【内容概要】
準確快讀地測量在空氣和水等流體中懸浮的微粒和微氣泡的自動測量法，在物理可用能學、化學和生物學實驗、地球環境測量、產業應用測量、生物醫療分析及水質檢查等衆多科技研究和產業領域都存在需求。但對於直徑低於數微米的微粒，此前並沒有能方便地同時準確測定微粒構成物質和微粒尺寸的自動測量法。此次，東京大學研究生院理學系研究科的茂木信宏助教針對流體中懸浮的直徑低於1微米的微粒，開發並驗證了能同時準確地自動測量微粒構成物質的復折射率和不同粒徑的微粒數濃度的方法。因無需對流體樣本進行初步處理，所以能成本較低，適合用來對環境中的微粒進行大範圍觀測等。因屬於無損分析，所以還可以與其他任何方法結合進行復合分析。由於具有如此高的通用的性和擴展性，本次研究的方法今後有望以多種形式應用於各個領域。
【研究背景】
近年來，如何自動準確測量利用光學顯微鏡無法觀察的數微米直徑以下的微粒（或微氣泡），在各個科技領域都存在需求。比如功能性奈米顆粒和微氣泡等的產業應用研究、空氣/水/飲料/藥物的純化、生物醫療檢查、擴散到空氣和海洋中的污染微粒的觀測等。以望爲確定顆粒構成物質，很多時候需要進行初步處理。先從流體樣本中分離出顆粒，然後再對分離出的顆粒樣本實施元素分析和化學結構解析。另外，要想準確測量流體中不同粒徑的微粒數濃度，只能使用激光散射法等不具備物質辨別能力的非接觸測量法。此前並沒有能同時「確定顆粒構成物質」和「測量不同粒徑顆粒數濃度」的簡單測量法。因此，對於多種不同的未知顆粒以未知的粒徑分佈共存的流體樣本（例如空氣和海水），幾乎無法準確實施自動測量。
【研究内容】
本研究透過結合以下兩種方法：基於檢測流體中的顆粒穿過雷射束平口時產生的散射波的振幅和相方法（意大利物理可用能學家2006年發明）的自主改良法（圖1），以及根據散射波的振幅和相資料推算顆粒特徵的反向解析法（本研究者發明），首次實施了可以同時「確定顆粒構成物質」及「測量不同粒徑顆粒數濃度」的單純測量法。新開發的反向解析法還能處理形狀未知的顆粒，不僅是球形顆粒，非球形顆粒也能準確測量。利用該方法能準確測量各物質固有的電氣特性值——復折射率的實數部份和虛數部分，因此可以推測構成物質（圖1）。
圖1：該量測方法的概略圖（左側）與測量資料示例（右側）。利用該測量法，可以根據顆粒穿過光束時前方出現的入射波與散射波的干擾圖案時間變化，計算出顆粒的前向散射波的振幅和相。測量資料中的橫軸和縱軸對應於用複數表示前向散射波的振幅和相的數值（復散射振幅S22）的實數部份和虛數部分。圖中的各個點表示各檢測顆粒的資料點。透過對利用自動生殖群集法從所有資料點中提取的各資料簇進行反向解析，可以確定屬於各資料簇的顆粒的復折射率（圖中所示）。同時還能確定各資料簇顆粒的不同粒徑顆粒數濃度。
此外，還可對不同固有復折射率的粒子群，測定不同粒徑的顆粒數濃度。現有試製裝置能測量的粒徑範圍大約爲0.2至1.0微米。對流體介質的唯一要求是，該介質對於入射波波長的光基本是透明的。只要滿足該波長，空氣、水或有機溶劑均可應用。
【社會意義與未來展望】
此次研究的微粒測量法如圖1所示，可以透過簡單的結構實施。因此製作成本低，也便於根據應用目的進行改造和擴展。由於無需對樣本進行初步處理，可以直接導入空氣和海水等進行連續測量。作爲清潔的無損分析，還可串聯其他分析裝置進行復合分析，以及用來測量血液等生物樣本。水中微氣泡在工業中應用正迅速擴大，本研究首次實施了與其他雜質顆粒區別開的準確測量。如上所述，本次研究確立的基本原理有望以多種的形式應用於產業及醫療技術。
研究團隊今後打算將其應用於與地球環境問題有關的空氣和海洋中的各種污染微粒的廣域觀測。
論文資訊
題目：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客觀日本編輯部翻譯編輯
