光流控力感应允许实时纳米颗粒表征

长三角G60激光联盟导读

Brave Analytics GmbH的一组研究人员与来自Gottfried Schatz研究中心的一名同事和来自物理研究所的另一名同事(均位于奥地利)合作，开发了一种能够进行实时纳米颗粒表征的设备。该小组在《应用物理评论》杂志上发表了他们的研究成果。

光流体感应(OF2i)方案原理图。(a)颗粒浸入流体中，并通过微流体通道泵送。(b)两个选定粒子的模拟轨迹。由于OAM粒子沿螺旋形轨迹运动，因此抑制了聚焦区域的碰撞和粒子堵塞。(c)作用在粒子上的光力Fopt,z和流体力Ffluid,z控制了传播方向z上的流动，光力Fopt,x提供了横向方向x上的光学2D捕获力(沿y方向的捕获力未显示)。来源：Physical Review Applied (2022). DOI: 10.1103/PhysRevApplied.18.024056

在过去的几十年里，产品工程师越来越多地向产品中添加纳米颗粒，以达到所需的质量——例如，使油漆增稠或着色。纳米颗粒的类型取决于许多因素，比如它们的组成和形状，这些通常很容易确定。纳米颗粒的大小对于保证一致性也很重要，但要弄清楚它们有多大已经被证明更具挑战性。一种叫做动态光散射的方法已经被发现效果很好，但只适用于微小的纳米颗粒。在这项新的努力中，研究人员创造了一种设备，可以用来确定较大的纳米颗粒的大小。

直径为400nm的标准聚乳胶纳米球的OF2i测量结果。

该装置基于光流体力感应(OF2i)。它由一个透明的圆柱体和一束激光束组成。在使用过程中，圆柱体中充满了水，其中加入了纳米颗粒样品——在这种情况下是聚苯乙烯微粒。激光发射的方式使光在水中以螺旋状传播，形成水漩涡。

激光有两种用途:一是推动纳米颗粒通过水中，二是跟踪它们的运动。在这样的设置中，特定纳米粒子所经历的加速度取决于它的大小。研究人员认为它类似于帆船。两艘大小相同的船，如果它们的帆大小不同，受到相同风力的推动，它们的速度就会不同。由于激光形成了漩涡，纳米粒子以螺旋状运动，减少了碰撞的可能性。

使用本文中给出的拓扑电荷为0和2的激光参数，对直径为400、600和900 nm的乳胶纳米球混合物以及聚焦（a）Gaussian和（b）Laguerre-Gaussian激光束的单个粒子轨迹进行了研究。

在纳米粒子反射后散射的光可以用延时显微镜观察，它可以揭示单个纳米粒子的路径。分析这种轨迹的形状可以用来确定由于激光施加的力而引起的速度变化，从而揭示纳米颗粒的大小。测试表明，该设备能够测量200到900纳米的纳米颗粒。

图4 OF2i设置示意图。

来源：Real-Time Nanoparticle Characterization Through Optofluidic Force Induction, Physical Review Applied (2022). DOI: 10.1103/PhysRevApplied.18.024056

长三角G60激光联盟陈长军原创作品！