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Scientific Reports Band 5, Artikelnummer: 15696 (2015) Diesen Artikel zitieren

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Die Laser-Induced Breakdown Detection-Technik (LIBD) wurde angepasst, um eine schnelle In-situ-Charakterisierung von Nanopartikelstrahlen zu erreichen, die unter Vakuum durch eine aerodynamische Linse fokussiert werden. Die Methode verwendet eine eng fokussierte, 21 μm große Rasterlaser-Mikrosonde, die ein lokales Plasma erzeugt, das durch die Laserinteraktion mit einem einzelnen Partikel induziert wird. Eine optische Erkennung im Zählmodus ermöglicht die Erstellung von 2D-Abbildungen der Nanopartikelstrahlen mit einer verkürzten Analysezeit dank der Verwendung eines gepulsten Infrarotlasers mit hoher Wiederholungsrate. Exemplarisch werden die mit Tryptophan-Nanopartikeln erzielten Ergebnisse vorgestellt und die Vorteile dieser Methode gegenüber bestehenden Methoden diskutiert.

Laserbasierte Techniken (z. B. Lichtstreuung, laserinduziertes Plasma oder Raman-basierte Spektroskopie) für die In-situ- und Echtzeitanalyse von Nanopartikeln wurden für verschiedene Anwendungen eingesetzt, beispielsweise für die Prozesskontrolle oder die Überwachung von Abwasserabfällen in der Atmosphäre oder in Umweltwissenschaften1,2,3,4. Aufgrund der einfachen Implementierung sowie der Möglichkeit zur Fern-, In-situ- und Echtzeitanalyse sind diese Techniken perfekt geeignet, wenn die Probenhandhabung minimiert werden soll oder wenn eine Probenahme nicht direkt möglich ist (z. B. radioaktive Elemente oder Proben unter Vakuum). . Darüber hinaus sind die meisten dieser Methoden nicht-invasiv und nahezu zerstörungsfrei, da nur ein winziger Bruchteil der gesamten Partikelmenge für die Charakterisierung verwendet wird.

Unter diesen laserbasierten Techniken ist LIBD eine sehr empfindliche Methode, die für die Bestimmung von Kolloidgrößenverteilungen in wässrigen Lösungen bekannt ist5,6,7. Bei dieser Technik wird ein gepulster Laserstrahl eng auf Partikel fokussiert und der induzierte Durchschlag wird dann entweder mithilfe einer akustischen Methode (Piezoempfänger) zur Überwachung der Plasmastoßwelle8 oder einer optischen Methode zum Sammeln des emittierten Lichts9 erfasst. In unserem Fall wird das vom Plasma emittierte Licht ohne Spektralanalyse gesammelt, was zu einer erhöhten Empfindlichkeit im Vergleich zur klassischen Laser Induced Breakdown Spectroscopy-Technik (LIBS) führt. Es wurde gezeigt, dass LIBD in der Lage ist, Nanopartikel mit einer Größe von nur 5 nm10 und Konzentrationen unter 106 Partikel/cm3 zu erkennen, während herkömmliche Lichtstreumethoden drastischere experimentelle Bedingungen erfordern, wie etwa um Größenordnungen größere Partikeldichten (über 1010 Partikel/cm3). zur Detektion gleicher Größenbereiche11) und/oder Partikel in Form fraktaler Aggregate12.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit besteht darin, die LIBD-Technik anzupassen, um Nanopartikelstrahlen zu charakterisieren, die mit einem Aerodynamischen Linsensystem (ALS) erzeugt werden, das den Transfer von Nanopartikeln vom Atmosphärendruck in das Sekundärvakuum ermöglicht. Die aerodynamische Partikelfokussierung erfolgt durch sukzessive Kompression und Expansion eines Trägergases durch eine Reihe koaxialer Öffnungen mit unterschiedlichen Durchmessern. Aufgrund von Trägheitseffekten werden Nanopartikel zunehmend von den Gasstromlinien getrennt und entlang der Linsensymmetrieachse fokussiert. Seit ihrer ursprünglichen Entwicklung durch Peter Mc Murry13,14 im Jahr 1995 haben mehrere andere Forschungsgruppen diese aerodynamischen Linsen untersucht, um ihre Leistung zu charakterisieren und zu optimieren15,16,17,18,19. Diese Systeme werden häufig als Einführungsinstrument für Aerosol-Massenspektrometer20,21,22,23 verwendet, da sie in der Lage sind, breite Größenverteilungen von Nanopartikeln mit hoher Übertragungseffizienz in einen Strahl im Submillimeterbereich zu fokussieren. Das ALS ist ein wesentliches Werkzeug für chemische Untersuchungen der Partikeleigenschaften wie der Reaktivität, bei denen es wichtig ist, dass die Probe frei von jeglicher Wechselwirkung mit einem Substrat ist. In jüngerer Zeit wurden solche Systeme auch verwendet, um eine effiziente Wechselwirkung zwischen Nanoobjekten und Strahlungsquellen wie Synchrotrons24, Freie-Elektronen-Lasern25,26 oder konventionellen Lasern27 für eine Vielzahl wissenschaftlicher Studien zu erreichen. Obwohl ALS weitgehend durch numerische Simulationen charakterisiert wurden13,18,28,29, gibt es nur wenige experimentelle Versuche, ihre Fokussierungseigenschaften systematisch zu bewerten19,22. Allerdings ist die Charakterisierung von Nanopartikelstrahlen ein zentrales Thema, da ihre Abmessungen einen direkten Einfluss auf die Interaktionseffizienz mit einer bestimmten Sonde haben. Für Synchrotronstrahlungsstudien ist es beispielsweise wichtig, einen Nanopartikelstrahl mit Abmessungen im gleichen Bereich wie die typische Synchrotronstrahlgröße zu erzeugen, d. h. etwa 200 μm im Fall der PLEIADES-Strahllinie an der Synchrotron-SOLEIL-Anlage, wo diese Entwicklung durchgeführt wurde.

