Диссертация (1137137), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Накоплениестатистки затруднено не только необходимостью обработки большогоколичества изображений, но и длительностью их получения. Помимо этогонеобходимо иметь запас дорогостоящих разнообразных кантилеверов дляэффективного решения разнообразных задач.Пьезобалансный метод основан на заряде аэрозольных частиц в полекоронногоразрядачувствительногосэлемента.последующимРольосаждениемчувствительногонаэлементаповерхностьвыполняеткварцевый кристалл, частота колебания которого пропорциональна массеосаждающихся на нем частиц [42]. Однако данный метод не позволяетизмерять малые концентрации. Данный метод имеет узкий спектр применений,т.к.
позволяет определять только массовую концентрацию, нуждается впостоянной очистке, также этот метод не позволяет измерять частицы меньше100 нм. Погрешность данного метода составляет 30 %.Акустическая спектроскопия (далее — АС) работает в мегагерцовомдиапазоне частот. Принцип ее действия основан на затухании интенсивностипроходящей через исследуемый образец акустической волны. АС относится кэкспресс-методам, позволяющим за несколько минут исследовать образец [45].Чувствительность подобных приборов не позволяет исследовать растворычастиц с диаметром меньше 100 нм. С помощью АС нельзя исследоватьсуспензии с малыми концентрациями, менее 1%. Также существеннымнедостатком метода является то, что он не может измерять бимодальные ивыше распределения.
В настоящее время разработанные приборы АС, как иДРС способны измерять только сферические частицы, и как следствие, непозволяют получать информацию о форме частиц.Всемописаннымметодамсвойственнынедостатки:низкаячувствительность к малым концентрациям наночастиц; за исключением ДРС,они не позволяют измерять несколько пиков в распределении.
Всевероятностные методы работают при условии, что частицы в исследуемом31растворе сферические. Стоит отметить, что сейчас предпринимаются попыткипостроения модели для несферических частиц, однако данная тематикаразработана слабо. Вероятностные методы не могут дать представление оформе частиц, однако позволяют с высокой скоростью производить анализисследуемого образца и не требуют от оператора специальной подготовки.Детерминированные методы требуют трудоемкой подготовки пробы,аппаратуры с большими габаритными размерами. Пьезобалансный методтребует длительной очистки чувствительного элемента, для АСМ необходимапостоянная замена дорогостоящего чувствительного элемента — кантилевера.Также процесс подготовки пробы в ряде случаев является очень сложнойзадачей. Всем детерминированным методам свойственна низкая скоростьсканирования с высоким разрешением, что ведет к длительному временинакопление статистики, однако данные методы дают представление о формечастиц.1.6Анализ детекторов на основе оптических диэлектрическихмикрорезонаторовКрайне важным для оптических датчиков является то, что при полномвнутреннем отражении поле выходит за границу раздела сред, на которойпроисходит отражение, но при этом коэффициент отражения на поверхностиостается равным единице.
Если мы рассмотрим закон Снеллиуса для системысвязи, то при углах, больших полного внутреннего отражения, волновой векторстановится комплексным. В таком случае, у волнового вектора появляетсямнимая часть, которая направлена перпендикулярно поверхности. В такомслучае волна экспоненциально спадает наружу от поверхности, на которойпроисходит отражение. Характерная глубина, на которую проникает поле,определяется по формуле: ≈ 0−1 (0 (1 , 2 ) + 2 (1 , 2 )cos 2 (ϕ)+. .
. ),(2)32где c0 (n1 , n2 ) и c2 (n1 , n2 ) - положительные постоянные коэффициенты,зависящие от показателей преломления;ϕ - угол падения на поверхность.Эффективный набег фазы при отражении по поверхности будет зависетькак от показателя преломления наружной среды, так и от угла, под которым отповерхности отражается волна. Этот эффект также известен как эффект ГусаХенхена.Именновыпадающееполедаетвозможностьдетектироватьсоединения на поверхности раздела.Основнойхарактеристикойоптическихдиэлектрическихмикрорезонаторов является добротность, значение которой, как указывалосьранее, может достигать порядка 1011.
