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Scientific Reports 5권, 기사 번호: 15696(2015) 이 기사 인용

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레이저 유도 파괴 감지 기술(LIBD)은 공기역학적 렌즈에 의해 진공 상태에서 초점이 맞춰진 나노입자 빔의 빠른 현장 특성화를 달성하기 위해 적용되었습니다. 이 방법은 단일 입자와의 레이저 상호작용에 의해 유도된 국소 플라즈마를 생성하는 촘촘하게 초점을 맞춘 21μm 스캐닝 레이저 마이크로프로브를 사용합니다. 계수 모드 광학 감지를 사용하면 높은 반복률의 적외선 펄스 레이저를 사용하여 분석 시간을 단축하면서 나노입자 빔의 2D 매핑을 달성할 수 있습니다. 예를 들어, 트립토판 나노입자로 얻은 결과가 제시되고 기존 방법에 비해 이 방법의 장점이 논의됩니다.

나노입자의 현장 및 실시간 분석을 위한 레이저 기반 기술(예: 광 산란, 레이저 유도 플라즈마 또는 라만 기반 분광학)은 대기 또는 대기 중 공정 제어 또는 폐수 모니터링과 같은 다양한 응용 분야에 적용되었습니다. 환경 과학1,2,3,4. 구현의 용이성과 원격, 현장 및 실시간 분석 기능 덕분에 이러한 기술은 시료 처리를 최소화해야 하거나 샘플링이 직접적으로 불가능할 때(예: 방사성 원소 또는 진공 시료) 완벽하게 적합합니다. . 또한, 이러한 방법의 대부분은 전체 입자 양의 아주 작은 부분만이 특성화에 사용되므로 비침습적이며 거의 비파괴적입니다.

이러한 레이저 기반 기술 중에서 LIBD는 수용액5,6,7의 콜로이드 크기 분포를 결정하는 것으로 잘 알려진 매우 민감한 방법입니다. 이 기술에서는 펄스 레이저 빔이 입자에 집중되고 유도된 파괴가 플라즈마 충격파를 모니터링하기 위한 음향 방법(압전 수신기)8 또는 방출된 빛9을 수집하기 위한 광학 방법을 사용하여 감지됩니다. 우리의 경우, 플라즈마에서 방출된 빛은 스펙트럼 분석 없이 수집되어 기존 레이저 유도 파괴 분광법(LIBS) 기술에 비해 감도가 향상되었습니다. LIBD는 크기가 5nm10만큼 낮고 농도가 106개 입자/cm3보다 낮은 나노입자를 감지할 수 있는 반면, 기존 광산란 방법은 수십 배 더 큰 입자 밀도(1010개 입자/cm3 이상)와 같은 보다 과감한 실험 조건이 필요하다는 것이 입증되었습니다. 동일한 크기 범위11) 및/또는 프랙탈 집합체12 형태의 입자를 감지합니다.

본 연구의 목표는 대기압에서 2차 진공으로 나노입자를 전달할 수 있는 공기역학적 렌즈 시스템(ALS)으로 생성된 나노입자 빔을 특성화하기 위해 LIBD 기술을 적용하는 것입니다. 공기역학적 입자 포커싱은 직경이 다른 일련의 동축 오리피스를 통해 운반 가스를 연속적으로 압축하고 팽창시킴으로써 수행됩니다. 관성 효과로 인해 나노입자는 가스 유선에서 점진적으로 분리되어 렌즈 대칭 축을 따라 집중됩니다. 1995년 Peter McMurry13,14가 처음 개발한 이후 몇몇 다른 연구 그룹에서는 이러한 공기역학적 렌즈의 성능을 특성화하고 최적화하기 위해 연구했습니다15,16,17,18,19. 이러한 시스템은 높은 전송 효율, 나노입자의 넓은 크기 분포를 밀리미터 미만 크기의 빔에 집중시키는 능력으로 인해 에어로졸 질량 분석기20,21,22,23용 도입 도구로 일반적으로 사용됩니다. ALS는 샘플이 기질과 상호 작용하지 않는 것이 중요한 반응성과 같은 입자 특성에 대한 화학적 연구에 필수적인 도구입니다. 최근에는 이러한 시스템은 다양한 범위의 과학 연구를 위해 싱크로트론24, 자유 전자 레이저25,26 또는 기존 레이저27와 같은 방사선원과 나노 물체 사이의 효율적인 상호 작용을 얻는 데에도 사용되었습니다. ALS는 수치 시뮬레이션으로 널리 특성화되었지만 초점 특성을 체계적으로 평가하려는 실험적 시도는 드물습니다. 그러나 나노입자 빔의 특성화는 그 크기가 특정 프로브와의 상호작용 효율에 직접적인 영향을 미치기 때문에 중요한 문제입니다. 예를 들어 싱크로트론 방사선 연구의 경우 일반적인 싱크로트론 빔 크기와 동일한 범위, 즉 이 개발이 수행된 싱크로트론 SOLEIL 시설에서 PLEIADES 빔라인의 경우 약 200μm 크기의 나노입자 빔을 생성하는 것이 중요합니다.