Wir präsentieren hier eine von LIBD abgeleitete Technik zur In-situ-Untersuchung von Nanopartikelstrahlen unter Vakuum. Ein Versuchsaufbau, einschließlich einer Rasterlaser-Mikrosonde, wurde entwickelt, um eine direkte Charakterisierung der Fokussierung der aerodynamischen Linse über eine 2D-Abbildung des von einem ALS erzeugten Nanopartikelstrahls durchzuführen. Das Prinzip basiert darauf, dass der Durchschlag nur dann auftritt, wenn sich mindestens ein Nanopartikel im Fokusvolumen des Lasers befindet. Das Laserfokussierungssystem ist so konzipiert, dass es die Erkennung einzelner Partikel ermöglicht, und die Verwendung eines gepulsten Lasers mit hoher Wiederholfrequenz (bis zu 25 kHz), der nie für LIBD-Messungen getestet wurde, ermöglicht eine schnelle Probenahme von Nanopartikeln.

Zu Testzwecken wurden Strahlprofilmessungen an Tryptophan (C11H12N2O2)-Nanopartikeln durchgeführt, einem Molekül, das üblicherweise im Rahmen biomolekularer Studien an der PLEIADES-Strahllinie in der Synchrotron-SOLEIL-Anlage verwendet wird. Die Nanopartikel wurden mit einem kontinuierlichen Zerstäuber (Nr. 3076, TSI) aus einer wässrigen Lösung von 2 g/l Tryptophan unter Verwendung von Luft als Trägergas erzeugt. Zunächst in Wassertröpfchen eingebettete Tryptophan-Nanopartikel werden durch den Durchgang durch zwei Diffusionstrockner getrocknet. Die Partikelgrößenverteilung und die Anzahldichte werden mit einem handelsüblichen Differentialmobilitätsanalysator gemessen, der an einen Kondensationspartikelzähler gekoppelt ist (DMA 3081 & CPC 3786, TSI Inc.). Dadurch entsteht eine logarithmische Normalverteilung von Tryptophan-Nanopartikeln mit einem Modendurchmesser von 136 nm, einer geometrischen Standardabweichung von 2,0 und einer Gesamtkonzentration von 2,5 × 106 Partikeln/cm3.

