ИСТИНА

Роль дисперсных систем с дисперсной фазой нанометрового масштаба (наносистем) и их число в настоящее время неуклонно возрастают, поэтому требуется всестороннее исследование их физических, физикохимических и химических свойств. Для этого привлекаются разнообразные современные методы исследования, в частности, спектральные. Дисперсные системы с жидкой дисперсионной средой представляют собой одни из наиболее трудных объектов исследований. Ряд актуальных задач можно сформулировать следующим образом. Во-первых, часто требуется исследовать растворы с низкой концентрацией наночастиц, поэтому необходимо высокая чувствительность методов. Во-вторых, проблема определения размеров частиц и их агрегатов в растворах в полной мере не решена до сих пор, так как существующие методы имеют ряд существенных недостатков. В-третьих, определение физико-химических характеристик, таких как коэффициент температуропроводности, теплопроводности и теплоемкость в дисперсных средах представляет собой достаточно сложную задачу, для решения которой привлекаются различные инструментальные методы исследования и анализа. Данные характеристики важны для глубокого понимания свойств наносистем, как природных, так и искусственных, а также их практического применения Цель работы состояла в оценке размеров наночастиц и определении физико-химических параметров и количественных характеристик в их растворах. В этой работе использована фототермическая спектроскопия как группа современных, наиболее чувствительных методов молекулярной абсорбционной спектроскопии [1], в последнее время все шире используемая в фотонике. Фототермическая спектроскопия основана на регистрации изменений показателя преломления, вызванных поглощением электромагнитного излучения. Фототермичекая спектроскопия дополняет традиционные методы, поскольку в фотометрии и ИК-спектроскопии измеряют пропускание электромагнитного излучения, а в основе фототермической спектроскопии лежат безызлучательные переходы возбужденных молекул, вызванные поглощенной частью излучения, проходящего через образец. Тепловая релаксация поглощенной энергии приводит к нагреву образца и образованию неравномерного пространственного профиля показателя преломления. Увеличивая мощность облучающего луча, можно добиться такой же высокой чувствительности, как при люминесцентном анализе, но для нефлуоресцирующих молекул и частиц. Фототермическая спектроскопия позволяет измерять оптические плотности в жидкостях до 10–9–10–6 ед. оптической плотности (что соответствует концентрациям до 10–11 М), анализировать объемы до 10–12 л и детектировать считанное число молекул. Кроме того, поскольку в основе методов лежит тепловая релаксация, она может быть использована для оценки физических и физико-химических параметров систем, а использование характеристических времен релаксации позволяет провести оценку среднего размера частиц в дисперсии. С точки зрения практической значимости наносистем, мы остановились на углеродных наноматериалах. Уникальные свойства углеродных наноматериалов (фуллеренов, наноалмазов, нанотрубок) находят разнообразное применение в различных областях науки и техники — при создании композиционных материалов, катализаторов, электронных приборов и т.д. Особое место занимают биомедицинские задачи. Эти соединения активно используют в качестве контрастных агентов [2], антибиотиков [3, 4], перспективно их использование в лечении ВИЧ [5–7], рака [8–11], в качестве антиоксидантов [12–14]. Область медицинского применения наноалмазов еще шире, чем фуллеренов [15]. Так как биологические свойства коллоидных растворов зависят от размеров агрегатов [16], возникает необходимость контроля этого параметра. Применяемые для этой цели методы динамического светорассеяния (ДСР) и малоуглового рассеяния нейтронов (МУРН) имеют ряд недостатков, таких как сложность обработки данных, рассеяние на больших частицах, высокая стоимость оборудования (особенно в случае МУРН). В работе исследовали дисперсные системы фуллерена C60, детонационных наноалмазов, золотых, серебряных, полимерных, магнитных наночастиц в воде и органических растворителях. Исходя из вышесказанного, углеродные наноматериалы взяты как основной объект исследования, остальные системы являлись модельными. Результаты, полученные при помощи фототермической спектроскопии дополнялись данными спектрофотометрии, ИК-спектроскопии, динамического светорассеяния, оптической микроскопии и др. В результате выполненных исследований создан фототермический спектрометр, работающий на принципе термолинзы (тепловой линзы), позволяющий измерять оптически плотности до 5×10–7 единиц оптической плотности, имеющий линейный динамический диапазоне не менее четырех порядков и обеспечивающий пределы обнаружения веществ различных классов на уровне 10–9 – 10–8 моль/л. Разработан пакет программного обеспечения, позволяющий управлять спектрометром, регистрировать стационарные и времяразрешенные сигналы и проводить их математическую обработку. Исследованы следующие дисперсные системы: фуллерен C60 в воде, бензоле, гексане, N-метил-2-пирролидоне (NMP); золотые, серебряные, полимерные, магнитные наночастицы и наноалмазы в воде. Для всех исследуемых систем получены градуировочные зависимости и определены пределы обнаружения, составляющие 100–1000 частиц/мл. Времяразрешенные эксперименты позволили оценить размер частиц и их агрегатов, а также определить коэффициенты температуропроводности растворов. В частности, определены размеры агрегатов фуллеренов в NMP и наноалмазов в воде в зависимости от времени жизни раствора. Изучено влияние свойств растворителей на стационарный и времяразрешенный сигнал и чувствительность экспериментов в таких системах.