MaltsevSciD

	140
единицы				эксперимент
	120			МНК функция
					Размер, m		Пок. преломления
	100		FLSI		3.07		1.596
.			МНК метод		3.025±0.005		1.5968±0.0018
, отн
	80
рассеяния
	60
Интенсивность	40
	20
	0	20	25	30	35	40	45	50	55	60
	15
				Угол рассеяния, градусы

Рис. 4.1. Типичная индикатриса полистирольной частицы, измеренная на сканирующем проточном цитометре.

141

Так как сертифицированные латексные частицы – это самый точный калибровочный материал для анализаторов частиц, сканирующий проточный цитометр интенсивно использовался на всех этапах для измерения светорассеивающих свойств латексных частиц. Эти измерения сравнивались с расчетами, выполненными по теории Ми для гомогенных сферических частиц [75, 76]. При этом размер и показатель преломления можно определить в реальном времени с помощью параметрического решения обратной задачи светорассеяния, FLSI метод [100, 96], раздел 3.3.5.1.

В настоящее время созданный нами сканирующий проточный цитометр позволяет измерять индикатрису одиночных частиц в полярных углах от 5 до 100 градусов со скоростью до 600 частиц в секунду. Используя сканирующий проточный цитометр, были проанализированы микрочастицы от компании

Duke Scientific (Carboxylated Polystyrene Uniform Latex Microspheres, Duke Scientific, Cat. No C300A). Типичная индикатриса микрочастицы показана на Рис. 4.1 в интервале углов от 15 до 60 градусов. Размер и показатель преломления частиц был определен с помощью FLSI метода, который, как было сказано выше, не требует калибровки цитометра. Средняя точность определения размера и показателя преломления ровна 50 нм для области размеров от 0.5 мкм до 15 мкм (Табл. 3.2). Для определения распределения частиц по размерам были измерены индикатрисы 180 частиц, после чего использовался FLSI метод. Полученное распределение по размерам показано на Рис. 4.2. Распределение по размеру для данных частиц хорошо совпало с паспортными данными, представленными фирмой-поставщиком: средний размер – 3.06 мкм, ширина распределения 0.18 мкм. Кроме того, FLSI метод позволяет построить карту распределения по размеру и показателю преломления анализируемых частиц. Данная карта показана на Рис. 4.3 a), где каждая точка соответствует определенной частице.

142

	25	dav		3.033	±0.002 m
		∆	d	0.103	±0.004 m
	20
отсчетов	15
Частота	10
	5
	0		2.6		2.8	3.0	3.2	3.4
					Размер частицы, m

	50	nav		1.5992 ±0.0002
		∆	n	0.0115 ±0.0004
	40
отсчетов	30
Частота	20
	10
	0	1.52		1.54	1.56	1.58	1.60	1.62	1.64	1.66
					Показатель преломления

Рис. 4.2. Функции распределения по размерам (слева) и показателю преломления (справа) полистирольных частиц измеренные с помощью метода пролетной индикатрисы.

143

1.64

	преломления	1.62
	Показатель	1.60
		1.58
		1.56
		1.64
	преломления
		1.62
		1.60
	Показатель
		1.58
		1.56

a)

b)

2.0

2.2

2.4

2.6

2.8

3.0

3.2

3.4

3.6

3.8

4.0

Размер частицы, m

Рис. 4.3. Карты распределения размера и показателя преломления для латексных частиц, полученные с использованием FLSI метода a) и МНК b).

144

С другой стороны, размер и показатель преломления одиночной частицы может быть определен из индикатрисы с использованием метода наименьших квадратов. При этом экспериментальная индикатриса подгоняется к рассчитанной по теории Ми. Точность определения размера с помощью этого метода достигает несколько нанометров. Результат использования МНК при обработке экспериментальной индикатрисы представлен на Рис. 4.1. Обнаружилось хорошее согласие между МНК и FLSI методом. Очевидно, что МНК метод не требует калибровки цитометра для определения параметров частицы. Однако, МНК требует значительного времени для обработки одной индикатрисы и, поэтому, данные измерений должны записываться в файл. Обработка одной индикатрисы занимает примерно несколько минут. В результате карта распределения по размеру и показателю преломления может быть тоже построена с помощью МНК. Карта показана на Рис. 4.3. b).

Таким образом использование сканирующего проточного цитометра и FLSI метода позволяет сертифицировать полимерные частицы по двум распределениям: распределению по размеру и показателю преломления. Второе распределение не возможно измерить другими методами. При этом точность определения размера одиночной полимерной частицы достигает точности, получаемой с помощью электронного микроскопа.

4.2. Исследование кинетики полимеризации с помощью сканирующего проточного цитометра

145

Частота счета частиц

Частота счета частиц

Частота счета частиц

Частота счета частиц

300
250
																													t1 = 30 мин
200																													dm = 1.24 m
150
100
50
0
150
																														t2 = 90 мин
																														dm = 1.83 m
100
50
250
200
																														t2 = 150 мин
150																														dm = 2.38					m
100
50
250
200
																																		t2 = 450 мин
150																																		dm = 2.64				m
100
50
0
0		1			2										3											4									5			6

Размер, m

Рис. 4.4. Распределения по размерам полистирольных частиц, определенные FLSI методом в различные моменты времени дисперсионной полимеризации.

146

Сканирующая проточная цитометрия была успешно использована при исследовании дисперсионной радикальной полимеризации. В результате была разработана математическая модель полимеризации, которая позволяла вычислять суммарный объем частиц в ходе полимеризации [110]. В каждый фиксированный момент времени хода реакции было измерено 1000 частиц, чтобы определить распределение по размерам и вычислить суммарный объем частиц. Суммарный объем определялся с помощью FLSI метода в каждой временной точке. Распределения по размерам для четырех значений времени реакции полимеризации показаны на Рис. 4.4. Затем вычислялся суммарный объем частиц для каждой временной точки и полученная временная зависимость обрабатывалась с помощью МНК и разработанной математической модели. В результате были определены важные кинетические параметры дисперсионной полимеризации, а также определен впервые введенный параметр критической длины цепи полимера.

В отличие от электронного микроскопа, сканирующий проточный цитометр позволяет измерять одиночные латексные частицы в их естественном немодифицированном состоянии в растворе. При этом достигается высокая скорость обработки данных (до 1000 частиц в секунду). Кроме того, измерение светорассеяния в сканирующем проточном цитометре позволяет получать более детальную информацию, определяя не только размер и форму, но также плотность и параметры структуры латексной частицы. Использование сканирующей проточной цитометрии существенно упростило инструментальный контроль протекания полимеризации по сравнению с используемой ранее электронной микроскопией. В дальнейшем введенный параметр критической длины цепи эффективно регулировался, используя различные растворители в среде полимеризации полимера [111].

4.3. Идентификация частиц по сигналу светорассеяния сканирующего проточного цитометра

Традиционно идентификация частиц по светорассеянию в проточной цитометрии проводится с помощью проточного цитометра стандартной конфигурации [73, 17, 112, 113, 114]. Введя поляризационные измерения

147

рассеянного излучения, de Grooth с соавторами увеличил возможности в идентификации частиц [115]. В данном разделе сканирующий проточный цитометр будет использоваться для измерения индикатрис светорассеяния от различных типов частиц. Тем самым демонстрируются новые возможности в идентификации одиночных частиц по светорассеянию. Выше мы уже показали соответствие измеренных индикатрис полимерных частиц и индикатрис, рассчитанных по теории Ми (Разделы 2.3.1 и 4.1).

Мы измерили индикатрисы спор, так как они имеют форму сферы и сохраняют устойчивую форму длительное время. Индикатрисы спор Penicillium levitum и Aspergillus pseudoglaucus, а также жирового шарика молока приведены на Рис. 4.5. Используя FLSI метод, было определено распределение по размерам измеренных частиц. Распределение по размерам спор Penicillium levitum построено по 398 измеренным индикатрисам (Рис. 4.6). Аппроксимация распределения гауссовым дало следующие значения: средний размер = 4.80± 0.16 мкм (95% доверительный интервал) и стандартное отклонение 1.58 мкм.

Было построено распределение по размерам для спор Aspergillus pseudoglaucus по 1097 измеренным индикатрисам (Рис. 4.6). Для данных спор параметры гауссового распределения были следующими: средний размер - 6.68± 0.09 мкм и стандартное отклонение 1.44 мкм. Полученные значения распределений для спор дали хорошее согласие с литературными данными. Так размер Penicillium levitum варьируется в пределах от 4 мкм до 6 мкм [116], а

размер Aspergillus pseudoglaucus от 5.5 мкм до 7.5 мкм [117].

148

	35
	30						Penicillium levitum
	25
	20
единицы	15										a)
	10
	5
	0	16	18	20	22		24	26	28	30	32
отн.	30				Aspergillus pseudoglaucus
рассеяния,	25
	20
	15									b)
	10
	5
Интенсивность	0	16	18		20		22	24		26	28
	14
	12				частица молочного жира
	10
	8
	6									c)
	4
	2
	0	16	18	20	22	24	26	28	30	32	34
	14
					Θ (градусы)
Рис. 4.5. Типичные индикатрисы спор и частицы молочного жира.

149

	50
	45							Penicillium levitum
	40
	35
отсчетов	30
	25
Частота	20
	15
	10
	5
	0	2.5	3.0	3.5	4.0	4.5	5.0	5.5	6.0	6.5	7.0	7.5
	2.0
						Размер, мкм
	90

	80																								Aspergillus pseudoglaucus
	70
отсчетов	60
	50
Частота	40
	30
	20
	10
	0
						4.5		5.0					5.5			6.0				6.5				7.0		7.5	8.0	8.5			9.0	9.5		10.0
	4.0

Размер, мкм

Рис. 4.6. Распределение по размерам спор Penicillium levitum и Aspergillus pseudoglaucus.

150