Aerosole werden dann mithilfe des ALS, das an der PLEIADES-Beamline der SOLEIL-Synchrotronstrahlungsanlage entwickelt wurde (Abb. 1(a)), in die Vakuumkammer eingeführt (Abb. 1(a)), ausführlich beschrieben in Referenz 30. Die Linsengeometrie basiert auf dem von Zhang et al.17,18,17,31 bestehend aus einer Begrenzungsöffnung (200 μm) und fünf dünnen Plattenöffnungen, die durch Kammern getrennt sind und in einer Beschleunigungsdüse mit 3 mm Durchmesser enden. Das Linsensystem wird von zwei leistungsstarken Turbomolekularpumpen (2300 l/s) gepumpt, die in der Nanopartikel-Quellenkammer Drücke unter 10−6 mbar gewährleisten, bevor die Nanopartikel eingeführt werden. Am Linsenausgang durchläuft der Aerosolstrahl einen 1-mm-Skimmer zur Entfernung des Hauptgasstroms, bevor er in die Wechselwirkungskammer gelangt (Abb. 1(b)), die von einer zusätzlichen Turbomolekularpumpe (1000 l/s) gepumpt wird. Die Laser-Mikrosonde ist 51 mm von der Skimmeröffnung entfernt installiert und der Abstand zwischen Skimmer und Linsenausgang beträgt 3 mm. Unter diesen Bedingungen liegen die Betriebsdrücke in der Wechselwirkungskammer beim Einbringen von Nanopartikeln im Bereich von 10−4 mbar.

(a) Aerodynamisches Linsensystem für die Strahlerzeugung von Nanopartikeln (NP) und (b) Laser-Mikrosonden-Aufbau. Beachten Sie, dass (a) in der XY-Ebene dargestellt wird, während (b) in der XZ-Ebene dargestellt wird. In der NP-Quellenkammer (a) beziehen sich die roten Linien auf den Nanopartikelstrahl und die blauen Linien auf das vom Skimmer entfernte Trägergas vor der NP-Einführung in die Wechselwirkungskammer (b). Im LIBD-Aufbau (b) ist die Flugbahn des Laserstrahls rot dargestellt und im Wechselwirkungsbereich (gestrichelte Linie) ist das Mikroplasma, das beim Eintritt eines Partikels in das Fokusvolumen induziert wird, gelb dargestellt. Das System zur Laserenergiemessung wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeichnet.

Die Anregungsquelle ist ein gütegeschalteter Stabfaserlaser mit einem aktiven Verstärkungsmedium, das aus einer Ytterbium-dotierten photonischen Kristallfaser32 (Boreas HE-IR20, Eolite) besteht. Der Laser emittiert im Infrarotbereich (λ = 1030 nm) mit einer nominellen Impulsbreite von 9 bis 20 ns bei Wiederholungsraten zwischen 1 und 25 kHz. Am Hohlraumausgang beträgt die maximale Pulsenergie 2 mJ und die maximale Durchschnittsleistung 20 W bei einem hervorragenden Strahlprofil (Strahlqualitätsfaktor M2 nahe 1). Der Laserstrahl wird mithilfe einer optischen Faser (numerische Apertur NA = 0,05, Kerndurchmesser = 105 μm, Länge > 6 m) in die Wechselwirkungskammer geführt und eingeführt, wodurch eine gute Strahlqualität gewährleistet wird, die geeignete Bestrahlungsstärken für die Plasmabildung ermöglicht. Der Faserstecker ist wassergekühlt, um eine Verschlechterung der Faser während des Dauereinsatzes mit hohen Wiederholungsraten zu vermeiden. Der Strahl wird mit einer Linse mit 100 mm Brennweite kollimiert. Ein dichroitischer 45°-Spiegel reflektiert den Strahl in Richtung eines Mikroskopobjektivs (NA = 0,25, Arbeitsabstand WD = 15 mm, Vergrößerung = 10), das den Laserstrahl fokussiert. Die gesamte optische Baugruppe ist auf zwei computergesteuerten motorisierten Translationstischen montiert, wobei die Translationsachsen senkrecht zueinander stehen (Abb. 1 (b)), sodass die Lasermikrosonde ein 2D-Scannen des Nanopartikelstrahls ermöglicht. Die Laserenergie am Ziel wird von einem Wattmeter außerhalb der Vakuumkammer überwacht, wobei eine Linse mit 30 mm Brennweite verwendet wird, um den Strahl nach dem Wechselwirkungsbereich zu kollimieren. Die Plasmaemission wird mit einer Photomultiplierröhre (PMT R212, Hamamatsu) gesammelt, die mit einem 0°-Hohlraum-Laserspiegel zum Filtern des Laserlichts ausgestattet ist und senkrecht zur Laserachse angeordnet ist. Bei 2D-Scans des Nanopartikelstrahls wird das optische Emissionssignal von jedem Plasmaereignis an den verschiedenen Laserpositionen innerhalb des Strahls im Zählmodus überwacht. Daher werden während der Integrationszeit nur Ereignisse gezählt, deren Reaktion die Rauschschwelle überschreitet. Der Vorteil dieser Methode besteht darin, Schwankungen in der Signalintensität zu überwinden. Die Anzahl der Ereignisse steht somit in direktem Zusammenhang mit der Dichte der Nanopartikel an verschiedenen Orten innerhalb des Nanopartikelstrahls, während die Messunsicherheit durch eine Poisson-Verteilung gut charakterisiert ist. Der Gesamtaufbau ist in Abb. 1 dargestellt.

