Морфология частиц карбоната кальция была охарактеризована с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Измерения СЭМ проводились с помощью электронного микроскопаприбора MIRA II LN(M)U
Анализ СЭМ изображений
Распределение по размерам частиц карбоната кальция исследовалось по набору изображений СЭМ так, чтобы получить как минимум 100 измерений на каждый образец.
Работа с программой ImageJ
Для обработки фотографий будем использовать программу ImageJ.
В меню «File»→ «Open» (рис. 4) необходимо открыть изображение – микрофотографию.
Рисунок 4 - Открытие файла в программе Image J
Для получения информации о размере частиц необходимо провести калибровку области изображения. На панели выбираем инструмент линейку и измеряем размер шкалы на фотографии. Далее на панели программы выбираем «Analyze»→ «Set Scale» (рис. 5). Откроется окно ввода, куда нужно ввести значения. Первое («Distance in pixels») - программа выводит сама за счёт измеренной нами шкалы на фотографии. Второе («Know distance») - вводим сами, зная размер шкалы. Четвертое («Unit of length») - это размерность, в нашем случае микроны (рис. 6).
Рисунок 5 - Калибровка области изображения
Рисунок 6 - Окно для ввода значений
После того как проведена калибровка изображения, можно перейти непосредственно к измерению размеров частиц. Инструментом «линейка» мы измеряем каждую частицу. Чтобы результаты измерений сохранялись в отдельном окне необходимо произвести команду Ctrl+M, появляется таблица с данными (рис. 7).
Рисунок 7 - Измерение расстояния – диаметра частицы
После занесения размеров в таблицу выбираем «Analyze» на панели, а затем «Distribution». На вкладке «Distribution» выбираем параметр – «Length» (рис. 8).
Рисунок 8 - Окно сохранения результатов измерений
Программа автоматически рассчитывает средний диаметр частиц, а также стандартное отклонение (рис. 9). Где Mean- среднее значение, Min- минимальное значение, Max- максимальное значение.
Рисунок 9 - Диаграмма
Для дальнейших расчетов полученные результаты можно скопировать в программу обработки данных – Excel. Для этого на диаграмме построенной программой выбираем Copy и переносим значение в Excel (рис 10).
Рисунок 10 - Перенос значений
Обсуждение результатов
Карбонат кальция (СаСО3) является одним из наиболее распространенных минералов. В природе карбонат кальция встречается в виде трех полиморфных модификаций: кальцита – кубической формы с ромбоэдрической кристаллической решеткой, арагонита – иглообразных кристаллов с орторомбической решеткой и ватерита – кристаллов сферической формы с гексагональной решеткой. В пробирке ватерит может быть легко синтезирован путем смешивания растворов солей хлорида кальция и карбоната натрия. Ватеритные частицы могут быть применены в качестве контейнеров для иммобилизации лекарственных веществ, поскольку они обладают пористой структурой, являются биосовместимыми, разрушаются в мягких условиях, и, кроме того, просты в приготовлении [5].
В ходе выполненной работы были получены образцы частиц карбоната кальция, которые были охарактеризованы сканирующей электронной микроскопией. Полученные изображения проанализированы с помощью программного пакета Image J (3 точки на образец).
| 
|
| Рисунок 11(a) - СЭМ изображение микрочастиц карбоната кальция (точка 1) | Рисунок 11(б) Гистограмма распределения частиц карбоната кальция по размерам по данным Image J (точка 1) |
| 
|
| Рисунок 12 (а) - СЭМ изображение микрочастиц карбоната кальция (точка 2) | Рисунок 12 (б) Гистограмма распределения частиц карбоната кальция по размерам по данным Image J (точка 2) |
| 
|
| Рисунок 13 (а) - СЭМ изображение микрочастиц карбоната кальция (точка 3) | Рисунок 13 (б) Гистограмма распределения частиц карбоната кальция по размерам по данным Image J (точка 3) |
Полученные данные приведены в таблице 1. Первый столбец представляет собой номер интервала (то есть номер столбца гистограммы). Во втором столбце приведены данные распределения по размерам для 3х разных точек образца, для каждой из которых было определено среднее число частиц, размер которых попадает в указанный интервал. Далее все данные для трех точек образца были сведены вместе и подсчитаны аналогичные значения для всей выборки образца (третий столбец «общее число»). В четвертом столбце рассчитывается массовая доля частиц с указанным средним размером в общем числе частиц.
Таблица 1 - Данные распределения по размерам частиц карбоната кальция, полученные с помощью Image J
| Номер интервала | Фотография | Общее число |
| ||||||
| Среднее число | Число частиц | Среднее число | Число частиц | Среднее число | Число частиц | Средний размер | Число частиц | ||
| 2.451 | 2.501 | 1.893 | 1.893 | 0,049 | |||||
| 2.986 | 2.952 | 2.473 | 2.540 | 0,20 | |||||
| 3.521 | 3.402 | 3.053 | 3.187 | 0,45 | |||||
| 4.056 | 3.853 | 3.633 | 3.833 | 0,24 | |||||
| 4.592 | 4.304 | 4.213 | 4.480 | 0,049 |
В Таблице 2 два по формуле (1) был подсчитан среднечисленный диаметр частиц. В Таблице 3, используя результаты Таблицы 1 был произведен подсчет стандартного отклонения для полученного значения среднечисленного диаметра, которое использовали для расчета коэффициента вариации по формуле (2), характеризующего полидисперсность исследуемой системы.
| Таблица 2 Расчет среднечисленного диаметра | Таблица 3 Расчет стандартного отклонения | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
=3,175
=0.59
K n = 
×100%=18.96%
Полученное значение коэффициента вариации превышает 10%, что указывает на высокую полидисперсность образца.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Милославский В. Домашняя микрофотография // Наука и жизнь. – 1998. – №1. С. 65–69.
2. Конюхов А.Л., Руководство к использованию программного комплекса ImageJ для обработки изображений: Учебное методическое пособие. – Томск: кафедра ТУ, ТУСУР, 2012. – 105 с
3. Практикум и задачник по коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперстные системы: учеб. пособие для вузов / В. В. Назаров, А. С. Гродский,
4. Микроскопические методы определения размеров частиц дисперсных материалов: учеб. пособие / Н. Н. Гаврилова, В. В. Назаров, О. В. Яровая. – М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2012. – 52 с.
5. Structure and carbonate orientation of vaterite (CaCO3) // J. Wang, U. Becker Department of Geological Sciences, University of Michigan, U.S.A. 94, pages 380–386