基于偏振圖像動(dòng)態(tài)光散射的非球形納米顆粒測量

摘要：納米材料的功能特性與其粒度和形貌有很大關(guān)系。圖像動(dòng)態(tài)光散射法是一種快速、準(zhǔn)確、非接觸的納米顆粒測量方法。將圖像動(dòng)態(tài)光散射與偏振散射結(jié)合，提出了一種測量非球形納米顆粒形貌的方法。根據(jù)偏振散射理論，當(dāng)入射光為垂直線偏振光，顆粒的散射光在不同偏振方向的偏振散射特性與顆粒的形貌有關(guān)，可以用線偏振度參數(shù)描述。在90°散射角方向采用偏振相機(jī)，對(duì)球形和非球形納米顆粒在0°，45°，90°，135°偏振方向上的動(dòng)態(tài)光散射信號(hào)進(jìn)行測量，結(jié)果表明：球形顆粒的線偏振度接近1，八面體顆粒的線偏振度略小于1，棒狀顆粒的線偏振度小于1 且隨長徑比增加而減小，納米片及納米線等非球形顆粒的線偏振度都有不同程度的減小。定義線偏振度為光學(xué)球體度，用以表征顆粒形貌，采用偏振圖像動(dòng)態(tài)光散射方法可以快速測量納米顆粒的形貌分布。

關(guān)鍵詞：動(dòng)態(tài)光散射法；納米顆粒；顆粒形貌；偏振光散射；分布

中圖分類號(hào)：O 436 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

納米顆粒的特性不僅取決于顆粒的粒徑，其形貌結(jié)構(gòu)也是影響其性能的重要參數(shù)。醫(yī)療、工業(yè)應(yīng)用等許多領(lǐng)域?qū){米顆粒的形狀有著特定的要求。醫(yī)學(xué)上，一維形貌的納米線狀顆粒對(duì)腫瘤細(xì)胞具有更好的基因轉(zhuǎn)染和內(nèi)吞作用[1]。不同類型的病毒其形狀也有區(qū)別，納米顆粒形貌測量對(duì)病毒檢測也有重要作用[2]。化療中，納米顆粒裝載的藥物能在耐藥細(xì)胞株上產(chǎn)生明顯高于普通藥物的治療效果[3]。二維片狀石墨烯是繼零維球形富勒烯和一維中空管型碳納米管之后的新型碳材料，它具有顯著的量子隧道效應(yīng)和量子霍爾效應(yīng)，以及優(yōu)異的力學(xué)、導(dǎo)電和導(dǎo)熱等性能，被廣泛應(yīng)用于材料領(lǐng)域[4]。非球形納米顆粒的功能特異性使得納米顆粒的形貌測量成為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界共同關(guān)注的問題。透射電子顯微鏡（ transmission electronmicroscope， TEM） 、掃描電子顯微鏡（ scanningelectron microscope， SEM）和原子力顯微鏡（atomicforce microscope， AFM）通常用于測量納米顆粒的二維投影大小和形狀。Attota 等[5] 提出了將AFM 和SEM 結(jié)合起來測量納米顆粒的三維形狀。電子層析成像是一種測量納米顆粒三維形狀的簡單方法，但其準(zhǔn)確性會(huì)受到多種因素的影響，例如重建算法的選擇[6]。然而，目前這些方法不僅成本昂貴，測量耗時(shí)，操作復(fù)雜，而且單次測量樣本數(shù)量較少。所以迫切需要發(fā)展一種成本相對(duì)低廉且便捷高效的納米顆粒形貌粒徑測量方法。

動(dòng)態(tài)光散射法（dynamic light scattering，DLS）又稱光子相關(guān)光譜法（photon correlation spectroscopy，PCS），是通過研究顆粒布朗運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的散射光在一個(gè)或多個(gè)散射角上光強(qiáng)隨時(shí)間的漲落現(xiàn)象，分析納米粒子在布朗運(yùn)動(dòng)中的電場自相關(guān)函數(shù)（electric field autocorrelation function， EACF）來獲取待測顆粒尺度信息的有效技術(shù)[7-9]。

圖像動(dòng)態(tài)光散射（ image-based dynamic lightscattering， IDLS）[10] 是一種新發(fā)展的動(dòng)態(tài)光散射納米顆粒粒度測量方法，與傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)光散射的區(qū)別在于用空間相關(guān)代替時(shí)間相關(guān)，以及數(shù)據(jù)處理方法不同。傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)光散射測量系統(tǒng)中采用的探測器為光電倍增管（ photo-multiplier tube， PMT），通過記錄光子數(shù)來收集顆粒布朗運(yùn)動(dòng)引起的光強(qiáng)信息，對(duì)光強(qiáng)計(jì)數(shù)值進(jìn)行自相關(guān)運(yùn)算得到自相關(guān)函數(shù)，然后使用CONTIN 等算法對(duì)相關(guān)函數(shù)進(jìn)行反演，從而得到粒度分布。圖像動(dòng)態(tài)光散射法則采用相機(jī)作為探測器，相機(jī)的CMOS/CCD 陣列相當(dāng)于數(shù)以萬計(jì)的探測器單元同時(shí)進(jìn)行測量，大大縮短了測量時(shí)間，并采用二維相關(guān)算法處理圖像，得到顆粒的粒徑。

固定取向的非球形粒子不僅可以改變?nèi)肷涔馐ㄟ^粒子后的能量特性，還可以改變其偏振狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱為散射介質(zhì)的二向色性，它是由于入射光不同偏振分量的消光值不同造成的[11]。理論方面，有許多學(xué)者已經(jīng)對(duì)非球形顆粒的光散射特性進(jìn)行了計(jì)算研究。常見的方法有TMM（Tmatrixmethod） 、FDTD （ finite difference timedomain method） 、DDA（ discrete dipoleapproximation）等[12]。2017 年，陳玥蓉[13] 對(duì)橢球顆粒進(jìn)行了T 矩陣計(jì)算模擬，指出線偏振度對(duì)顆粒形貌較為敏感，并選取了85°散射角下的K2（線偏振度） 指標(biāo)作為顆粒物形態(tài)表征參數(shù)。Mukherjee 等[14] 利用阿姆斯特丹離散偶極近似（ Amsterdam discrete dipole approximation， ADDA）對(duì)非球形顆粒進(jìn)行單次散射模擬，指出后向散射線偏振度對(duì)非球形的敏感性，也可用于量化粒子的非球形。2012 年，Glidden 等[15] 提出了一種測量納米棒長度的偏振動(dòng)態(tài)光散射方法，利用不同的粒子幾何模型，從平移弛豫率和旋轉(zhuǎn)弛豫率直接推導(dǎo)出了粒子的尺寸。劉澤奇等[16] 在IDLS 的基礎(chǔ)上，發(fā)展出了基于去偏振?偏振圖像動(dòng)態(tài)光散射法（ depolarized-polarized image-based dynamic lightscattering，DIDLS），實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同棒狀金納米顆粒長徑比的測量。然而，納米顆粒的形貌各異，長徑比無法描述各種納米顆粒的形貌特征。因此，本文在DIDLS 基礎(chǔ)上對(duì)納米顆粒的形貌測量進(jìn)行了進(jìn)一步研究，旨在發(fā)展一種快速測量納米顆粒形貌的方法，可用于任意未知納米顆粒的形貌測量。