Исследование метрологических характеристик комплекса аппаратуры для измерения параметров наночастиц



Скачать 61.03 Kb.
Дата06.05.2016
Размер61.03 Kb.

Подходы к количественной оценке рисков несанкционированного распространения…

П.А. КРАСОВСКИЙ, О.В. КАРПОВ, Д.М. БАЛАХАНОВ, Е.В. ЛЕСНИКОВ,
Д.Д. ФРОЛОВ, Д.А. ДАНЬКИН

ВНИИ физико-технических и радиотехнических измерений, Менделеево, Московская обл.
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КОМПЛЕКСА АППАРАТУРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ НАНОЧАСТИЦ
Описаны принцип действия и состав аппаратуры комплекса для измерений параметров наночастиц в водных средах. Приведены результаты метрологических исследований комплекса. Показано, что применение мер линейного размера частиц на основе суспензий сферического латекса в диапазоне от 10 до 100 нм практически на порядок повышает точность измерения размера наночастиц в водной среде.
Во ВНИИФТРИ в рамках Федеральной целевой программы «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008–2010 годы» создан метрологический комплекс для измерений параметров наночастиц в природных и технологических средах [1, 2]. Комплекс состоит из двух частей: аппаратуры для измерения параметров наночастиц в газовых средах и аппаратуры для измерения параметров наночастиц в водных (жидкостных) средах. Целью настоящей работы является проведение метрологических исследований комплекса в водных средах и выработка рекомендаций, обеспечивающих согласование результатов измерений параметров наночастиц различными методами.

В состав комплекса (водные среды) входят: анализатор размеров частиц фирмы Malvern типа ZetasizerNano ZS, анализатор размеров частиц фирмы Malvern типа Mastersizer 2000 и интерферометрический анализатор наночастиц [1,2].

Анализатор ZetasizerNano ZS реализует метод динамического рассеяния света [3] и используется для измерения размеров наночастиц в жидкой среде в диапазоне от 1 до 6000 нм. Теория метода использует диффузию броуновских частиц, но не учитывает особенности динамики и характера взаимодействия частицы с жидкостью или другими частицами в коллоидной среде. Поэтому процедура оценки размеров частиц в этих средах зачастую является «ноу-хау» для подавляющего большинства объектов исследования и, как правило, предполагает применение ζ-потенциала для оценки размера диффузионного слоя (гидродинамического радиуса) частицы. Размер диффузионного слоя зависит как от характера взаимодействия частицы с другими частицами в жидкости, так и от параметров самой жидкости: рН, удельной электрической проводимости (концентрации солей), концентраций поверхностно-активных веществ или полимеров и т. д.

Анализатор Mastersizer 2000 реализует метод измерения параметров наночастиц на основе дифракции лазерного излучения [4], который предполагает измерение параметров индикатрисы рассеяния плоской монохроматической электромагнитной волны на ансамбле частиц аэрозоля или взвеси [5]. Метод детально исследован как теоретически, так и экспериментально и хорошо зарекомендовал себя при измерении параметров частиц в микро- и субмикрометровом диапазонах размеров [6]. Его применяют для измерения параметров частиц в водных и газовых средах в диапазоне от 50 до 20 000 нм. Однако в диапазоне размеров частиц менее 100 нм рассеянное излучение становиться трудно регистрируемым, и метод перестает работать.

Интерферометрический анализатор наночастиц в настоящее время находится в стадии исследования. Первые предварительные результаты опубликованы в [1, 2].

Таким образом, основным методом измерения параметров наночастиц в водных средах может служить только метод динамического рассеяния, однако для обеспечения надежности и достоверности измерений необходимо применение мер линейного размера наночастиц [7]. Для этих целей используют суспензии сферического латекса, коммерческий выпуск которого налажен рядом отечественных и зарубежных фирм [8–11].

Для экспериментальных исследований метрологических характеристик комплекса был выбран сферический латекс в диапазоне размеров 180–20 нм с плотностью 1,05 г/см3 и комплексным показателем преломления n = 1,59 + 0,0i трех фирм-производителей: Duke Scientific Co. (21, 40, 100 нм) [8], Invitrogen (60, 80 нм) [9] и BS-Partikel GmbH (182 нм) [10].

