banner
Центр новостей
Выбирайте из нашего широкого спектра продуктов и услуг мирового класса, чтобы получить поистине незабываемые впечатления.

В

Jun 13, 2023

Научные отчеты, том 5, Номер статьи: 15696 (2015) Цитировать эту статью

2506 Доступов

8 цитат

Подробности о метриках

Методика обнаружения лазерного пробоя (LIBD) была адаптирована для быстрого определения характеристик пучков наночастиц на месте, сфокусированных в вакууме с помощью аэродинамической линзы. В методе используется узкофокусированный сканирующий лазерный микрозонд размером 21 мкм, который генерирует локальную плазму, индуцированную взаимодействием лазера с одной частицей. Оптическое детектирование в режиме счета позволяет получать двумерные изображения пучков наночастиц с меньшим временем анализа благодаря использованию инфракрасного импульсного лазера с высокой частотой повторения. В качестве примера представлены результаты, полученные с наночастицами триптофана, и обсуждены преимущества этого метода перед существующими.

Лазерные методы (например, светорассеяние, лазерно-индуцированная плазма или рамановская спектроскопия) для анализа наночастиц на месте и в реальном времени применяются для различных приложений, таких как управление технологическими процессами или мониторинг сточных вод в атмосфере или в науки об окружающей среде1,2,3,4. Простота их реализации, а также возможность дистанционного анализа на месте и в режиме реального времени делают эти методы идеально подходящими, когда обработка проб должна быть сведена к минимуму или когда отбор проб напрямую невозможен (например, радиоактивные элементы или образцы в вакууме). . Кроме того, большинство этих методов являются неинвазивными и практически неразрушающими, поскольку для определения характеристик используется лишь небольшая часть общего количества частиц.

Среди этих лазерных методов LIBD является очень чувствительным методом, хорошо известным для определения распределения коллоидов по размерам в водных растворах5,6,7. В этом методе импульсный лазерный луч жестко фокусируется на частицах, а затем индуцированный пробой детектируется либо с помощью акустического метода (пьезоприемника) для мониторинга плазменной ударной волны8, либо оптического метода сбора излучаемого света9. В нашем случае свет, излучаемый плазмой, собирается без спектрального анализа, что приводит к повышенной чувствительности по сравнению с классической методикой спектроскопии лазерного пробоя (LIBS). Было продемонстрировано, что LIBD способен обнаруживать наночастицы размером всего 5 нм10 и концентрацией ниже 106 частиц/см3, тогда как традиционные методы светорассеяния требуют более жестких экспериментальных условий, таких как плотность частиц на несколько порядков выше (более 1010 частиц/см3). для обнаружения одного и того же диапазона размеров11) и/или частиц в виде фрактальных агрегатов12.

Целью настоящей работы является адаптация метода LIBD для характеристики пучков наночастиц, генерируемых с помощью системы аэродинамических линз (ALS), позволяющей переносить наночастицы из атмосферного давления во вторичный вакуум. Аэродинамическая фокусировка частиц осуществляется путем последовательного сжатия и расширения газа-носителя через ряд коаксиальных отверстий различного диаметра. За счет эффектов инерции наночастицы постепенно отрываются от линий тока газа и фокусируются вдоль оси симметрии линзы. С момента их первоначальной разработки Питером МакМюрри13,14 в 1995 году несколько других исследовательских групп изучали эти аэродинамические линзы, чтобы охарактеризовать и оптимизировать их характеристики15,16,17,18,19. Эти системы обычно используются в качестве вводного инструмента для аэрозольных масс-спектрометров20,21,22,23 из-за их способности с высокой эффективностью фокусировать наночастицы с широким распределением размеров в луч субмиллиметрового размера. ALS является важным инструментом для химических исследований свойств частиц, таких как реакционная способность, когда важно, чтобы образец был свободен от какого-либо взаимодействия с подложкой. Совсем недавно такие системы также использовались для обеспечения эффективного взаимодействия между нанообъектами и источниками излучения, такими как синхротроны24, лазеры на свободных электронах25,26 или обычные лазеры27, для широкого круга научных исследований. Хотя БАС широко охарактеризован с помощью численного моделирования13,18,28,29, экспериментальные попытки систематически оценить его фокусирующие свойства редки19,22. Однако характеристика пучков наночастиц является ключевым вопросом, поскольку их размеры напрямую влияют на эффективность взаимодействия с конкретным зондом. Например, для исследований синхротронного излучения важно генерировать пучок наночастиц с размерами в том же диапазоне, что и типичный размер синхротронного луча, т.е. около 200 мкм в случае канала PLIADES на установке Synchrotron SOLEIL, где была выполнена эта разработка.

 6 m), which ensures a good quality beam allowing suitable irradiances for the plasma formation. The fiber connector is water-cooled to avoid fiber degradation during continuous use at high repetition rates. The beam is collimated with a 100-mm focal length lens. A 45° dichroic mirror reflects the beam toward a microscope objective (N.A. = 0.25, working distance W.D. = 15 mm, magnification = 10) which focuses the laser beam. The whole optical assembly is mounted on two computer-controlled motorized translation stages, with the translation axes perpendicular to each other (Fig. 1(b)) so that the laser microprobe permits 2D scanning of the nanoparticle beam. The laser energy at the target is monitored by a wattmeter located outside of the vacuum chamber using a 30-mm focal length lens to collimate the beam after the interaction region. The plasma emission is collected with a photomultiplier tube (PMT R212, Hamamatsu) equipped with a 0° cavity laser mirror to filter the light from the laser and is located perpendicularly to the laser axis. During 2D scans of the nanoparticles’ beam, the optical emission signal is monitored in counting mode from each plasma event at the different laser positions within the beam and hence, only events with a response exceeding the noise threshold are counted during the integration time. The advantage of this method is to overcome fluctuations in signal intensity, the number of events thus being directly related to the density of nanoparticles at different locations within the nanoparticle beam, while the measurement uncertainty is well characterized by a Poisson distribution. The overall setup is presented in Fig. 1./p>