一组研究人员提出了一种快速便捷的方法称为偏振成像动态光散射
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納米顆粒的性能經常受到顆粒尺寸和形狀等因素的影響。傳統上,電子顯微鏡或原子力顯微鏡用于納米顆粒尺寸和形態分析。盡管如此,這種方法也帶來了挑戰,例如復雜的樣品制備、耗時的處理以及難以實現定量表征。一種快速、準確且具有統計意義的方法來測量納米粒子的尺寸和形態將促進相關行業的發展。
與電子顯微鏡和原子力顯微鏡方法不同,PIDLS方法不直接測量納米顆粒的尺寸和形態。事實上,PIDLS可以看作是成像動態光散射(IDLS)方法和偏振光散射(PLS)方法的結合。通過用偏振激光束照射納米顆粒樣品,偏振相機接收散射光并獲得 0°、45°、90° 和 135° 偏振方向的散射圖像。由于粒子連續隨機布朗運動,粒子的空間位置和方向不斷變化,導致散射光的強度和偏振態波動。根據斯托克斯愛因斯坦方程,散射光的強度波動率與顆粒尺寸有關,根據光散射理論,散射光的偏振態與顆粒形態有關。通過計算0°偏振方向上兩個連續散射圖像的空間相關性,可以確定散射光的強度波動率,從而確定顆粒尺寸。連續測量可以提供多種粒度測量結果,包括平均值和多分散指數。通過分析同時拍攝的0°、45°、90°、135°偏振方向的四張偏振圖像的散射光強度,可以得到線偏振度(本文稱為光學球度) ,可用于評價粒子逼近球體的程度。值為 1 表示完美球體,值越小表示偏離球體越大。連續測量可以提供納米顆粒的光學球形度,從而獲得統計形態分布。
在這項研究中,對球形、八面體、扁平、棒狀和絲狀納米顆粒進行了測量。PIDLS方法獲得的粒徑、形貌和分布結果與電子顯微鏡獲得的結果一致,證明了該方法的有效性。該研究還測量了五種工業級二氧化鈦粉末,并成功鑒定出粒徑明顯較大、光學球形度較低、尺寸和形貌一致性較差的樣品。這凸顯了PIDLS方法在納米粉末質量控制中的潛在應用。
“這項研究為評估納米粒子的形態提供了一種新工具,”上海理工大學教授蔡曉樹說。PIDLS方法可以在室溫和大氣壓的液相環境下進行,幾乎不需要樣品制備。PIDLS方法以其簡單性和快速的測量速度,在實驗室納米材料合成、工廠納米粉末制造以及許多其他前沿領域具有廣泛應用的潛力。
“下一步,我們的研究團隊將進一步驗證光學球面性的普適性。此外,我們計劃基于偏振散射理論進一步研究顆粒形貌與遠場散射模式之間的關系,旨在實現顆粒形貌的分類。”蔡說。通過這種方式,研究人員可以擴展PIDLS的應用場景,提高實際應用的潛力。“我們的課題組始終專注于顆粒物的多參數測量和在線測量,不斷開發新的測量方法和裝置。”蔡說。
該研究團隊包括上海理工大學能源與動力工程學院的王丙耀、蔡天一、蔡曉樹、周武,以及嘉興美帕泰儀器技術有限公司的劉澤奇。
該研究得到上海市帆船計劃項目(批準號:22YF1429600)的資助。
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總結
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