在許多工業(yè)和環(huán)境應(yīng)用中，確定微觀顆粒的大小和分布至關(guān)重要。例如，在制藥工業(yè)中，對(duì)含有各種化學(xué)成分的顆粒進(jìn)行在線測(cè)量和控制（在片劑固化之前），可能會(huì)極大地提高最終醫(yī)療產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)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(cè)它們對(duì)于我們的健康至關(guān)重要。

（a）用于測(cè)量顆粒懸浮液的實(shí)驗(yàn)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(xué)硬件。（b）ASF的工作原理：收集來自顆粒樣品的散射光，直至達(dá)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(jiǎn)單起見，僅示出了兩個(gè)孔，但是在初始實(shí)驗(yàn)中，使用了具有不同直徑的23個(gè)孔。（c）ICFO的光學(xué)硬件實(shí)驗(yàn)室原型。

近日，在《光科學(xué)與應(yīng)用》雜志上發(fā)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(shù)大學(xué)、德國(guó)的德累斯頓理工大學(xué)和英國(guó)的利茲大學(xué)的歐洲科學(xué)家和工程師團(tuán)隊(duì)，將消費(fèi)電子產(chǎn)品和人工智能技術(shù)相結(jié)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(gè)數(shù)量級(jí)，而測(cè)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(xué)（University of Leeds）化學(xué)過程工程教授、ProPAT技術(shù)經(jīng)理弗朗斯?穆勒（Frans Muller）說：“由歐盟資助的ProPAT項(xiàng)目旨在為工業(yè)應(yīng)用提供新的傳感器，ICFO的創(chuàng)新就是一個(gè)很好的例子。在現(xiàn)實(shí)世界條件和工業(yè)中，中等規(guī)模測(cè)試的反饋將傳感器從實(shí)驗(yàn)室設(shè)備轉(zhuǎn)移到了潛在的工業(yè)環(huán)境中?！?/span>

傳統(tǒng)上，激光衍射（LD）的粒度分析儀（PSA）被廣泛應(yīng)用于測(cè)量數(shù)百納米到幾毫米的粒度。在這樣的設(shè)備中，激光聚焦在稀釋的顆粒樣品上，產(chǎn)生衍射（散射）圖案，由一組光探測(cè)器測(cè)量，并利用成熟的散射理論轉(zhuǎn)換成顆粒尺寸分布。這些設(shè)備精確可靠，但體積大（每個(gè)尺寸約為半米）、重量重（數(shù)十公斤）且價(jià)格昂貴（通常成本約為十萬美元或更多）。此外，它們的復(fù)雜性以及經(jīng)常需要訓(xùn)練有素的人員維護(hù)的事實(shí)，使得它們不切實(shí)際，例如在大多數(shù)在線工業(yè)應(yīng)用中，通常需要在多個(gè)位置的處理環(huán)境中安裝探針。

新開發(fā)的微粒子分析儀使用準(zhǔn)直光束結(jié)構(gòu)，使用簡(jiǎn)單的LED發(fā)光二極管（LED）和單個(gè)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）圖像傳感器，類似于智能手機(jī)中使用的圖像傳感器。關(guān)鍵的創(chuàng)新點(diǎn)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(biāo)樣品時(shí)，光會(huì)散射并穿過ASF到達(dá)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(gè)自組織機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）模型將傳感器圖像轉(zhuǎn)換成粒子大小。同樣的裝置可以很容易地轉(zhuǎn)換成一個(gè)霧度計(jì)，霧度計(jì)是表征多種光學(xué)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(jiǎn)單的消費(fèi)類光子器件是如何制造出來的，用LED和手機(jī)攝像頭的簡(jiǎn)單組合、一種利用可伸縮光子晶體纖維和機(jī)器學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)處理技術(shù)制造的創(chuàng)新型角度濾波器，就讓我們制造出如此緊湊、廉價(jià)和精確的設(shè)備?！?/span>

為了驗(yàn)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(cè)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(tǒng)無法測(cè)量如此高的濃度，因?yàn)楣獗欢啻紊⑸洌瑢?dǎo)致散射圖案無法轉(zhuǎn)化為粒子大小。使用隨機(jī)森林機(jī)器學(xué)習(xí)算法，可以成功地分析來自新設(shè)備的數(shù)據(jù)，增加可以測(cè)量的顆粒大小和濃度的工作范圍。

德累斯頓工業(yè)大學(xué)機(jī)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(biāo)準(zhǔn)玻璃珠濃度收集數(shù)據(jù)。根據(jù)所獲得的結(jié)果和我們的經(jīng)驗(yàn)，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(nèi)可與其他測(cè)量技術(shù)（例如LD）相提并論。”

未來，光學(xué)硬件的改進(jìn)也在設(shè)計(jì)中，研究人員正在進(jìn)一步優(yōu)化創(chuàng)新的ASF組件和改進(jìn)數(shù)據(jù)捕獲方法，以便為機(jī)器學(xué)習(xí)算法生成更大、更高保真度的數(shù)據(jù)集。未來的工作還將包括對(duì)非球形顆粒的分析，這些顆粒是用精心設(shè)計(jì)的干濕測(cè)量進(jìn)樣系統(tǒng)收集的，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)一系列工業(yè)相關(guān)系統(tǒng)的高精度分析。