Für die Entwicklung der Lasermikrosonde ist ein eng fokussierter Strahl Voraussetzung, um eine ausreichende räumliche Auflösung für die Messung von Nanopartikelstrahlen mit einer Breite im Submillimeterbereich zu haben. Da die Eigenschaften des Laserstrahls einen starken Einfluss auf seine Fokussierung und damit auf die Wechselwirkung zwischen Laser und Materie33 haben, wurde das Laserstrahlprofil am Ausgang der optischen Faser charakterisiert. Ein Objektiv mit einer Brennweite von 1 m wird verwendet, um die Strahltaille am Faserausgang auf einer CCD-Kamera (BeamStar FX 50, Ophir) abzubilden, und die Impulsenergie wird mit geeigneten Neutraldichtefiltern gedämpft, um eine Sättigung der Kamera zu vermeiden. Die räumliche Intensitätsverteilung innerhalb des Strahls wird für verschiedene Laserwiederholungsraten bei maximal verfügbarer Leistung überwacht (Abb. 2).

Laserstrahlprofile für unterschiedliche Wiederholungsraten.

Es entsteht ein hutförmiges Profil mit einem Strahlqualitätsfaktor M2 zwischen 7,6 und 9,5, abhängig von der Wiederholrate. Die Strahldivergenz beträgt 50 mrad, wie aufgrund der Eigenschaften der optischen Faser zu erwarten ist. Alle diese Parameter werden verwendet, um die Abmessungen der Strahltaille in der Brennebene unseres optischen Aufbaus theoretisch zu modellieren. Beachten Sie, dass in den Strahlraumprofilen für Wiederholungsraten größer oder gleich 5 kHz Hotspots (in Rot) vorhanden sind. Dies kann zu einer nicht vernachlässigbaren Verzerrung des realen Laserwechselwirkungsvolumens führen, die bei der weiteren Schätzung der Partikeldichte im Nanopartikelstrahl berücksichtigt werden muss. Um die Laserfleckgröße zu überprüfen, wird ein Stahlziel in der Brennebene der Lasermikrosonde platziert und die resultierenden Krater mit einem interferometrischen 3D-Weißlicht-Profilometer (ContourGT-I, BRUKER) gemessen. Dies liefert eine repräsentative Messung der Strahltaille unter unseren Versuchsbedingungen, da die Art des Ziels keinen wesentlichen Einfluss auf die Kratergröße eines Top-Hat-Laserstrahls hat. Abbildung 3 zeigt einen typischen Krater, der aus einem einzelnen Laserschuss mit der entwickelten Mikrosonde entstanden ist. Das Zentrum des erhaltenen Profils spiegelt die räumliche Verteilung der Laserintensität wider, während die deutliche Verbreiterung nahe der Oberfläche durch Erosion aufgrund der Plasma/Oberflächen-Wechselwirkung bei hoher Laserenergie induziert wird. Berechnungen basierend auf der Ausbreitung von Gaußschen Strahlen sagen einen Fokusdurchmesser von 21,4 ± 2,3 μm voraus und die Messungen am Stahlziel zeigen einen mittleren Durchmesser des zentralen Teils des Kraters von 20,8 ± 1,6 μm für die verschiedenen Wiederholungsraten. Die gute Übereinstimmung dieser Werte bestätigt, dass der Laseraufbau vollständig charakterisiert ist.

