In veel industriële en milieutoepassingen, het bepalen van de grootte en verdeling van microscopisch kleine deeltjes is essentieel. Bijvoorbeeld, in de farmaceutische industrie, inline meting en controle van deeltjes die verschillende chemische ingrediënten bevatten (vóór consolidatie in tabletten) kan de opbrengst en kwaliteit van het uiteindelijke medische product kritisch verbeteren. Ook, de lucht die we inademen, water dat we drinken en voedsel dat we eten kan ook veel soorten ongezonde deeltjes bevatten, wat vervolgens cruciaal is om te detecteren voor onze gezondheid en welzijn.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Lichtwetenschap en toepassing , een team van Europese wetenschappers en ingenieurs van ICFO en IRIS in Spanje, Ipsumio B.V. in Nederland, de Technische Universiteit van Denemarken, de Technische Universität Dresden in Duitsland en de Universiteit van Leeds in het VK, heeft een nieuwe microdeeltjesgrootte-analysator ontwikkeld door consumentenelektronicaproducten en kunstmatige intelligentie te combineren. Het apparaat, een orde van grootte kleiner in termen van grootte, gewicht en kosten, meet de deeltjesgrootte met een precisie die vergelijkbaar is met in ieder geval commerciële op licht gebaseerde deeltjesgrootte-analysatoren.

"Het door de EU gefinancierde project ProPAT was gericht op het leveren van nieuwe sensoren voor industriële toepassingen. De door ICFO ontwikkelde innovatie is een goed voorbeeld van een dergelijke sensor. De feedback van tests op proefschaal in reële omstandigheden en eindindustrieën heeft de sensor van een laboratoriumapparaat naar een mogelijke toepasbaarheid in industriële omgevingen, " zegt Frans Müller, professor in chemische procestechnologie aan de Universiteit van Leeds en de technisch manager van ProPAT.

conventioneel, Op laserdiffractie (LD) gebaseerde deeltjesgrootte-analysatoren (PSA) worden veel gebruikt voor het meten van deeltjesgrootte van honderden nanometers tot enkele millimeters. Bij dergelijke apparaten laserlicht gericht op een verdund deeltjesmonster produceert een diffractiepatroon (verstrooiing), gemeten door een reeks lichtdetectoren en omgezet in een deeltjesgrootteverdeling met behulp van gevestigde verstrooiingstheorie. Deze apparaten zijn nauwkeurig en betrouwbaar, maar groot (elke afmeting is in de orde van grootte van een halve meter), zwaar (tientallen kg) en duur (vaak in de orde van honderdduizend dollar of meer). In aanvulling, hun complexiteit, samen met het feit dat ze vaak onderhoud en goed opgeleid personeel nodig hebben, maak ze onpraktisch, bijvoorbeeld in de meeste online industriële toepassingen, die de installatie van sondes in verwerkingsomgevingen vereisen, vaak op meerdere locaties.

De nieuw ontwikkelde PSA werkt in een gecollimeerde bundelconfiguratie met behulp van een eenvoudige LED-lichtgevende diode (LED) en een enkele metaaloxide-halfgeleider (CMOS) beeldsensor, vergelijkbaar met die gebruikt in smartphones. De belangrijkste innovatie is het kleine hoekig ruimtelijke filter (ASF) gemaakt met een reeks gaten met verschillende diameters die is geëxtrudeerd uit een polymeerstaaf. Bij het verlichten van het doelmonster, licht verstrooit en gaat door de ASF op de sensor. Licht verzameld uit gaten van verschillende grootte is representatief voor een andere set verstrooiingshoeken. Een ad-hocmodel voor machine learning (ML) zet het sensorbeeld om in deeltjesgrootte. Hetzelfde apparaat kan eenvoudig worden omgebouwd tot een hazemeter, een essentieel instrument om veel optische materialen te karakteriseren.

"Het is heel spannend om te zien hoe een eenvoudige combinatie van fotonische componenten voor consumenten, zoals een LED en een telefooncamera, een innovatief hoekfilter vervaardigd met behulp van massaschaalbare fotonische kristalvezelextrusie en machine learning-gegevensverwerking heeft ons in staat gesteld om zo'n compact, goedkoop en nauwkeurig apparaat, " zegt Rubaiya Hussain, eerste auteur van het papier en Ph.D. kandidaat in de Optoelectronics groep bij ICFO.

Om de nieuwe PSA te valideren, mengsels van water en glasparels met afmetingen in het bereik van 13 tot 125 micrometer werden getest bij verschillende procesconcentraties in vloeibare dispersies. Laserdiffractiesystemen kunnen zulke hoge concentraties niet meten omdat licht meerdere keren wordt verstrooid, wat resulteert in verstrooiingspatronen die niet kunnen worden omgezet in deeltjesgrootte. Met behulp van het random forest machine learning-algoritme konden de gegevens van het nieuwe apparaat met succes worden geanalyseerd, het vergroten van het werkbereik van deeltjesgroottes en concentraties die kunnen worden gemeten.

"We gebruikten het PSA-apparaat gebouwd bij ICFO in Barcelona om gegevens te verzamelen van verschillende deeltjesgroottebereiken en concentraties van standaard glasparels. Volgens de verkregen resultaten en onze ervaring, we waren verheugd te zien dat de nauwkeurigheid van enkele % van de mediane volumedeeltjesgrootte (D50) vergelijkbaar is met andere meettechnieken (bijv. LD) in het micrometerbereik, " zegt Dipl.-Ing. Rodrigo R. Retamal Marín, onderzoeker in de Mechanical Process Engineering groep aan de Technische Universität Dresden.

Toekomstige verbeteringen in de optische hardware worden ook ontworpen. Vooral, verdere optimalisatie van de innovatieve ASF-component en verfijnde methoden voor het vastleggen van gegevens worden ondernomen, grotere produceren, hogere betrouwbaarheidsdatasets voor het machine learning-algoritme. Toekomstig werk omvat ook de analyse van niet-bolvormige deeltjes, verzameld met goed ontworpen monstertoevoersystemen voor zowel droge als natte metingen, wat leidt tot zeer nauwkeurige analyse voor een reeks industrieel relevante systemen.

"We zijn van plan om de inherente flexibiliteit van het eenvoudige ontwerp en de lage hardwarekosten van onze gepatenteerde PSA te gebruiken voor specifieke toepassingen, bijvoorbeeld online of online monitoring, en we zijn op zoek naar partners uit verschillende industrieën en onderzoeksinstellingen, " zegt Valerio Pruneri, ICREA Professor bij ICFO en hoofdauteur van het werk.