Polariseret billeddannelse af dynamisk lysspredning for at måle nanopartikelstørrelse, morfologi og fordelinger

Et team af forskere foreslog en hurtig og bekvem metode kaldet polarized imaging dynamic light scattering (PIDLS), der kvantitativt evaluerer nanopartikelstørrelse, morfologi og distribution på samme tid. En dimensionsløs størrelse, kaldet optisk sfæricitet, foreslås til at beskrive graden af ​​afvigelse af nanopartikler fra sfærer. Denne metode vil i høj grad bidrage til in-situ syntese, struktur-funktionsanalyse og kvalitetsvurdering af nanopartikler.

Holdet af kinesiske forskere fra University of Shanghai for Science and Technology og Jiaxing MeaParTech Instrument Technology Co., Ltd har offentliggjort deres arbejde i tidsskriftet Particuology .

Ydeevnen af ​​nanopartikler er ofte påvirket af faktorer som partikelstørrelse og form. Traditionelt anvendes elektronmikroskopi eller atomkraftmikroskopi til analyse af nanopartikelstørrelse og morfologi. Ikke desto mindre giver denne tilgang udfordringer såsom kompleks prøveforberedelse, tidskrævende behandling og vanskeligheder med at opnå kvantitativ karakterisering. En hurtig, nøjagtig og statistisk meningsfuld metode til at måle størrelsen og morfologien af ​​nanopartikler vil lette den relaterede industri.

I modsætning til elektronmikroskopi og atomkraftmikroskopimetoder måler PIDLS-metoden ikke direkte nanopartikelstørrelsen og morfologien. Faktisk kan PIDLS ses som en kombination af den billeddannende dynamiske lysspredningsmetode (IDLS) og metoden med polariseret lysspredning (PLS).

Ved at belyse en prøve af nanopartikler med en polariseret laserstråle, modtager et polariseret kamera det spredte lys og opnår spredningsbilleder i 0°, 45°, 90° og 135° polarisationsretninger. På grund af partiklernes kontinuerlige tilfældige Brownske bevægelse varierer partiklernes rumlige positioner og orientering konstant, hvilket resulterer i fluktuationer i intensiteten og polarisationstilstanden af ​​det spredte lys.

Ifølge Stokes-Einstein-ligningen er intensitetsudsvingene i det spredte lys relateret til partikelstørrelsen, og ifølge lysspredningsteorien er polarisationstilstanden for det spredte lys relateret til partikelmorfologien. Ved at beregne den rumlige korrelation af to på hinanden følgende spredningsbilleder i 0°-polarisationsretningen, kan hastigheden af ​​intensitetsudsving i det spredte lys bestemmes, og dermed kan partikelstørrelsen bestemmes.

Kontinuerlige målinger kan give flere partikelstørrelsesmålingsresultater, herunder gennemsnitsværdien og polydispersitetsindekset. Ved at analysere intensiteten af ​​spredt lys fra fire polarisationsbilleder i 0°, 45°, 90° og 135° polariseringsretninger taget på samme tid, kan graden af ​​lineær polarisering (benævnt optisk sfæricitet i dette papir) opnås , som kan bruges til at evaluere graden af ​​tilnærmelse af partikler til en kugle.

En værdi på 1 angiver en perfekt kugle, mens den mindre værdi angiver den større afvigelse fra en kugle. Kontinuerlige målinger kan give nanopartiklernes optiske sfæricitet og dermed opnå statistisk morfologisk fordeling.

I denne undersøgelse blev målinger udført på sfæriske, oktaedriske, flade, stavformede og filamentøse nanopartikler. Resultaterne af partikelstørrelse, morfologi og fordelinger opnået fra PIDLS-metoden var i overensstemmelse med dem opnået fra elektronmikroskopi, hvilket viser effektiviteten af ​​den foreslåede metode.

Undersøgelsen målte også fem titaniumdioxidpulvere af industriel kvalitet og identificerede med succes prøverne med signifikant større partikelstørrelser, lavere optisk sfæricitet og dårlig konsistens i både størrelse og morfologi. Dette fremhæver den potentielle anvendelse af PIDLS-metoden til kvalitetskontrol af nanopulver.

"Denne undersøgelse giver et nyt værktøj til at evaluere morfologien af ​​nanopartikler," sagde Xiaoshu Cai, professor ved University of Shanghai for Videnskab og Teknologi. PIDLS-metoden kan udføres ved stuetemperatur og atmosfærisk tryk i et væskefasemiljø med næsten ingen prøveforberedelse. Med sin enkelhed og hurtige målehastighed rummer PIDLS-metoden et stort potentiale for udbredt anvendelse i nanomaterialesyntese i laboratorier, nanopulverfremstilling i planter og mange andre banebrydende områder.

"I næste trin vil vores forskerhold yderligere validere universaliteten af ​​den optiske sfæricitet. Derudover planlægger vi yderligere at undersøge forholdet mellem partikelmorfologi og fjernfeltsspredningsmønstre baseret på polarisationsspredningsteori med det formål at opnå klassificeringen af ​​partikel. morfologi," sagde Cai.

På denne måde kan forskerne udvide anvendelsesscenarierne for PIDLS og forbedre potentialet for praktiske anvendelser. "Vores forskningsgruppe fokuserer konsekvent på multi-parameter måling og online måling af partikler og udvikler løbende nye målemetoder og enheder," sagde Cai.

Flere oplysninger: Bingyao Wang et al, Polarized imaging dynamisk lysspredning til samtidig måling af nanopartikelstørrelse og morfologi, Particuology (2023). DOI:10.1016/j.partic.2023.06.004

Leveret af Particuology