Ультрамікроскопія

Відомо, що частинки, розмір яких знаходиться в нанодіапазоні (1 – 100 нм), не можна спостерігати за допомогою оптичної мікроскопії, оскільки цьому перешкоджає явище дифракції випромінювання на частинках, розмір яких менший за довжину хвилі. Явище дифракції полягає в тому, що світлові промені огинають наночастинки і змінюють свій напрямок, розсіюючись у всі сторони.

Інтенсивність світла, розсіяного в результаті дифракції на наночастинках, залежить від кількості та розмірів частинок, а також від довжини хвилі падаючого світла. Ця залежність виражається рівнянням Релея, яке для сферичних частинок, які не поглинають світло, має вид:

,

де І₀ і І_р – інтенсивності падаючого і розсіяного світла; V – об’єм частинки; λ – довжина хвилі падаючого світла; ν – частинкова концентрація (число частинок в 1 м³ золя); n₁ і n₀ – показники заломлення дисперсної фази і дисперсійного середовища.

У рівняння (8.1) входить частинкова концентрація дисперсної фази ν, яка визначається числом частинок в одиниці об’єму. Частинкова концентрація пов’язана з масовою концентрацією дисперсної фази співвідношенням:

С = V∙ρ∙ν,

де С – масова концентрація (маса частинок дисперсної фази в 1 м³ золю); V – об’єм частинки; ν – частикова концентрація (число частинок в 1 м³ золю), ρ – густина дисперсної фази.

З врахуванням (8.2), рівняння Релея набуде вигляду:

Це рівняння використовується для визначення концентрації наночастинок і їх розміру.

Із рівняння Релея слідує, що інтенсивність розсіяного світла обернено пропорційна довжині хвилі падаючого світла: І_р ≈ 1/λ⁴. Відповідно, чим коротша довжина хвилі падаючого світла, тим більше розсіювання.

Явище розсіювання світла використовується для визначення розміру частинок за допомогою ультрамікроскопу. Ультрамікроскопія відрізняється від звичайної світлової мікроскопії способом підведення потоку світла до досліджуваного об’єкту. Об’єкт освітлюється потужним боковим потоком світла на темному фоні. Головною умовою спостереження наночастинок є відсутність поширення падаючого світлового потоку у напрямку розсіяних променів. Спостерігач в даному випадку бачить не самі частинки, а розсіяним ними світловий потік, навіть якщо розмір об’єктів менший за роздільчу здатність використовуваного мікроскопу. Уявний діаметр частинок складається із їх істинного розміру і роздільчої сили мікроскопу.

Метод може бути використаний для підрахунку кількості об’єктів з розмірами частинок до 2-3 нм, а також для визначення лінійних розмірів об’єктів.

Метод підрахунку в даному випадку більш примінимий при дослідженні клітин мікроорганізмів, білкових міцел і мікроструктур, утворених ВМС.

Для того, щоб визначити розмір частинок за допомогою ультрамікроскопу, підраховують середнє число частинок n в певному об’ємі V сильно розбавленого золю (беруть середнє число із сотні підрахунків).

Маса частинок дисперсної фази m у видимому об’ємі V рівна:

m = C∙V,

де m – маса частинок дисперсної фази, кг; С – масова концентрація (маса частинок дисперсної фази в 1 м³ золю), кг/м³, V – видимий в ультрамікроскоп об’єм золю, м³.

Маса однієї частинки m₀, буде рівна:

,

де n – число частинок дисперсної фази, видимих в ультрамікроскоп.

Тоді об’єм однієї частинки дисперсної фази рівний:

,

де ρ – густина частинок дисперсної фази, кг/м³.

Для частинок сферичної форми , для частинок кубічної форми .

Тоді середній радіус однієї частинки сферичної форми буде рівний:

Довжина ребра частинки кубічної форми буде рівна: