Новая формула повышает точность измерения концентрации частиц в различных образцах

Исследователи могут использовать метрику под названием концентрация числа частиц (PNC) для расчета количества частиц в образце, например, количества шариков в банке. Автор: S. Kelley/Inform Studio

Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) разработали новую математическую формулу для расчета концентрации частиц, взвешенных в растворе. Этот новый подход, который дает более точные результаты по сравнению с текущими методами, может использоваться для доставки правильной дозировки лекарств пациентам, измерения количества нанопластика в морской воде и обеспечения правильного уровня добавок в пищевых продуктах, среди других применений.

Исследователи опубликовали свои выводы в журнале Analytical Chemistry.

«Эта новая формула имеет потенциал помочь продвижению приложений нанотехнологий, таких как упаковка и сохранение пищевых продуктов, а также изготовление микрочипов и электронных устройств», — сказал инженер NIST Элайджа Петерсен, который помог тестировать новую формулу. «Она улучшает текущие методы, исправляя распространенное смещение, которое предполагает, что частицы имеют одинаковый размер».

Концентрация числа частиц измеряет, сколько частиц присутствует в заданном объеме газа или жидкости. Обычно она выражается в частицах на кубический сантиметр.

Один из способов найти концентрацию частиц, взвешенных в растворе, — использовать две переменные: общую массу частиц в растворе и их размер. Однако размер частиц может варьироваться. Это называется их распределением по размерам.

Текущие математические подходы хорошо работают, когда частицы почти одинакового размера. Однако они могут давать неточные результаты, когда частицы значительно различаются по размеру.

Новая формула, выведенная бывшим исследователем NIST Наталией Фаркас, учитывает вариацию размера частиц для получения более точного результата.

Для тестирования новой формулы исследователи применили ее к образцам золотых наночастиц в воде. Ученые NIST ранее охарактеризовали эти образцы с использованием нескольких лабораторных методов, предоставив высокоточные измерения их фактической концентрации числа частиц. Результаты показали, что в то время как предыдущие формулы завышали концентрацию числа частиц примерно на 6%, новая формула была точна в пределах 1% от непосредственно измеренного значения.

Затем исследователи применили новую формулу к более практическому примеру: антислеживающему агенту, используемому в производстве продуктов питания. В отличие от золотых наночастиц, которые имеют относительно узкое распределение по размерам, частицы в этом материале сильно различались по размеру. В этом случае оценки по новой и старой формулам отличались на целых 36%.

«Существуют разные способы расчета концентрации числа частиц», — сказал Петерсен. «Выбор правильной формулы может иметь большое значение».

Больше информации: Natalia Farkas et al, Derivation of Particle Number Concentration from the Size Distribution: Theory and Applications, Analytical Chemistry (2025). DOI: 10.1021/acs.analchem.4c05990

Источник: National Institute of Standards and Technology

Интересный факт: Национальный институт стандартов и технологий (NIST) — это американское федеральное агентство, основанное в 1901 году, которое занимается разработкой стандартов и технологий для улучшения промышленности и качества жизни. Исследования NIST охватывают широкий спектр областей — от нанотехнологий и квантовых вычислений до строительных стандартов и кибербезопасности.