近日，应用物理评论期刊（the journal Physical Review Applied）发表了一项创新纳米颗粒在线测量技术成果，这是一种利用光学力来操纵和分析粒子的技术，研究人员称之为光流体力感应（OptoFluidic Force Induction，OF2i）技术。

论文地址：https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.18.024056

光流体力感应（OF2i）方案示意图

纳米颗粒的实时表征在现代生产过程中正变得越来越重要。当前最流行的纳米颗粒表征技术是动态光散射（DLS）技术，它是一种基于布朗运动——即由周围液体介质碰撞引起的粒子随机运动的测量技术。一般来说，布朗运动越快，粒子越小。DLS则通过测量纳米粒子散射光波动来确定颗粒大小。但是DLS的缺陷包括无法连续在线测量，以及捕捉大颗粒（大颗粒布朗运动分辨率低）。该项目的理论物理学家和首席科学家Marko Šimić说，“纳米颗粒浸入溶液中并通过流动池泵送，聚焦的激光束沿流动方向传播通过流通池并对纳米颗粒施加光学力，这改变了粒子的速度，并允许确定基于数字的粒度、粒度分布和浓度。”

OF2i的具体测试过程是，水溶液中的纳米颗粒水平流过一个小通道，光学涡流被引导到通道下方，在纳米颗粒上施加一个力，推动它们向前并围绕光束中心转动（涡流角动量）。作为响应，纳米粒子遵循螺旋轨迹，从而最大限度地减少会破坏测量的粒子间碰撞。激光也会从纳米粒子上散射，照亮它们，以便它们可以被位于通道下方的显微镜看到。告诉摄像机将粒子的快照联系在一起，形成了一个“瀑布图”，说明了粒子的轨迹。

如图所示，弯曲的白线说明了随着时间（y轴）水平流动（x轴）的纳米颗粒的轨迹。研究人员可以根据其速度推断纳米粒子的大小，该速度由粒子线的斜率确定。纳米粒子轨迹的形状提供了有关粒子速度如何变化以及它经历了多少光学力的信息，更大的纳米颗粒会受到来自光的更强推动——这类似于具有更大帆的帆船从风中获得更大的推动力，OF2i技术本质上是通过根据船速计算帆尺寸来工作的。

研究人员表示，他们采用直径在200到900nm之间的聚苯乙烯颗粒进行验证，这也超过了DLS技术的测试能力范围。但该技术测量200nm以下颗粒时，会由于光学力导致的速度变化太小而无能为力，这意味着更小颗粒的测量仍须借助类DLS的光散射技术补充。Marko Šimić说，“除了测量大范围的颗粒尺寸外，OF2i 还具有在纳米颗粒合成过程中提供实时数据的优势，例如，改变某些参数如何影响最终产品。”

最后，该团队还希望使用该技术从纳米粒子中提取更多信息。例如，受到光学力的长方形粒子会旋转，这可以让研究人员确定粒子的球形度甚至形状。此外，散射光应包含有关纳米粒子元素组成的光谱信息。如果研究人员能够解锁这些能力，他们就可以拥有一种通用的纳米颗粒表征技术。

编译整理 YUXI

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