納米和微米顆粒在現代科技中扮演著重要角色，其表面特性對材料功能至關重要。孔隙率是描述材料結構特征的關鍵參數，通常定義為孔體積與總體積之比，并廣義地涵蓋包括比表面積在內的相關特性。多孔顆粒的應用廣泛，如催化劑載體、藥物遞送載體、太陽能電池、氣體吸附、鋰離子電池和生物傳感等。然而，準確表征多孔顆粒的孔隙率面臨挑戰。傳統的技術，如Brunauer-Emmett-Teller (BET)氮氣吸附法、氣體膨脹法、小角X射線散射(SAXS)和電子顯微鏡(SEM/TEM)等，均存在局限性，包括可測量的孔徑范圍限制、分析準確性、所需樣品量大以及樣品制備過程復雜。更重要的是，大多數現有技術提供的是整個宏觀樣品的平均信息，缺乏對單個微米尺度顆粒進行定量分析的顆粒基方法。目前，只有透射電子顯微鏡(TEM)和聚焦離子束掃描電鏡(FIB-SEM)能實現納米級別的顆粒分析。為了滿足現代應用對顆粒基孔隙率分布信息的需求，急需發展新的分析技術。

本文提出的新方法旨在實現顆粒級別的表面積估算，其核心在于利用簡單的光學顯微鏡，結合微流控技術和光照明。該方法僅需廉價的測量設備，可集成到任何實驗室作為標準日常任務。測量在由微流道構成的探測池中進行，其中含有分散在溶解了光敏性偶氮苯表面活性劑的水性懸浮液中的分析物（微顆粒）。

該技術的物理基礎是局部光驅動擴散滲透(l-LDDO)效應。當光照射時，表面活性劑的兩種異構體（表面活性高的反式異構體^trans和表面活性低的順式異構體^cis）發生光異構化轉換。由于不同的表面活性，吸附在顆粒界面的反式表面活性劑分子光異構化產生的順式異構體會被不斷排出，形成持續的通量，該通量與顆粒的有效表面積成正比。這種持續的順式異構體通量導致顆粒附近順式異構體濃度失衡，沿著界面平行方向產生濃度梯度，進而引發沿該方向的滲透壓梯度。這誘導了沿固體-液體界面的“流體流動”，即擴散滲透。對于沉積在基底上的顆粒，這種效應會導致顆粒從底部基底輕微懸浮（抬升）。由于光誘導的化學活性取決于反式-順式異構體交換通量，顆粒的上游懸浮速度與此通量成正比，因此也與其有效表面積成正比。

當懸浮的顆粒暴露于外加的層流時，顆粒受到的剪切應力與其懸浮高度成正比。懸浮高度和由此產生的光誘導速度取決于通量的大小，因此也與吸附的反式異構體凈量（與參數有效表面積×反式異構體表面覆蓋率成正比）相關。對于尺寸相同、體材料相同的顆粒（如本工作中使用的二氧化硅微球），其遷移率的變化僅由有效表面積引起。這種遷移率可以通過視頻顯微鏡記錄，并反向解釋為單個顆粒的表現表面積，并對所有穿過光學視野區域的顆粒進行量化，從而實現顆粒級別的分析。該方法不僅提供總表面積的定量信息，還能深入了解表面積在單個顆粒分布中的情況。

檢測方法如圖所示，所需硬件包括安裝在具有視頻記錄功能的光學顯微鏡上的集成微流控池、泵系統和提供均勻強度照明的光源。分析物與光敏表面活性劑水溶液混合后注入流體池，顆粒沉降后施加流體。光照使顆粒具有化學活性，導致其垂直懸浮到更高剪切區域，從而增加其漂移速度，該速度與孔隙率等界面特性成比例。這種光誘導漂移速度是結合微流控技術實現顆粒基化學光學顯微鏡分析的關鍵機制。通過對每個穿過相機視野的顆粒進行軌跡跟蹤和速度計算，獲得表征顆粒界面特性的LDV分布。在具有不同孔隙率的顆粒二元混合物中，速度差異與其表面積唯一相關。

以尺寸相近的多孔PSiO₂和普通SiO₂二氧化硅顆粒的混合物為例。樣品在藍光照明下測量LDV。光照開啟后，由于表面積不同，普通SiO₂顆粒顯示出相對較小的LDV，而多孔PSiO₂顆粒則表現出顯著的速度增加。二元混合物的平均LDV介于兩者之間。為了進行準確的顆粒識別，需將速度與顆粒尺寸關聯進行分類，而不是使用時間平均速度。根據流體動力學基本原理，懸浮顆粒的速度是其半徑和軸向垂直懸浮距離的函數。因此，將顆粒穿過視野的平均速度繪制為其像素面積的函數，數據點會形成速度值簇。對于混合物，可以使用無監督機器學習算法（如高斯混合模型）自動識別數據中的自然分組（簇）。每個簇內的顆粒被認為具有相似的表面化學性質。

在定性檢測和分類的基礎上，可以進行定量評估。通過計算每個顆粒類型的軌跡數量，可以確定二元混合物中各顆粒類型的數量分數，并與根據樣品制備已知質量比計算的理論數量分數進行比較。量化采用了兩種原理，均得到相似精度。第一種方法是統計所有按類型分類的軌跡數量；第二種方法則結合了顆粒動量。通過系統改變非多孔和多孔顆粒的質量比，實驗測得的數量分數與理論值吻合良好，平均顆粒類型量化誤差約為20%。此外，測量的總顆粒濃度也與調整的濃度比例一致。

