En intelligent og kompakt partikelanalysator

I mange industrielle og miljømæssige applikationer, at bestemme størrelsen og fordelingen af ​​mikroskopiske partikler er afgørende. For eksempel, i den farmaceutiske industri, inline måling og kontrol af partikler, der indeholder forskellige kemiske ingredienser (før konsolidering i tabletter) kan kritisk forbedre udbyttet og kvaliteten af ​​det endelige medicinske produkt. Også, luften vi indånder, vand vi drikker og mad vi spiser kan også indeholde mange typer af usunde partikler, som så er afgørende at opdage for vores sundhed og velvære.

I et nyt blad udgivet i Lysvidenskab og anvendelse , et team af europæiske videnskabsmænd og ingeniører fra ICFO og IRIS i Spanien, Ipsumio B.V. i Holland, Danmarks Tekniske Universitet, Technische Universität Dresden i Tyskland og University of Leeds i Storbritannien, har udviklet en ny mikropartikelstørrelsesanalysator ved at kombinere forbrugerelektronikprodukter og kunstig intelligens. Enheden, en størrelsesorden mindre med hensyn til størrelse, vægt og pris, måler partikelstørrelse med en præcision, der mindst kan sammenlignes med kommercielle lysbaserede partikelstørrelsesanalysatorer.

"Det EU-finansierede projekt ProPAT havde til formål at levere nye sensorer til industrielle anvendelser. Innovationen udviklet af ICFO er et godt eksempel på en sådan sensor. Feedbacken fra test i pilotskala under virkelige forhold og slutindustrier flyttede sensoren fra en laboratorieenhed til potentiel anvendelighed i industrielle miljøer, siger Frans Muller, professor i kemisk procesteknik ved University of Leeds og teknisk leder af ProPAT.

Konventionelt, laserdiffraktion (LD) baserede partikelstørrelsesanalysatorer (PSA) bruges i vid udstrækning til at måle partikelstørrelse fra hundredvis af nanometer til flere millimeter. I sådanne enheder, laserlys fokuseret på en fortyndet partikelprøve producerer et diffraktionsmønster (spredningsmønster), målt af en række lysdetektorer og konverteret til en partikelstørrelsesfordeling ved hjælp af veletableret spredningsteori. Disse enheder er præcise og pålidelige, men store (hver dimension er i størrelsesordenen en halv meter), tunge (tivis af kg) og dyre (koster ofte i størrelsesordenen hundrede tusinde dollars eller mere). Ud over, deres kompleksitet, sammen med det faktum, at de ofte kræver vedligeholdelse og højt uddannet personale, gøre dem upraktiske, for eksempel i de fleste online industrielle applikationer, som kræver installation af sonder i behandlingsmiljøer, ofte flere steder.

Den nyudviklede PSA fungerer i en kollimeret strålekonfiguration ved hjælp af en simpel LED-lysemitterende diode (LED) og en enkelt metal-oxid-halvleder (CMOS) billedsensor, svarende til dem, der bruges i smartphones. Nøgleinnovationen er det lille vinklede rumlige filter (ASF) lavet med en række huller med forskellige diametre, som er ekstruderet fra en polymerstang. Ved belysning af målprøven, lyset spredes og passerer gennem ASF til sensoren. Lys indsamlet fra huller i forskellige størrelser er repræsentativt for et andet sæt spredningsvinkler. En ad hoc-maskinelæringsmodel (ML) konverterer sensorbilledet til partiklers størrelse. Den samme enhed kan nemt konverteres til en uklarhedsmåler, et væsentligt instrument til at karakterisere mange optiske materialer.

"Det er meget spændende at se, hvordan en simpel kombination af forbrugerfotoniske komponenter, såsom en LED og et telefonkamera, et innovativt vinkelfilter fremstillet ved hjælp af masseskalerbar fotonisk krystalfiberekstrudering og maskinlæringsdatabehandling har gjort det muligt for os at lave en så kompakt, billig og præcis enhed, " siger Rubaiya Hussain, første forfatter til papiret og ph.d. kandidat i Optoelektronikgruppen på ICFO.

For at validere den nye PSA, blandinger af vand og glasperler med størrelser i området fra 13 til 125 mikrometer blev testet ved flere proceskoncentrationer i flydende dispersioner. Laserdiffraktionssystemer kan ikke måle så høje koncentrationer, da lyset spredes flere gange, hvilket resulterer i spredningsmønstre, der ikke kan omdannes til partikelstørrelse. Ved at bruge den tilfældige skovmaskineindlæringsalgoritme kunne dataene fra den nye enhed analyseres med succes, øge arbejdsområdet for partikelstørrelser og koncentrationer, der kan måles.

"Vi brugte PSA-enheden bygget på ICFO i Barcelona til at indsamle data fra forskellige partikelstørrelsesområder og koncentrationer af standard glasperler. Ifølge de opnåede resultater og vores erfaring, vi var glade for at se, at præcisionen af ​​nogle få % af medianvolumen partikelstørrelsen (D50) er sammenlignelig med andre måleteknikker (f.eks. LD) i mikrometerområdet, " siger Dipl.-Ing. Rodrigo R. Retamal Marín, forsker i Mechanical Process Engineering-gruppen ved Technische Universität Dresden.

Fremtidige forbedringer i den optiske hardware er også ved at blive designet. I særdeleshed, yderligere optimering af den innovative ASF-komponent og raffinerede datafangstmetoder udføres, at producere større, datasæt med højere kvalitet til maskinlæringsalgoritmen. Fremtidigt arbejde vil også omfatte analyse af ikke-sfæriske partikler, indsamlet med veldesignede prøvefodringssystemer til både tørre og våde målinger, fører til højpræcisionsanalyse for en række industrielt relevante systemer.

"Vi har til hensigt at udnytte den iboende fleksibilitet i det enkle design og lave hardwareomkostninger af vores proprietære PSA til specifikke applikationer, for eksempel online- eller onlineovervågning, og vi leder efter partnere fra forskellige industrier og forskningsinstitutioner, " siger Valerio Pruneri, ICREA Professor ved ICFO og førende forfatter af værket.