуклеации, роста и агрегации наночастиц в реальном времени

Соответствие международным стандартам и национальным нормативным документам

Методология анализа траекторий наночастиц, реализуемая в Photocor Nanotrack, развивается в рамках следующих международных и национальных нормативных документов:

• ISO 19430:2016 «Nanotechnologies — Particle size analysis of nanomaterials in liquid media by nanoparticle tracking analysis» — профильный международный стандарт, устанавливающий методику определения размеров наночастиц в жидких средах методом трекинга
• ISO 22412:2017 «Particle size analysis — Dynamic light scattering (DLS)» — смежный стандарт для верификации результатов альтернативным методом
• ISO 13321:1996 «Particle size analysis — Photon correlation spectroscopy» — базовый стандарт фотонной корреляционной спектроскопии
• ISO 9276-1:1998 «Representation of results of particle size analysis — Part 1: Graphical representation» — правила представления гранулометрических данных
• ISO 9276-2:2001 «Representation of results of particle size analysis — Part 2: Calculation of average particle sizes/diameters and moments from particle size distributions»
• ISO/TS 80004-1:2015 «Nanotechnologies — Vocabulary — Part 1: Core terms» — терминологическая база в области нанотехнологий
• ГОСТ Р ИСО 19430-2018 «Нанотехнологии. Анализ размеров частиц наноматериалов в жидких средах методом трекинга наночастиц» — российский национальный стандарт, гармонизированный с ISO 19430
• ГОСТ Р ИСО 22412-2021 «Анализ дисперсного состава. Динамическое светорассеяние» — стандарт для комплементарных измерений
• ГОСТ Р 57269-2016 «Нанотехнологии. Измерение размеров наночастиц методом динамического светорассеяния»
• ГОСТ Р 8.775-2011 «ГСИ. Дисперсный состав нанопорошков. Методики определения»
• ГОСТ Р 55577-2013 «Информация об энергетической эффективности. Методы определения» (смежные требования)
• СТБ ISO 19430-2019 «Нанатэхналогіі. Аналіз памераў часціц нанаматэрыялаў у вадкіх асяроддзях метадам трэкінгу наначасціц» — государственный стандарт Республики Беларусь
• СТБ ISO 22412-2020 «Аналіз дысперснага складу. Дынамічнае рассейванне святла» — белорусский стандарт для верификационных измерений
• СТБ 2245-2012 «Нанатэхналогіі. Тэрміны і азначэнні» — терминологический стандарт Республики Беларусь

Соответствие перечисленным стандартам обеспечивает методологическую корректность проводимых измерений и признание результатов на национальном и международном уровне.

Рекомендации по подготовке образцов для анализа

Качество результатов, получаемых методом трекинга наночастиц, существенно зависит от правильной подготовки исследуемого образца:

• Концентрация частиц должна находиться в оптимальном рабочем диапазоне прибора; при чрезмерно высокой концентрации траектории перекрываются и не могут быть корректно разрешены, при слишком низкой — время накопления статистики становится неприемлемо длительным
• Образец должен быть свободен от крупных пылевых включений, которые могут быть ошибочно идентифицированы как наночастицы; рекомендуется предварительная фильтрация растворителя через мембрану 0,02 мкм
• Для биологических образцов может потребоваться разбавление буферным раствором для достижения оптимальной концентрации и снижения фонового рассеяния
• Кювета должна быть тщательно очищена; использование ультразвуковой мойки и ополаскивание фильтрованным растворителем являются обязательными процедурами
• Перед началом записи видеопоследовательности образец следует термостатировать до достижения равновесной температуры
• Параметры записи (частота кадров, время экспозиции, усиление камеры) должны быть подобраны в соответствии с ожидаемым размером и яркостью рассеяния исследуемых частиц

Программное обеспечение и обработка данных

Программное обеспечение Photocor Nanotrack выполняет полный цикл обработки данных: от управления параметрами съёмки и захвата видеопоследовательностей до реконструкции траекторий, вычисления коэффициентов диффузии и построения распределений по размерам и концентрациям. Пользователь имеет возможность визуального контроля качества трекинга в реальном времени, ручной корректировки параметров идентификации частиц и фильтрации артефактов.

Результаты представляются в виде гистограмм распределения по размерам (взвешенных по числу частиц), графиков зависимости концентрации от размера, табличных данных со статистическими параметрами (средний диаметр, медиана, мода, стандартное отклонение, общая концентрация). Данные могут быть экспортированы в стандартные форматы для дальнейшей обработки и интеграции в лабораторные информационные системы.

Анализатор Photocor Nanotrack занимает уникальную нишу среди инструментов характеризации наночастиц, предоставляя возможность одновременного определения размеров и числовой концентрации методом прямой визуализации броуновского движения. Диапазон измерений от 10 нм до 1 мкм, охват концентраций от 10⁶ до 10⁹ частиц/мл, использование стандартных кювет, охлаждаемая CMOS-камера и прецизионное термостатирование делают прибор универсальным решением для нанотехнологических, биомедицинских и материаловедческих исследований. Соответствие методологии международному стандарту ISO 19430 и гармонизированным национальным ГОСТам Российской Федерации и Республики Беларусь подтверждает научную обоснованность и нормативную приемлемость получаемых результатов.