該方法還能通過評估從測量的顆粒軌跡得出的顆粒表面積加權分布，來量化宏觀樣品的平均孔隙率。具體通過公式計算，其中參數X代表與完全多孔或完全非多孔微顆粒相關的特征表面積，加權因子是各顆粒類型在測量群體中的相對頻率。將此方法估算的氮氣吸附飽和體積與對相同干燥二元混合物進行的實際氮氣吸附測量結果進行比較，顯示出良好的一致性，平均絕對偏差僅為9%。同樣，在已知參考顆粒表面積的情況下，可以近似估算樣品的平均比表面積。

與傳統的氮氣吸附技術相比，LDV方法具有多個實際和分析優勢：

確保顆粒與表面活性劑溶液的精確和一致混合至關重要，因為顆粒的泳動遷移率和光誘導漂移對表面活性劑濃度、離子強度和樣品制備高度敏感。推薦進行三次清洗循環并使用一致的平衡時間。

在進行聚類分析前，必須去除因跟蹤錯誤、樣品雜質或顆粒團聚產生的離群值，包括碰撞顆粒、異常大直徑顆粒、進出視野的顆粒以及顆粒團簇。這些離群值會影響聚類性能，需通過路徑長度、速度標準偏差和面積分位數等方法進行識別和移除。

顆粒識別的核心在于比較數據庫和分析物數據的LDV分位數。為實現準確匹配，數據庫必須在與分析物相同的測量條件下構建，且其中顆粒的物理和化學性質明確已知。數據庫應涵蓋流動速率、光照強度和波長等受控參數，并需按顆粒尺寸和表面化學性質（如孔隙率、表面官能團、材料）進行分類。尤為重要的是，數據庫必須在一系列顆粒濃度下進行迭代測量，因為顆粒活性受鄰近活性顆粒距離的影響，濃度變化會導致LDV改變。數據庫中的單分散數據濃度需要與分析物混合物中各物種的絕對濃度相匹配，而非總濃度。

確保數據庫的長期穩定性依賴于實驗的可重復性，包括物理和化學條件的一致性，以及測量設備狀態的穩定和調整。這要求樣品制備、表面活性劑濃度、流體動力學參數和光學設置等在所有測量中保持嚴格一致。

可靠的材料識別需要穩定流速的泵送系統。本工作中使用的高精度注射泵可提供低而平穩的流速，脈沖和噪聲極小，確保顆粒運動一致，形成緊湊、分離良好的數據簇。相比之下，蠕動泵或齒輪泵會產生脈動流，導致顆粒運動不均勻、數據簇重疊，可能造成錯誤分類。

準確的數據解讀依賴于視頻采集。過長的曝光時間會導致快速運動的顆粒出現拖影，從而錯誤測量尺寸和錯誤分類數據簇。應盡可能縮短曝光時間以減少運動模糊并提高時間分辨率。短曝光能保持顆粒的真實球形幾何形狀，而長曝光則會人為增加計算的像素面積和表觀縱橫比，引入尺寸誤差。

使用平均粒徑為5微米的單分散介孔二氧化硅膠體（多孔）和非多孔實心二氧化硅膠體（普通）。合成了偶氮苯-containing表面活性劑C₄-Azo-OC₆TMAB，其臨界膠束濃度為0.5 mM，實驗中使用濃度為2 mM的溶液。

將二氧化硅微顆粒水分散液與表面活性劑溶液混合，制備不同濃度和比例（多孔與普通）的二元混合物。樣品至少平衡24小時后，注入微流控腔室，顆粒沉降后，在固定體積流量下進行測量。

使用倒置光學顯微鏡，配置雙波長照明系統，可對樣品進行455 nm（藍光）和625 nm（紅光）的均勻全局照射。藍光觸發光敏表面活性劑的光異構化，而紅光則不觸發。使用CMOS相機以每秒30幀的速度進行視頻采集。

將多孔和非多孔顆粒的混合懸浮液按所需質量比混合，洗滌并凍干。干燥樣品在真空下激活后，使用商用分析儀測量氮氣吸附-脫附等溫線。

本工作介紹了一種利用光學視頻顯微鏡進行顆粒級別孔隙率測定的新型分析技術。該測量原理基于記錄沉積顆粒在外部流動中的尺寸和被動運動。分散液中含有光響應表面活性劑，在光照下使所有膠體產生活性。在外部流動下，這種活性導致顆粒沿流線方向產生獨特的運動速度，該速度表征了顆粒的化學和界面特性。記錄的軌跡可以進行分析，并與預定義的數據進行比較，以確定每個穿過顆粒的化學和界面性質。這種基于成像的方法同時測量顆粒的物理特性和化學/界面特性，遵循顆粒基檢測原理。

分析遵循一個四步流程：一致的樣品制備、使用光學視頻顯微鏡結合微流控和LED照明的數據采集、使用數據處理流程的軌跡分析，以及最終報告用于顆粒類型和總濃度的定性和定量評估。該方法通過模型二氧化硅微顆粒進行了驗證，在比較調整后與測量的樣品組成時，平均準確度達到20%。此外，基于群體比例加權平均估算的二元混合物有效凈表面積，與在相同樣品組成下通過傳統BET分析獲得的凈表面積高度吻合。