在許多工業(ye) 和環境應用中，確定微觀顆粒的大小和分布至關(guan) 重要。例如，在製藥工業(ye) 中，對含有各種化學成分的顆粒進行在線測量和控製（在片劑固化之前），可能會(hui) 極大地提高最終醫療產(chan) 品的產(chan) 量和質量。此外，我們(men) 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，那麽(me) 檢測它們(men) 對於(yu) 我們(men) 的健康至關(guan) 重要。

（a）用於(yu) 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(chuan) 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(wei) 了簡單起見，僅(jin) 示出了兩(liang) 個(ge) 孔，但是在初始實驗中，使用了具有不同直徑的23個(ge) 孔。（c）ICFO的光學硬件實驗室原型。

近日，在《光科學與(yu) 應用》雜誌上發表的一篇新論文中，來自西班牙的ICFO和IRIS、荷蘭(lan) 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(zi) 大學的歐洲科學家和工程師團隊，將消費電子產(chan) 品和人工智能技術相結合，研製出一種新型的微粒子分析儀(yi) 。該微粒子分析儀(yi) 在尺寸、重量和成本方麵都小了一個(ge) 數量級，而測量顆粒尺寸的精度至少可以與(yu) 商用輕型光顆粒分析儀(yi) 相媲美。

利茲(zi) 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(wei) 工業(ye) 應用提供新的傳(chuan) 感器，ICFO的創新就是一個(ge) 很好的例子。在現實世界條件和工業(ye) 中，中等規模測試的反饋將傳(chuan) 感器從(cong) 實驗室設備轉移到了潛在的工業(ye) 環境中。”

傳(chuan) 統上，激光衍射（LD）的粒度分析儀(yi) （PSA）被廣泛應用於(yu) 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(chan) 生衍射（散射）圖案，由一組光探測器測量，並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(ti) 積大（每個(ge) 尺寸約為(wei) 半米）、重量重（數十公斤）且價(jia) 格昂貴（通常成本約為(wei) 十萬(wan) 美元或更多）。此外，它們(men) 的複雜性以及經常需要訓練有素的人員維護的事實，使得它們(men) 不切實際，例如在大多數在線工業(ye) 應用中，通常需要在多個(ge) 位置的處理環境中安裝探針。

新開發的微粒子分析儀(yi) 使用準直光束結構，使用簡單的LED發光二極管（LED）和單個(ge) 金屬氧化物半導體(ti) （CMOS）圖像傳(chuan) 感器，類似於(yu) 智能手機中使用的圖像傳(chuan) 感器。關(guan) 鍵的創新點是用聚合物棒擠出的不同直徑的孔陣列製成的小角度空間濾波器。在照亮目標樣品時，光會(hui) 散射並穿過ASF到達傳(chuan) 感器上，從(cong) 不同大小的孔收集的光代表了一組不同的散射角，一個(ge) 自組織機器學習(xi) （ML）模型將傳(chuan) 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(ge) 霧度計，霧度計是表征多種光學材料的必不可少的儀(yi) 器。

該論文的第一作者和ICFO光電組的博士候選人魯拜亞(ya) ·侯賽因（Rubaiya Hussain）說：“這是非常令人興(xing) 奮的事情，看著一種簡單的消費類光子器件是如何製造出來的，用LED和手機攝像頭的簡單組合、一種利用可伸縮光子晶體(ti) 纖維和機器學習(xi) 數據處理技術製造的創新型角度濾波器，就讓我們(men) 製造出如此緊湊、廉價(jia) 和精確的設備。”

為(wei) 了驗證新的微粒子分析儀(yi) ，在液體(ti) 分散體(ti) 係中，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。激光衍射係統無法測量如此高的濃度，因為(wei) 光被多次散射，導致散射圖案無法轉化為(wei) 粒子大小。使用隨機森林機器學習(xi) 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範圍。

德累斯頓工業(ye) 大學機械過程工程小組研究員Dipl.-Ing說，“我們(men) 使用巴塞羅那ICFO的微粒子分析儀(yi) 裝置，從(cong) 不同粒徑範圍和標準玻璃珠濃度收集數據。根據所獲得的結果和我們(men) 的經驗，我們(men) 很高興(xing) 地看到，中值的百分之幾的精度體(ti) 積粒徑（D50）在微米範圍內(nei) 可與(yu) 其他測量技術（例如LD）相提並論。”

未來，光學硬件的改進也在設計中，研究人員正在進一步優(you) 化創新的ASF組件和改進數據捕獲方法，以便為(wei) 機器學習(xi) 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幹濕測量進樣係統收集的，從(cong) 而實現對一係列工業(ye) 相關(guan) 係統的高精度分析。