«Четыре в одном»: электродинамическая ловушка позволит независимо и неразрушающим способом измерить массу, размер, заряд и плотность одиночных частиц

Ученые предложили подход, с помощью которого можно одновременно определить сразу несколько характеристик любых микрочастиц: размер, массу, заряд и плотность. Для этого тестовые кварцевые микрочастицы поместили в своеобразную электродинамическую «ловушку», в которой они двигались по определенной орбите, параметры которой указали на свойства частицы. Эксперименты показали, что предложенная методика по точности не уступает уже проверенным временем подходам, поэтому ее можно использовать в материаловедении, химии, биологии и медицине для исследования нано- и микроструктур из различных материалов, а также вирусов и бактерий. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Powder Technology.

Специалистам из самых разных отраслей науки — физики, химии, биологии — приходится часто иметь дело с микроскопическими объектами, иногда и отдельными частицами. В силу размера изучать их довольно сложно, поэтому методы, используемые для определения свойств таких микро- и нанообъектов, постоянно совершенствуются.

В более ранней работе ученые из Университета ИТМО (Санкт-Петербург) теоретически описали подход, с помощью которого можно одновременно определить несколько характеристик частицы: массу, размер, заряд и плотность. Авторы предложили использовать для этой цели квадрупольную ловушку. Принцип работы этого устройства заключается в том, что интересующую частицу помещают в переменные электрические поля, «зажимающие» заряженную частицу по всем направлениям движения, фиксируя ее в пространстве. При этом параметры полей подбираются так, чтобы частица удерживалась примерно в одной точке, совершая лишь незначительные колебания. Эту систему можно сравнить с тем, как шарик для настольного тенниса «зависает» на одном месте, если на него с разных сторон направляют несколько потоков воздуха равной силы.

Если же амплитуду электрических полей в разы увеличить, передаваемая частице энергия заставит ее управляемо двигаться в квадрупольной ловушке по ромбовидным орбитам. Математические расчеты показали, что по характеристикам траектории движения частицы можно определить ее физические свойства, например, размер, заряд и массу.

В новой работе авторы экспериментально подтвердили эффективность данного подхода, использовав в качестве объектов исследования 35 кварцевых микрочастиц. Образцы поместили в квадрупольную ловушку, после чего заставили их перемещаться под действием электрического поля.

Чтобы отслеживать местонахождение частицы в квадрупольной ловушке, авторы освещали ее лазерным лучом, рассеяние которого фиксировала высокоскоростная камера. Полученный таким образом видеоматериал позволил ученым покадрово проанализировать положение частиц в каждый момент времени. Эксперимент показал, что орбита вращения частицы по форме напоминала ромб, вершины которого соответствовали четырем точкам, из которых в ловушку подавалось электрическое поле.

По полученным параметрам орбиты ученые рассчитали ряд математических коэффициентов, через которые удалось выразить сразу четыре характеристики частицы: массу, размер, заряд и плотность. Затем, чтобы оценить точность использованного подхода, исследователи сравнили свои результаты с данными, полученными другими методами, широко применяемыми в физике, — микроскопией, спектроскопией, масс-спектрометрией и другими. Оказалось, что погрешность определения массы составила примерно 10%, размера и заряда — 16%, а плотности — 18%. Такая точность измерения сопоставима с возможностями других существующих на сегодняшний день методов.

«Предложенный метод позволяет неразрушающим способом охарактеризовать отдельные микрочастицы, например, входящие в состав различных промышленно важных материалов. Кроме того, этот подход не требует дорогостоящего оборудования, а его точность сопоставима с существующими стандартными экспериментальными методиками. В связи с этим данный подход может использоваться в аналитической химии, материаловедении, биологии и медицине для анализа различных материалов и живых микроскопических объектов. В дальнейшем мы планируем применить полученный подход для определения параметров наночастиц, локализованных в радиочастотных ловушках», — рассказывает основной исполнитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Дмитрий Щербинин, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Международного научно-образовательного центра физики наноструктур Университета ИТМО.

Проект был реализован большой научной командой университета ИТМО, в состав которой входили как научные сотрудники и аспиранты Международного научно-образовательного центра физики наноструктур, так и бакалавры, обучающиеся на программе «Физика наноструктур».