在許多工業和環境應用中，確定微觀顆粒的大小和分布至關重要。例如，在制藥工業中，對含有各種化學成分的顆粒進行在線測量和控制（在片劑固化之前），可能會極大地提高最終醫療產品的產量和質量。此外，我們呼吸的空氣、喝的水和吃的食物也可能含有多種不健康的微粒，那么檢測它們對于我們的健康至關重要。
（a）用于測量顆粒懸浮液的實驗裝置示意圖，顯示了由光纖耦合LED，CMOS圖像傳感器攝像頭和聚合物角空間濾光片（ASF）組成的光學硬件。（b）ASF的工作原理：收集來自顆粒樣品的散射光，直至達到特定的累積截止角，該截止角由孔的幾何尺寸確定。為了簡單起見，僅示出了兩個孔，但是在初始實驗中，使用了具有不同直徑的23個孔。（c）ICFO的光學硬件實驗室原型。
近日，在《光科學與應用》雜志上發表的一篇新論文中，來自西班牙的ICFO和IRIS、荷蘭的Ipsumio B.V.、丹麥的技術大學、德國的德累斯頓理工大學和英國的利茲大學的歐洲科學家和工程師團隊，將消費電子產品和人工智能技術相結合，研制出一種新型的微粒子分析儀。該微粒子分析儀在尺寸、重量和成本方面都小了一個數量級，而測量顆粒尺寸的精度至少可以與商用輕型光顆粒分析儀相媲美。
利茲大學（University of Leeds）化學過程工程教授、ProPAT技術經理弗朗斯?穆勒（Frans Muller）說：“由歐盟資助的ProPAT項目旨在為工業應用提供新的傳感器，ICFO的創新就是一個很好的例子。在現實世界條件和工業中，中等規模測試的反饋將傳感器從實驗室設備轉移到了潛在的工業環境中?！?/span>
傳統上，激光衍射（LD）的粒度分析儀（PSA）被廣泛應用于測量數百納米到幾毫米的粒度。在這樣的設備中，激光聚焦在稀釋的顆粒樣品上，產生衍射（散射）圖案，由一組光探測器測量，并利用成熟的散射理論轉換成顆粒尺寸分布。這些設備精確可靠，但體積大（每個尺寸約為半米）、重量重（數十公斤）且價格昂貴（通常成本約為十萬美元或更多）。此外，它們的復雜性以及經常需要訓練有素的人員維護的事實，使得它們不切實際，例如在大多數在線工業應用中，通常需要在多個位置的處理環境中安裝探針。
新開發的微粒子分析儀使用準直光束結構，使用簡單的LED發光二極管（LED）和單個金屬氧化物半導體（CMOS）圖像傳感器，類似于智能手機中使用的圖像傳感器。關鍵的創新點是用聚合物棒擠出的不同直徑的孔陣列制成的小角度空間濾波器。在照亮目標樣品時，光會散射并穿過ASF到達傳感器上，從不同大小的孔收集的光代表了一組不同的散射角，一個自組織機器學習（ML）模型將傳感器圖像轉換成粒子大小。同樣的裝置可以很容易地轉換成一個霧度計，霧度計是表征多種光學材料的必不可少的儀器。
該論文的第一作者和ICFO光電組的博士候選人魯拜亞·侯賽因（Rubaiya Hussain）說：“這是非常令人興奮的事情，看著一種簡單的消費類光子器件是如何制造出來的，用LED和手機攝像頭的簡單組合、一種利用可伸縮光子晶體纖維和機器學習數據處理技術制造的創新型角度濾波器，就讓我們制造出如此緊湊、廉價和精確的設備?！?/span>
為了驗證新的微粒子分析儀，在液體分散體系中，研究人員在幾種工藝濃度下測試了水和玻璃微珠的混合物，其尺寸在13-125微米之間。激光衍射系統無法測量如此高的濃度，因為光被多次散射，導致散射圖案無法轉化為粒子大小。使用隨機森林機器學習算法，可以成功地分析來自新設備的數據，增加可以測量的顆粒大小和濃度的工作范圍。
德累斯頓工業大學機械過程工程小組研究員Dipl.-Ing說，“我們使用巴塞羅那ICFO的微粒子分析儀裝置，從不同粒徑范圍和標準玻璃珠濃度收集數據。根據所獲得的結果和我們的經驗，我們很高興地看到，中值的百分之幾的精度體積粒徑（D50）在微米范圍內可與其他測量技術（例如LD）相提并論。”
未來，光學硬件的改進也在設計中，研究人員正在進一步優化創新的ASF組件和改進數據捕獲方法，以便為機器學習算法生成更大、更高保真度的數據集。未來的工作還將包括對非球形顆粒的分析，這些顆粒是用精心設計的干濕測量進樣系統收集的，從而實現對一系列工業相關系統的高精度分析。
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