(a) Bild und (b) Profil eines Einzelschusskraters, der von der Lasermikrosonde auf einem Stahlziel mit einer Bestrahlungsstärke von 20 GW/cm2 und einer Wiederholungsrate von 10 kHz erzeugt wurde.

Mit dieser optischen Konfiguration führen wir das effektive Volumen Veff ein, definiert als der Teil des Wechselwirkungsbereichs, in dem die Laserbestrahlungsstärke höher oder gleich der Durchbruchschwelle eines Partikels ist. Abbildung 4 zeigt die Durchschlagswahrscheinlichkeit als Funktion der Laserbestrahlungsstärke. Aus dieser Zahl wird eine Durchbruchschwellenbestrahlungsstärke von 5,7 GW/cm2 für 130 nm große Tryptophan-Nanopartikel geschätzt. Dieser Wert ist im Vergleich zu dem, was normalerweise bei festen Zielen beobachtet wird, recht hoch. Dies kann sowohl durch die geringe Dichte des biologischen Materials, aus dem Tryptophan besteht, als auch durch seine partikuläre Beschaffenheit erklärt werden. Beachten Sie, dass die Durchbruchsschwellenbestrahlungsstärke von Wassertröpfchen zuvor bei 6 GW/cm2 bei 1064 nm34 gemessen wurde.

Durchschlagswahrscheinlichkeit als Funktion der Laserbestrahlungsstärke.

Die daraus abgeleitete Durchschlagsschwelle wird auf 5,7 GW/cm2 geschätzt.

Die in Abb. 4 dargestellten Messungen wurden mit verschiedenen in Tabelle 1 aufgeführten Laserkonfigurationen erhalten. Bei unterschiedlichen Wiederholungsraten zwischen 5 und 25 kHz sind die Energie pro Impuls und M2 unterschiedlich, was zu unterschiedlichen Bestrahlungsstärken und unterschiedlichen effektiven Volumina führt. Unter unseren Versuchsbedingungen entspricht dies einer mittleren Partikelzahl μ im effektiven Volumen zwischen 2,8 × 104 und 7,1 × 104 μm3. Unter Annahme der Poisson-Statistik wird die Partikelabtastrate (PSR), definiert als der Prozentsatz der Laserimpulse, von denen erwartet wird, dass sie mindestens ein Partikel abtasten, durch den Ausdruck35 angegeben: PSR = (1 − e−μ). Unter Berücksichtigung der nach der Zerstäubung der Suspension gemessenen Partikelkonzentration und unter Berücksichtigung der Tatsache, dass nur 10 % der produzierten Partikel in das ALS eingebracht werden, können wir die Partikeldichte im Laserfokusvolumen abschätzen. Bei einem Volumenstrom von 0,3 l/s im ALS und einer Partikelgeschwindigkeit von 250 m/s am ALS-Auslass bei einem Nanopartikelstrahldurchmesser von 200 μm im Wechselwirkungsbereich ergibt sich eine durchschnittliche Partikeldichte von etwa 1,6 × 105 Partikel/ cm3 im Wechselwirkungsbereich. Unter diesen Bedingungen beträgt der maximal erwartete PSR 1,1 %. Die Wahrscheinlichkeit, mehr als ein Teilchen im Fokusvolumen zu entdecken, ist dann völlig vernachlässigbar, unabhängig von den Laserbedingungen. Folglich ist es möglich, das Signal des PMT im Zählmodus zu überwachen, während wir eine Einzelpartikel-Probenahme erreichen, und so können Profile des Nanopartikelstrahls mit der in dieser Arbeit entwickelten Laser-Mikrosonde bestimmt werden.