Для изучения электрохимических свойств латексных частиц анализатором ZetasizerNano ZS были проведены измерения размера частиц латекса в водных средах с различным рН. Растворы готовили непосредственно в кювете добавлением 1 капли латексной суспензии к 1–1,5 мл деионизованной воды. Такую воду получали из аппарата Millipore Synergy. Измеренная величина pH среды составляла 5,94. Для получения среды с необходимым рН использовали буферные растворы со значениями pH = 1,646, 4,005 и 9,179, а также 10 мМ раствор хлорида натрия, приготовленный разведением 0,9 %-го изотонического раствора. Все растворы были предварительно пропущены через фильтр 0,22 мкм. По результатам исследований был установлен рабочий диапазон pH водной среды (от 4 до 11), где частицы латекса сохраняют свой размер.

Была исследована возможность повышения точности измерений анализатора Zetasizer Nano ZS путем использования метода многоточечной калибровки [12]. Результаты исследований для температуры среды 25 С приведены в таблице.

Результаты исследований возможности повышения точности измерений анализатора

Zetasizer Nano ZS путем использования метода многоточечной калибровки


Номинальный размер частицы, нм

Показание прибора

Измеренное значение

(после калибровки)



Фирма-изготовитель

размер, нм

отклонение от номинала, %

размер, нм

отклонение от номинала, %

20

19,6

2

19,9

0,5

Invitrogen

100

91,3

8,7

99,7

0,3

Invitrogen

305

312,3

2.4

304,1

0,3

BS-Patrikel

522

541,8

3,8

520,5

0,3

Invitrogen

700

703,0

0,4

698,0

0,3

Duke Scientific

1000

1001

0,1

997,2

0,3

Invitrogen

1300

1281

0,1

1296,4

0,3

Invitrogen

Среднее значение

2,5




0,32



Таким образом, метод многоточечной калибровки позволяет обеспечить «равномерность» отклонения результатов измерений от номинальных значений во всем диапазоне, а также повысить точность измерений в диапазоне 20–100 нм.



Исследовательская часть работы выполнена при финансовой поддержке РФФИ, грант № 09-08-13591-офи-ц.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Красовский П. А., Карпов О. В., Балаханов Д. М., Лесников Е. В. // Измерительная техника. 2009.
№ 5. С. 8.

2. Красовский П. А., Карпов О. В., Балаханов Д. М., Лесников Е. В. // Научная сессия МИФИ-2009: Тезисы докладов. Т. 2. М.: МИФИ. 2009. С. 111.

3. ISO 22412:2008. Particle size analysis. Dynamic light scattering (DLS).

4. ISO 13320-1:1999. Particle size analysis. Laser diffraction methods. Pt. 1: General principles.

5. Шифрин К. С., Колмаков И. Б. // Изв. АН ССР. Физика атмосферы и океана. 1967. Т. 3. № 12.
С. 1271.

6. Балаханов М. В., Лесников Е. В. Контроль физических факторов производственной среды, опасных для человека. / Энциклопедия «Экометрия». М.: Изд-во стандартов, 2002. С. 26.

7. Красовский П. А., Карпов О. В., Балаханов Д. М. и др. // Измерительная техника. 2010. № 1. С. 5.

8. Certified Particle Size Standards. Компания Duke Scientific Corporation [Электронный ресурс].
–Режим доступа: www.dukescientific.com

9. Компания Invitrogen [Электронный ресурс]. – Режим доступа: www.invitrogen.com.

10. Компания BS-Partikel GmbH [Электронный ресурс]. – Режим доступа: www.bs-partikel.de.

11. Башкатов Т. В., Жигалин Я. Л. Технология синтетических каучуков. – Л.: Химия, 1989.

12. Baucke F., Naumann R., Alexander-Weber C. // Anal. Chem. 1993. V. 65. P. 3244.




База данных защищена авторским правом ©bezogr.ru 2016
обратиться к администрации

    Главная страница