近日，應用物理評論期刊（the journal Physical Review Applied）發表了一項創新納米顆粒在線測量技術成果，這是一種利用光學力來操縱和分析粒子的技術，研究人員稱之為光流體力感應（OptoFluidic Force Induction，OF2i）技術。

論文地址：https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.18.024056

光流體力感應（OF2i）方案示意圖

納米顆粒的實時表征在現代生產過程中正變得越來越重要。當前最流行的納米顆粒表征技術是動態光散射（DLS）技術，它是一種基于布朗運動——即由周圍液體介質碰撞引起的粒子隨機運動的測量技術。一般來說，布朗運動越快，粒子越小。DLS則通過測量納米粒子散射光波動來確定顆粒大小。但是DLS的缺陷包括無法連續在線測量，以及捕捉大顆粒（大顆粒布朗運動分辨率低）。該項目的理論物理學家和首席科學家Marko ?imi?說，“納米顆粒浸入溶液中并通過流動池泵送，聚焦的激光束沿流動方向傳播通過流通池并對納米顆粒施加光學力，這改變了粒子的速度，并允許確定基于數字的粒度、粒度分布和濃度。”

OF2i的具體測試過程是，水溶液中的納米顆粒水平流過一個小通道，光學渦流被引導到通道下方，在納米顆粒上施加一個力，推動它們向前并圍繞光束中心轉動（渦流角動量）。作為響應，納米粒子遵循螺旋軌跡，從而最大限度地減少會破壞測量的粒子間碰撞。激光也會從納米粒子上散射，照亮它們，以便它們可以被位于通道下方的顯微鏡看到。告訴攝像機將粒子的快照聯系在一起，形成了一個“瀑布圖”，說明了粒子的軌跡。

如圖所示，彎曲的白線說明了隨著時間（y軸）水平流動（x軸）的納米顆粒的軌跡。研究人員可以根據其速度推斷納米粒子的大小，該速度由粒子線的斜率確定。納米粒子軌跡的形狀提供了有關粒子速度如何變化以及它經歷了多少光學力的信息，更大的納米顆粒會受到來自光的更強推動——這類似于具有更大帆的帆船從風中獲得更大的推動力，OF2i技術本質上是通過根據船速計算帆尺寸來工作的。

研究人員表示，他們采用直徑在200到900nm之間的聚苯乙烯顆粒進行驗證，這也超過了DLS技術的測試能力范圍。但該技術測量200nm以下顆粒時，會由于光學力導致的速度變化太小而無能為力，這意味著更小顆粒的測量仍須借助類DLS的光散射技術補充。Marko ?imi?說，“除了測量大范圍的顆粒尺寸外，OF2i 還具有在納米顆粒合成過程中提供實時數據的優勢，例如，改變某些參數如何影響最終產品。”

最后，該團隊還希望使用該技術從納米粒子中提取更多信息。例如，受到光學力的長方形粒子會旋轉，這可以讓研究人員確定粒子的球形度甚至形狀。此外，散射光應包含有關納米粒子元素組成的光譜信息。如果研究人員能夠解鎖這些能力，他們就可以擁有一種通用的納米顆粒表征技術。

編譯整理 YUXI

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