Das experimentelle PSR ist bei allen Laserkonfigurationen viel niedriger als erwartet. Dies könnte teilweise durch einen möglichen Agglomerationsprozess innerhalb des Strahls und durch Partikelverlust an der begrenzenden Öffnung des ALS erklärt werden. Dennoch ist dieser Unterschied eher auf eine Unterschätzung der Durchbruchschwelle aus Abb. 4 zurückzuführen. Wenn wir die in Abb. 2 gezeigten räumlichen Laserprofile betrachten, zeigen die roten Flecken bei höheren oder gleichen Wiederholungsraten höhere lokale Intensitäten im Fokusvolumen bis 5 kHz. Wird die Durchbruchsschwelle nur in den entsprechenden lokal höheren Intensitätsbereichen erreicht, wird das effektive Volumen stark überschätzt und kann leicht um den Faktor zehn kleiner ausfallen als unter der Annahme eines homogenen räumlichen Profils berechnet. Das Vorhandensein einer dünnen Lösungsmittelschicht um die Partikel aufgrund unvollständiger Trocknung kann auch zu einer schwächeren Nanopartikel-Laser-Wechselwirkung führen, was zu einem geringeren PSR führt. Dies kann bei hydrophilen Materialpartikeln wie TiO236 der Fall sein. Derzeit wird daran gearbeitet, die Abbauschwellen von Nanopartikeln mit diesem Aufbau genauer zu untersuchen.

Die Wahl der Laserkonfiguration für die Charakterisierung des Nanopartikelstrahls erfolgte nach den Kriterien des maximalen experimentellen Signal-Rausch-Verhältnisses, das für eine Wiederholungsrate von 20 kHz erhalten wurde (siehe Tabelle 1). Es ist auch zu beachten, dass bei dieser Wiederholungsrate die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Laserschüssen 50 μs beträgt, während die mit einem Oszilloskop gemessene Plasmaemissionsdauer 250 ns nicht überschreitet. Folglich ist das Plasma beim nächsten Laserschuss bereits verschwunden, was die Verwendung dieser hohen Laserwiederholungsrate ermöglicht. Im Vergleich zur klassischen LIBS-Analyse, bei der Plasmen mehrere Mikrosekunden dauern können, sind die unter unseren Versuchsbedingungen erzielten Plasmalebensdauern aufgrund der Erzeugung im Vakuum kurz. Tatsächlich verursacht niedriger Druck (unter 1 mbar) eine extrem schnelle Plasmaexpansion mit abnehmenden Kollisionen, was zu einem schnelleren Zerfall angeregter Spezies und damit zu Plasmalebensdauern von weniger als 1 μs37,38 führt. Darüber hinaus sind die Fokussierungsbedingungen darauf ausgelegt, pro Laserschuss weniger als ein Nanopartikel in der Brennebene zu erreichen, wodurch die Menge der verdampften Materie im Vergleich zur Massen- oder Mikropartikelanalyse stark reduziert wird, was die beobachtete kurze Plasmadauer erklärt.

