Ловушка для микрочастиц: как одним устройством измерить четыре характеристики

Микрочастицы — объекты размером от долей до нескольких микрометров, которые составляют различные материалы, жидкости, газы, а также живые организмы. Изучение свойств микрочастиц имеет большое значение для физики, химии, биологии, медицины и других областей науки. Однако измерение характеристик таких маленьких объектов представляет собой сложную задачу, которая требует специальных методов и устройств.


Существуют разные способы определения размера, массы, заряда и плотности микрочастиц. Например, для измерения размера можно использовать микроскопию или дифракцию света, для измерения массы — масс-спектрометрию или кантилеверный метод, для измерения плотности — пикнометрию или гидродинамическую хроматографию. Однако эти методы имеют свои недостатки: они требуют сложной калибровки оборудования, работают только с определенными типами частиц (органическими или неорганическими), повреждают частицы в процессе измерения или уничтожают их после измерения.

Ученые из Университета ИТМО предложили новый подход для одновременного определения четырех основных характеристик микрочастиц: размера, массы, заряда и плотности. Для этого они использовали электродинамическую ловушку — устройство, которое создает переменное электрическое поле вокруг заряженной частицы и заставляет ее двигаться по определенной траектории. Анализируя форму этой траектории с помощью лазера и камеры, можно вычислить физические свойства частицы.

Электродинамическая ловушка состоит из четырех электродов, подключенных к переменному напряжению. Когда заряженная частица попадает в ловушку, она начинает колебаться вдоль осей X и Y под воздействием электрического поля. Если амплитуда напряжения достаточно велика, то частица выходит из состояния равновесия и начинает двигаться по ромбовидной орбите. Вершины этого ромба соответствуют точкам, из которых в ловушку подается электрическое поле.

Чтобы отслеживать положение частицы в ловушке, ученые освещали ее лазерным лучом, а высокоскоростная камера фиксировала рассеяние лазерного света. Это позволило исследователям анализировать положение частицы в каждый момент времени. Из полученных данных ученые рассчитали математические коэффициенты, которые позволили определить четыре характеристики частицы: массу, размер, заряд и плотность.


— Дмитрий Щербинин, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Международного научно-образовательного центра физики наноструктур Университета ИТМО.

Ученые проверили свой метод на 35 кварцевых микрочастицах разного размера и заряда. Они сравнили свои результаты с данными, полученными другими широко используемыми методами, такими как микроскопия, спектроскопия, масс-спектрометрия и др., чтобы оценить точность используемого подхода. Оказалось, что погрешность определения массы составила около 10%, а размера и заряда — около 16%, а плотности — около 18%. Такая точность измерений сопоставима с другими существующими на сегодня методами.

Этот метод позволяет измерять характеристики микрочастиц с высокой точностью и скоростью, не уступая другим существующим подходам. Кроме того, он имеет ряд преимуществ: не требует сложной калибровки оборудования, работает с любыми типами частиц (органическими или неорганическими), не повреждает частицы в процессе измерения. Этот метод может быть использован для исследования нано- и микроструктур различных материалов, а также для диагностики вирусов и бактерий.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Powder Technology.