学术前沿 | 基于偏振图像动态光散射法的纳米颗粒形貌、粒度及分布测量方法研究

上海理工大学蔡小舒教授团队长期致力于发展基于光散射及图像法的颗粒测量方法及装置。该团队在PARTICUOLOGY上发表研究论文，发展了一种偏振图像动态光散射技术（PIDLS），成功实现了对非球形纳米颗粒形貌及形貌分布、粒度及粒度分布的同步快速测量，并进一步提出了光学球体度的概念，可用于定量评价颗粒近似球体的程度。

偏振图像动态光散射法（PIDLS）是一种结合了偏振散射、动态光散射及光学成像的新型颗粒测量技术。传统动态光散射技术（DLS）利用激光照射纳米颗粒，由于纳米颗粒不断做随机布朗运动，颗粒的散射光信号呈现随机涨落。颗粒的大小不同，散射信号的涨落速率不同。DLS利用光电倍增管接收散射信号，通过分析散射信号的时间相关性求解纳米颗粒粒径。PIDLS利用偏振相机代替光电倍增管接收纳米颗粒的散射（图像）信号，测量系统如图1(a)。微透镜阵列式偏振相机以2×2像素为一组，可同时记录0°、45°、90°和135°偏振方向散射图像（图1(b)）。利用空间换时间的概念，计算连续两幅0°偏振方向散射图像的空间相关性即可得出待测颗粒的统计平均粒径；利用连续多张0°偏振方向的散射图像，两两计算空间相关性即可得出待测颗粒的统计平均粒径分布。利用同一时刻4张不同偏振方向（0°、45°、90°和135°）的散射图像计算散射信号偏振态即可得出待测颗粒的统计形貌特征；利用连续多时刻记录的4个偏振方向散射图像即可得出待测颗粒的统计形貌特征分布。PIDLS技术实现流程如图1(c)。PIDLS技术具有操作简单、时间分辨率高、可同时获得纳米颗粒形貌粒度及分布等多参数信息的优点。

图2. 非球形颗粒的偏振散射信号处理结果 

(a) 归一化偏振散射光强 (b) 实测光学球体度及理论Wadell球形度的比较

为了探究纳米颗粒尺寸对光学球体度测量结果的影响，本文比较了三种不同尺寸的八面体颗粒PIDLS测量结果。如图3，PIDLS测得三种八面体颗粒的光学球体度Φ平均值分别为0.9867、0.9867和0.9778，基本相同，略低于标准球形颗粒的测量值0.9924，且光学球体度分布很窄，与标准球形颗粒相当，说明三种八面体颗粒的形貌一致性均很好，与电镜观察结果一致。PIDLS测得的三种八面体颗粒平均粒径依次为85nm、117nm和216nm，与电镜统计结果符合，误差不超过5%。上述结果说明，PIDLS方法测得颗粒形貌、粒径及相应分布情况准确，光学球体度Φ仅与颗粒形貌有关，与颗粒尺寸无关。

图3. 八面体颗粒光学球体度及粒径测量结果

粒度粒形一致性是纳米颗粒产品质量评估的重要指标。PIDLS方法可以同时获得纳米颗粒的粒度粒形及分布特性，且结果均具有统计学意义，特别适合用于评估纳米颗粒的一致性。如图4，PIDLS测量结果显示，某单位提供的5种钛白粉样品中前4种颗粒的粒度分布较窄，平均粒径在250nm–280nm，光学球体度分布也很窄，平均光学球体度Φ均超过0.91。而第5种钛白粉颗粒平均粒径达到392nm，粒径分布也更宽，光学球体度Φ不到0.80，且分布很宽。了解后得知，第5种钛白粉的制备工艺进行了调整，与前4种不同。相比扫描电镜图，PIDLS方法可以快速给出纳米颗粒粒度粒形及分布结果，方便直观，在颗粒质量评估等方面极具应用前景。

图4. 工业钛白粉颗粒PIDLS测量结果

(a) 粒径 (b) 光学球体度

• 发展了一种偏振图像动态光散射（PIDLS）纳米颗粒测量方法，可简单快速同步获得纳米颗粒形貌、尺寸及分布特性。

• 提出了光学球体度的概念，可定量描述颗粒形貌接近球体的程度。

• PIDLS方法可用于评估纳米颗粒形貌尺寸的一致性。

       

       

蔡小舒

上海理工大学教授

               

蔡小舒，上海理工大学教授，博士生导师，曾任中国颗粒学会副理事长兼颗粒测试专业委员会副主任、中国计量测试学会常务理事兼多相流测试专业委员会主任、中国工程热物理学会理事兼多相流专业委员会副主任，主持工信部两机专项、国自然仪器重大专项、重点项目等国家级项目20余项；曾两次获上海市自然科学二等奖。主要研究领域包括颗粒测量、两相流在线测量、环境与燃烧在线监测、生命科学中的在线分析测量、颗粒行为与多相流动数值模拟等方向。现已创立嘉兴美帕克仪器科技有限公司，专门从事纳米颗粒多参数在线分析测量仪器的开发、生产及销售，并提供相关测试解决方案。