Die 2D-Kartierung wird mit einem Tryptophan-Nanopartikelstrahl mit einer durchschnittlichen Laserleistung von 10,7 W bei 20 kHz durchgeführt, was einer durchschnittlichen Laserbestrahlungsstärke von 11,6 GW/cm2 auf dem Ziel entspricht. Die Anzahl der Ereignisse wird für eine Zählzeit von 10 s pro Position für das 1D-Profil (Abb. 5 (a)) und 5 s für die 2D-Kartierung (Abb. 5 (b)) aufgezeichnet. Das Signal wird zum Vergleich auch in Abwesenheit von Nanopartikeln überwacht und zeigt ein Signal-Rausch-Verhältnis über 150. Außerdem wurde ein Scan durchgeführt, bei dem sich nur Wasser im Zerstäuber befand, der mit den Diffusionstrocknern verbunden war, und ein ähnlich flaches Profil beobachtet wurde. Aus der für jede X- und Z-Position ermittelten Anzahl von Ereignissen kann eine 2D-Visualisierung des Strahls erhalten werden (Abb. 5(b)). Dank der hohen Wiederholrate des Lasers können 1D-Profile in nur wenigen Minuten und 2D-Mappings in etwa 20 Minuten erstellt werden. Bei einer Laserwiederholungsrate von 20 Hz, die üblicherweise in LIBD-Setups verwendet wird, würde die gleiche Kartografie eine Erfassungszeit von 14 Tagen erfordern. 2D-Daten werden mit der LOESS-Funktion (Locally Weighted Scatterplot Smoothing) unter Verwendung der Igor Pro-Software (Wavemetrics Inc.) geglättet, um eine durchschnittliche Darstellung der räumlichen Dichteverteilung zu erhalten. Wie in Abb. 5(a) zu sehen ist, weist das angepasste Strahlprofil eine Lorentzsche Form auf, wie sie bereits für mit einem ALS39 erzeugte Nanopartikelstrahlen beobachtet wurde. Die Halbwertsbreite (FWHM) wird mit 70 μm ± 6 μm bestimmt und die Gesamtbreite, die so definiert ist, dass 90 % der maximalen Intensität im Strahlprofil enthalten sind, beträgt durchschnittlich 211 μm ± 22 μm aus den Versuchsprofilen. Das Strahlprofil wurde auch mit Wiederholungsraten von 10 und 25 kHz bestimmt und zeigte keine signifikanten Änderungen. Das bedeutet, dass das Strahlprofil mit der Lasermikrosonde unabhängig von der Wiederholrate und der verwendeten Laserenergie genau und konsistent bestimmt wird.

(a) 1D-Profil und (b) 2D-Kartierung mit 3D-Visualisierung des Tryptophan-Nanopartikelstrahls, durchgeführt mit der Laser-Mikrosonde bei einer durchschnittlichen Leistung von 10,7 W und einer Wiederholungsrate von 20 kHz. Die blaue durchgezogene Linie im 1D-Profil stellt die Lorentz-Anpassung dar, die zur Bestimmung der Strahlbreite verwendet wird.

Um die Zuverlässigkeit dieser Ergebnisse mit den realen Strahlabmessungen zu vergleichen, wurden Tryptophan-Nanopartikel auch auf einem Glassubstrat in der Vakuumkammer in der Nähe des Wechselwirkungsbereichs abgeschieden, um den mit dem Laser gemessenen Durchmesser darzustellen. Bilder der Ablagerungen wurden mit einem optischen Mikroskop aufgenommen und die Strahlabmessungen der Nanopartikel wurden mit der Open-Access-Software ImageJ gemessen40. Obwohl die auf dem Glassubstrat beobachteten Durchmesser in der gleichen Größenordnung liegen wie die mit unserer Lasermikrosonde ermittelten, wurde festgestellt, dass die Strahlabmessungen auf dem Substrat zwischen 2 und 10 Minuten Abscheidungszeit um fast den Faktor 3 zunahmen (70). –220 μm). Darüber hinaus hängt die Bestimmung der Strahldurchmesser aus dem Mikroskopbild von der vom Bediener gewählten Methode zur Definition des mittleren Durchmessers ab, was die Unsicherheit der Messung erhöht. Dies verdeutlicht die gravierenden Nachteile dieser einfachen Methode und verdeutlicht den Vorteil von LIBD für die In-situ-Charakterisierung der Nanopartikelstrahlen. Darüber hinaus kann die Laser-Mikrosonde im Vergleich zu der auf Messungen mit einem Elektrometer19 basierenden Methode, die die Verwendung eines Messerkanten-Strahlstopps und die Kenntnis des elektrischen Ladungszustands erfordert, auf nicht geladene Nanopartikel angewendet werden und bietet eine Strahlvisualisierung in 3D ohne dass eine Partikelablagerung erforderlich ist. Die Methode ist auch bei kleinen (<150 nm), nicht agglomerierten und verdünnten Nanopartikeln von hoher Relevanz im Vergleich zu Lichtstreutechniken22, die für derart verdünnte Medien nicht geeignet sind und keine Lasersondengröße im Bereich von mehreren zehn Mikrometern ermöglichen Bereich (im Allgemeinen auf Hunderte von Mikrometern begrenzt).

