动态光散射偏振成像可测量纳米颗粒尺寸 形态和分布

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(PIDLS)，可以同时定量评估纳米颗粒的尺寸、形态和分布。提出了一个称为光学球形度的无量纲量来描述纳米颗粒偏离球体的程度。该方法将极大地有助于纳米粒子的原位合成、结构功能分析和质量评估。

来自上海理工大学和嘉兴美派仪器科技有限公司的中国研究团队在《微粒学》杂志上发表了他们的研究成果。

纳米粒子的性能经常受到颗粒尺寸和形状等因素的影响。传统上，电子显微镜或原子力显微镜用于纳米颗粒尺寸和形态分析。尽管如此，这种方法也带来了挑战，例如复杂的样品制备、耗时的处理以及难以实现定量表征。一种快速、准确且具有统计意义的方法来测量纳米粒子的尺寸和形态将促进相关行业的发展。

与电子显微镜不同的是原子力显微镜方法不同，PIDLS方法不直接测量纳米颗粒的尺寸和形态。事实上，PIDLS可以看作是成像动态光散射(IDLS)方法和偏振光散射(PLS)方法的结合。

通过用偏振激光束照射纳米颗粒样品，偏振相机接收到散射光并获得0°、45°、90°和135°偏振方向的散射图像。由于粒子连续随机布朗运动，粒子的空间位置和方向不断变化，导致散射光的强度和偏振态波动。

根据斯托克斯-爱因斯坦方程，散射光的强度波动率与颗粒尺寸有关，根据光散射理论，散射光的偏振态与颗粒形态有关。通过计算0°偏振方向上两个连续散射图像的空间相关性，可以确定散射光的强度波动率，从而确定颗粒尺寸。

连续测量可以提供多种粒度测量结果，包括平均值和多分散指数。通过分析同时拍摄的0°、45°、90°、135°偏振方向的四张偏振图像的散射光强度，可以得到线偏振度(本文称为光学球度)，可用于评价粒子逼近球体的程度。

值为1表示完美球体，值越小表示偏离球体越大。连续测量可以提供纳米颗粒的光学球形度，从而获得统计形态分布。

在这项研究中，对球形、八面体、扁平、棒状和丝状纳米颗粒进行了测量。PIDLS方法得到的粒径、形貌和分布结果与PIDLS方法获得的颗粒尺寸、形貌和分布结果与电子显微镜，证明了该方法的有效性。

该研究还测量了五种工业级二氧化钛粉末，并成功鉴定出粒径明显较大、光学球形度较低、尺寸和形貌一致性较差的样品。这凸显了PIDLS方法在纳米粉末质量控制中的潜在应用。

“这项研究为评估纳米粒子的形态提供了一种新工具，”上海理工大学教授蔡晓树说。PIDLS方法可以在室温和大气压的液相环境下进行，几乎不需要任何样品制备。PIDLS方法以其简单性和快速的测量速度，在实验室纳米材料合成、工厂纳米粉末制造以及许多其他前沿领域具有广泛应用的潜力。

“下一步，我们的研究团队将进一步验证光学球度的普适性。此外，我们计划基于偏振散射理论进一步研究颗粒形态与远场散射模式的关系，旨在实现颗粒的分类形态学”，蔡说。

通过这种方式，研究人员可以扩展PIDLS的应用场景，提高实际应用的潜力。“我们课题组始终专注于颗粒物的多参数测量和在线测量，不断开发新的测量方法和装置。”蔡说。