Чувствительность напрямую зависит оттакой важной характеристики детектора, как добротность. Чувствительностьдетектора определяется минимально возможным количеством исследуемоговещества, которое может быть детектировано. Детекторы наночастиц на основеОДМР могут работать как в жидкости, так и в воздушной среде.В настоящий момент известно несколько механизмов, оказывающихвлияние на изменение спектра резонансных мод ОДМР:1) Сдвиг частоты резонанса, вызванный увеличением оптической длиныпути света в резонаторе.2) Расщепление моды, вызванное отражением рассеянного света обратнов резонатор, и образование встречно-бегущей волны.3) Уширение моды, вызванное потерей энергии на рассеяние наоптических неоднородностях.4) Уширение моды, вызванное поглощением во внешней среде.Возможно одновременное проявление нескольких механизмов.Максимальной чувствительностью обладает метод уширения моды [26].Данныйметодпозволяетвыполнитьизмерениеконцентрациичастицразмерами до 10 нм, при условии использования ОДМР с добротностью 10 9.Метод устойчив к колебаниям температур.33Впервые идея создания детектора на основе ОДМР представлена в 2000году в статье [89].
В 2002 году в статье [25]показана возможностьдетектирования бычьего сывороточного альбумина на поверхности ОДМР,предел чувствительности составил 50 а.е.м. В работе использовались ОДМР,изготовленные методом термической обработки с диаметром 300 мкм идобротностью 2×106.Перспективным является использование резонаторов, изготовленныхлитографическим методом. Отличительной особенностьюэтого методаявляется высокая точность и воспроизводимость геометрических размеровОДМР.
В большинстве случаев добротность подобных резонаторов непревышает 104 – 105 [90], за исключением ОДМР, полученных группой K. J.Vahala. Группе под его руководством, единственной в мире, удалось подобратькомбинацию сухого и мокрого травления таким образом, чтобы получитьдобротность 1×108 [91]. Исследователи из этой группы продемонстрировалидетектор с добротностью 107, способный определять наличие тяжелой воды[92].В2014годугруппаподруководствомF.Vollmer,используямикрорезонаторы продемонстрировала детектирование одной макромолекулына поверхности ОДМР.
Резонаторы были изготовлены термическим методом (вкачестве нагревательного элемента выступил CO2 лазер), имели диаметр 80 мкми добротность 1×106. Ученые не контролировали параметры ОДМР, такие как:наличие внутренних неоднородностей, шероховатость и т.п. В статье [93] этаже группа показала возможность детектирования частиц полистирола и вирусовinfluenza в режиме реального времени. В этой статье ОДМР изготавливалисьбез контроля плоскости касательной экватора от осевой линии ножки.Встатье[39]продемонстрированавозможностьдетектированияединичных нанотрубок и определения их геометрических размеров, которыехорошо согласуются с результатами электронной микроскопии.Вработе[94]продемонстрированачувствительностьдетекторануклеиновых кислот 6 пг/мм2.
Стоит отметить, что в работе получено34соотношение сигнал-шум 54. В работе применялись микрорезонаторыдиаметром 200 мкм, изготовленные термическим методом с добротностью5×105.Работа [93] посвящена спектроскопии вирусов и единичных наночастиц врежиме реального времени, показано, что возможно при помощи оптическихдиэлектрическихисследуемоймикрорезонаторовсмеси.Показано,идентифицироватьчтовозможностькомпонентыдетектированиягеликобактерии с концентрацией 104 клеток/мл. Данный метод позволяетзначительно ускоритьсуществующую методику: с 24 часов до 20 минут.Однако в работе используются микрорезонаторы, изготовленные термическимметодом и имеющие значительные отклонения плоскости касательной кэкватору от осевой линии ножки.В вышеописанных работах отсутствует контроль факторов, влияющих нарезультаты измерения параметров наночастиц.
Среди них: воспроизведениедиаметра, наличие внутренних неоднородностей, отклонение плоскостиэкватора от осевой линии ножки ОДМР и максимизация добротности, котораявлияет на предел обнаружения частиц.На данный момент детектирование наночастиц в жидких средах получилоширокое распространение, в отличие от воздушной среды, однако всуществующих работах этой проблеме уделено явно недостаточно внимания.Большинство указанных исследователей для активации поверхностныхсвязей использовали метод поверхностной сборки, который усложняетметодику работы и уменьшает предел детектирования.1.7 Выводы к главе 1Анализ литературы показал, что существующие методы измеренияконцентрации наночастиц испытывают затруднение при детектировании малыхконцентраций наночастиц.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