Es wird eine innovative und vielversprechende Anwendung der laserinduzierten Plasmatechnik vorgestellt, die auf der Verwendung einer Lasermikrosonde (21 μm) für 2D-Kartierungen von Nanopartikelstrahlen im Vakuum basiert. LIBD mit hoher Wiederholungsrate wird für die schnelle, direkte Bestimmung von Nanopartikel-Strahlprofilen am Auslass eines aerodynamischen Linsensystems vorgeschlagen. Der Beweis des Prinzips wird mithilfe eines Strahls aus Tryptophan-Nanopartikeln mit 136 nm Durchmesser erbracht, der mit einem aerodynamischen Linsensystem fokussiert wird, dessen Design von Zhangs Linsengeometrie inspiriert wurde. Unsere Ergebnisse zeigen ein Lorentzsches Strahlprofil mit einer FWHM von durchschnittlich 70 μm ± 6 μm für Tryptophan. Die experimentelle Partikel-Probenahmerate scheint viel geringer zu sein als erwartet. Wir interpretieren diesen Unterschied hauptsächlich durch Hotspots im räumlichen Laserprofil, die für eine deutliche Überschätzung des tatsächlichen effektiven Interaktionsvolumens verantwortlich sein könnten.

Zitierweise für diesen Artikel: Barreda, F.-A. et al. In-situ-Charakterisierung von Nanopartikelstrahlen, die mit einer aerodynamischen Linse durch laserinduzierte Durchschlagserkennung fokussiert werden. Wissenschaft. Rep. 5, 15696; doi: 10.1038/srep15696 (2015).

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Die Autoren danken dem RTRA Triangle de la Physique, Frankreich, für die finanzielle Unterstützung des Projekts Aerodynamic Lens Focusing (ALF) im Rahmen der Verträge Nr. 2011-082T-ALF und 2013-0293T-ALF-EF Barreda dankt den Mitarbeitern des Synchrotrons SOLEIL für die technische Unterstützung und würdigt insbesondere X.-J. Liu und JM. Bizau von der PLEIADES-Beamline für ihren nützlichen Beitrag zum Erfolg der experimentellen Sitzungen sowie den Teams der Abteilung für physikalische Chemie des CEA für die Leihgabe der Ausrüstung.

CEA, DSM/IRAMIS/NIMBE-UMR 3685, Gif-sur-Yvette, F-91191, Frankreich

FA. Barreda & O. Sublemontier

Synchrotron SOLEIL, L'Orme des Merisiers, Saint-Aubin BP 48, Gif-sur-Yvette Cedex, F-91192, Frankreich

LÜFTER. Barreda, C. Nicolas, E. Robert, S. Benkoula und C. Miron

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J.-B. Sirven & J.-L. Lacour

Institut für Strahlenschutz und nukleare Sicherheit (IRSN), BP68, Gif-sur-Yvette Cedex, F-91192, Frankreich

F.-X. Natürlich

UMR 6614 CORIA, CNRS, Universität und INSA von Rouen, BP12, Saint-Etienne du Rouvray Cedex, F-76801, Frankreich

J. Eins

Extreme Light Infrastructure – Kernphysik (ELI-NP), Nationales Institut für Physik und Kerntechnik „Horia Hulubei“, 30 Reactorului Street, Măgurele, RO-077125, Jud. Ilfov, Rumänien

C. Miron

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FAB, CN, JBS, FXO, JLL, ER, SB, JY, CM und OS trugen zur experimentellen Entwicklung des Aufbaus und der Dateninterpretation bei. FAB, CN und OS haben den Haupttext des Manuskripts geschrieben und Abbildungen vorbereitet. FAB, CN, JBS, FXO, JLL, ER, JY, CM und OS überprüften das Manuskript.

Die Autoren geben an, dass keine konkurrierenden finanziellen Interessen bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Barreda, FA., Nicolas, C., Sirven, JB. et al. In-situ-Charakterisierung von Nanopartikelstrahlen, die mit einer aerodynamischen Linse durch laserinduzierte Durchschlagserkennung fokussiert werden. Sci Rep 5, 15696 (2015). https://doi.org/10.1038/srep15696

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Eingegangen: 8. September 2014

Angenommen: 15. September 2015

Veröffentlicht: 26. Oktober 2015

DOI: https://doi.org/10.1038/srep15696

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