Диссертация: Развитие метода электрофоретического рассеяния света для анализа коллоидных систем.

Актуальность 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. Одним из методов для анализа электрокинетических параметров коллоидных систем является электрофоретическое светорассеяние. Основным преимуществом данного метода является неразрушающий характер исследований, позволяющий определять дзета-потенциал и электрофоретическую подвижность в коллоидных системах и их изменение во времени. При этом дзета-потенциал и электрофоретическая подвижность являются важными показателями, позволяющими оценить агрегационную устойчивость коллоидных систем. Однако на данный момент метод электрофоретического рассеяния света имеет ряд недостатков, среди которых низкая точность получаемых результатов, большой объем аналита, требуемый для исследования, длительное время анализа, высокие управляющие напряжения, ограничения по размерам частиц (от 10 нм до 1 мкм), значительное влияния 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 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, водоподготовке (фильтрация, коагуляция), 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.
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 научнопрактическая 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 экологический форум стран Балтийского региона «Ecobaltica» (Санкт-Петербург, 2017 г.); Международная конференция «Laser Optics» (СанктПетербург, 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 информационной 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 № 21-72-00035https://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".
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.
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), в 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).