【内容概要】
准确快读地测量在空气和水等流体中悬浮的微粒和微气泡的自动测量法，在物理学、化学和生物学实验、地球环境测量、产业应用测量、生物医疗分析及水质检查等众多科技研究和产业领域都存在需求。但对于直径低于数微米的微粒，此前并没有能方便地同时准确测定微粒构成物质和微粒尺寸的自动测量法。此次，东京大学研究生院理学系研究科的茂木信宏助教针对流体中悬浮的直径低于1微米的微粒，开发并验证了能同时准确地自动测量微粒构成物质的复折射率和不同粒径的微粒数浓度的方法。因无需对流体样本进行预处理，所以能成本较低，适合用来对环境中的微粒进行大范围观测等。因属于无损分析，所以还可以与其他任何方法结合进行复合分析。由于具有如此高的通用性和扩展性，本次研究的方法今后有望以多种形式应用于各个领域。
【研究背景】
近年来，如何自动准确测量利用光学显微镜无法观察的数微米直径以下的微粒（或微气泡），在各个科技领域都存在需求。比如功能性纳米颗粒和微气泡等的产业应用研究、空气/水/饮料/药品的纯化、生物医疗检查、扩散到空气和海洋中的污染微粒的观测等。以望为确定颗粒构成物质，很多时候需要进行预处理。先从流体样本中分离出颗粒，然后再对分离出的颗粒样本实施元素分析和化学结构解析。另外，要想准确测量流体中不同粒径的微粒数浓度，只能使用激光散射法等不具备物质辨别能力的非接触测量法。此前并没有能同时“确定颗粒构成物质”和“测量不同粒径颗粒数浓度”的简单测量法。因此，对于多种不同的未知颗粒以未知的粒径分布共存的流体样本（例如空气和海水），几乎无法准确实施自动测量。
【研究内容】
本研究通过结合以下两种方法：基于检测流体中的颗粒穿过激光束束腰时产生的散射波的振幅和相位方法（意大利物理学家2006年发明）的自主改良法（图1），以及根据散射波的振幅和相位数据推算颗粒特征的反向解析法（本研究者发明），首次实现了可以同时“确定颗粒构成物质”及“测量不同粒径颗粒数浓度”的单纯测量法。新开发的反向解析法还能处理形状未知的颗粒，不仅是球形颗粒，非球形颗粒也能准确测量。利用该方法能准确测量各物质固有的电气特性值——复折射率的实部和虚部，因此可以推测构成物质（图1）。
图1：该测量方法的概略图（左侧）与测量数据示例（右侧）。利用该测量法，可以根据颗粒穿过光束时前方出现的入射波与散射波的干扰图案时间变化，计算出颗粒的前向散射波的振幅和相位。测量数据中的横轴和纵轴对应于用复数表示前向散射波的振幅和相位的数值（复散射振幅S22）的实部和虚部。图中的各个点表示各检测颗粒的数据点。通过对利用自动群集法从所有数据点中提取的各数据簇进行反向解析，可以确定属于各数据簇的颗粒的复折射率（图中所示）。同时还能确定各数据簇颗粒的不同粒径颗粒数浓度。
此外，还可对不同固有复折射率的颗粒群，测定不同粒径的颗粒数浓度。现有试制装置能测量的粒径范围大约为0.2至1.0微米。对流体介质的唯一要求是，该介质对于入射波波长的光基本是透明的。只要满足该波长，空气、水或有机溶剂均可应用。
【社会意义与未来展望】
此次研究的微粒测量法如图1所示，可以通过简单的结构实现。因此制作成本低，也便于根据应用目的进行改造和扩展。由于无需对样本进行预处理，可以直接导入空气和海水等进行连续测量。作为清洁的无损分析，还可串联其他分析装置进行复合分析，以及用来测量血液等生物样本。水中微气泡在工业中应用正迅速扩大，本研究首次实现了与其他杂质颗粒区别开的准确测量。如上所述，本次研究确立的基本原理有望以多种的形式应用于产业及医疗技术。
研究团队今后打算将其应用于与地球环境问题有关的空气和海洋中的各种污染微粒的广域观测。
论文信息
题目：Capabilities and limitations of the single-particle extinction and scattering method for estimating the complex refractive index and size-distribution of spherical and non-spherical submicron particles
期刊：《Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer》
DOI：10.1016/j.jqsrt.2019.106811
文：JST客观日本编辑部翻译编辑
