Ett team av forskare föreslog en snabb och bekväm metod som kallas polarized imaging dynamic light scattering (PIDLS) som kvantitativt utvärderar nanopartikelstorlek, morfologi och distribution på samma gång. En dimensionslös kvantitet, benämnd optisk sfäricitet, föreslås för att beskriva graden av avvikelse för nanopartiklar från sfärer. Denna metod kommer i hög grad att bidra till in situ-syntes, struktur-funktionsanalys och kvalitetsbedömning av nanopartiklar.
Teamet av kinesiska forskare från University of Shanghai for Science and Technology och Jiaxing MeaParTech Instrument Technology Co., Ltd publicerade sitt arbete i tidskriften Particuology .
Nanopartiklars prestanda påverkas ofta av faktorer som partikelstorlek och form. Traditionellt används elektronmikroskopi eller atomkraftsmikroskopi för analys av nanopartikelstorlek och morfologi. Icke desto mindre ställer detta tillvägagångssätt utmaningar såsom komplex provberedning, tidskrävande bearbetning och svårigheter att uppnå kvantitativ karakterisering. En snabb, exakt och statistiskt meningsfull metod för att mäta storleken och morfologin hos nanopartiklar kommer att underlätta den relaterade industrin.
Till skillnad från metoder för elektronmikroskopi och atomkraftsmikroskopi, mäter PIDLS-metoden inte direkt nanopartikelstorleken och morfologin. Faktum är att PIDLS kan ses som en kombination av den dynamiska ljusspridningsmetoden (IDLS) och metoden med polariserad ljusspridning (PLS).
Genom att belysa ett prov av nanopartiklar med en polariserad laserstråle tar en polariserad kamera emot det spridda ljuset och erhåller spridningsbilder i polarisationsriktningarna 0°, 45°, 90° och 135°. På grund av partiklarnas kontinuerliga slumpmässiga Brownska rörelse varierar partiklarnas rumsliga positioner och orientering ständigt, vilket resulterar i fluktuationer i det spridda ljusets intensitet och polarisationstillstånd.
Enligt Stokes-Einsteins ekvation är hastigheten för intensitetsfluktuationer i det spridda ljuset relaterat till partikelstorleken, och enligt ljusspridningsteorin är polarisationstillståndet för det spridda ljuset relaterat till partikelmorfologin. Genom att beräkna den rumsliga korrelationen för två på varandra följande spridningsbilder i 0°-polarisationsriktningen kan hastigheten för intensitetsfluktuationer i det spridda ljuset bestämmas, och därmed kan partikelstorleken bestämmas.
Kontinuerliga mätningar kan ge flera mätresultat för partikelstorlek, inklusive medelvärdet och polydispersitetsindex. Genom att analysera intensiteten av spritt ljus från fyra polarisationsbilder i 0°, 45°, 90° och 135° polarisationsriktningar tagna samtidigt, kan graden av linjär polarisation (refererad till som optisk sfäricitet i denna artikel) erhållas , som kan användas för att utvärdera graden av approximation av partiklar till en sfär.
Ett värde på 1 indikerar en perfekt sfär, medan det mindre värdet indikerar desto större avvikelse från en sfär. Kontinuerliga mätningar kan ge nanopartiklarnas optiska sfäricitet och på så sätt erhålla statistisk morfologisk fördelning.
I denna studie utfördes mätningar på sfäriska, oktaedriska, platta, stavformade och filamentösa nanopartiklar. Resultaten av partikelstorlek, morfologi och fördelningar erhållna från PIDLS-metoden överensstämde med de som erhölls från elektronmikroskopi, vilket visar effektiviteten av den föreslagna metoden.
Studien mätte också fem titandioxidpulver av industriell kvalitet och identifierade framgångsrikt proverna med betydligt större partikelstorlekar, lägre optisk sfäricitet och dålig konsistens i både storlek och morfologi. Detta belyser den potentiella tillämpningen av PIDLS-metoden vid kvalitetskontroll av nanopulver.
"Denna studie ger ett nytt verktyg för att utvärdera morfologin hos nanopartiklar", säger Xiaoshu Cai, professor vid University of Shanghai for Science and Technology. PIDLS-metoden kan utföras vid rumstemperatur och atmosfärstryck i en vätskefasmiljö med knappt någon provberedning. Med sin enkelhet och snabba mäthastighet har PIDLS-metoden stor potential för utbredd tillämpning inom syntes av nanomaterial i laboratorier, tillverkning av nanopulver i anläggningar och många andra banbrytande områden.
"I nästa steg kommer vårt forskarlag att ytterligare validera universaliteten av den optiska sfäriciteten. Dessutom planerar vi att ytterligare undersöka sambandet mellan partikelmorfologi och spridningsmönster för fjärrfält baserat på polarisationsspridningsteori, i syfte att uppnå klassificeringen av partiklar morfologi", sa Cai.
På så sätt kan forskarna utöka tillämpningsscenarierna för PIDLS och förbättra potentialen för praktiska tillämpningar. "Vår forskargrupp fokuserar konsekvent på multiparametermätning och onlinemätning av partiklar och utvecklar kontinuerligt nya mätmetoder och -enheter", säger Cai.
Mer information: Bingyao Wang et al, Polarized imaging dynamisk ljusspridning för samtidig mätning av nanopartikelstorlek och morfologi, Particuology (2023). DOI:10.1016/j.partic.2023.06.004
Tillhandahålls av Particuology
