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S. W. Provencher, “A Constrained Regularization Method for Inverting Data Represented by Linear Algebraic or Integral Equations,” Comp. Phys. Commun. 27, 213-227(1982).
6
μsec
0.01%0.1%1%5%10%
体積濃度
粒子の濃度が増加すると・・
振幅時間相関関数(実験)
異なる原理の動的光散乱法
新しい測定対象に応じて新しい原理に
基づく動的光散乱法が提案されている
濃厚媒質の平均粒径と粒径分布を測りたい!
異相境界のブラウン粒子の動態を測りたい!
拡散波分光法
共焦点顕微動的光散乱法
低コヒーレンス動的光散乱法
エバネッセント動的光散乱法
光コヒーレンス動的光散乱法
• 極短コヒーレンス動的光散乱法
• スペクトル領域低コヒーレンス動的光散乱法
7
:緩和時間
5μmポリスチレン球10%懸濁液の拡散波分光による時間相関関数
= 0 ∗ ∝ exp −
拡散波分光法
振幅時間相関関数
一様分散 凝集の発生
拡散波分光法の応用 -凝集過程モニタリング-
8
経過時間
単散乱成分
多重散乱成分
凝集
体内
の推
定粒
子数
経過時間 t (min)
光子相関関数 凝集体内の推定粒子数
~食塩添加後の経過時間依存性~
微粒子凝集モニタリング
msec= + = + Q
凝集体からの単散乱 高濃度粒子からの多重散乱
K. Ishii and T. Iwai, “Temporal Autocorrelation Function of Light Scattered from Aggregated Particles in a Dense Colloidal Suspension,” Jpn. J. Appl. Phys. 40, 130-133(2001).
異なる原理の動的光散乱法
新しい測定対象に応じて新しい原理に
基づく動的光散乱法が提案されている
濃厚媒質の平均粒径と粒径分布を測りたい!
異相境界のブラウン粒子の動態を測りたい!
拡散波分光法
共焦点顕微動的光散乱法
低コヒーレンス動的光散乱法
エバネッセント動的光散乱法
光コヒーレンス動的光散乱法
• 極短コヒーレンス動的光散乱法
• スペクトル領域低コヒーレンス動的光散乱法
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T. Hiroi and M. Shibayama, “Dynamic light scattering microscope: Accessing opaque samples with high spatial resolution,” Opt. Express, 21(17), 20260 (2013).
T. Hiroi and M. Shibayama, “Measurement of particle size distribution in turbid solutions by dynamic light scattering microscopy,” J. Vis. Exp., 119, e54885 (2017).
[nm] [nm]100nmポリスチレン粒子懸濁液
共焦点顕微動的光散乱法
100 100 1000 1000010
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00 0.00
0.05
0.10
0.15
墨汁 (Chinese ink)
破線:通常の動的光散乱法 実線:共焦点顕微動的光散乱法
異なる原理の動的光散乱法
新しい測定対象に応じて新しい原理に
基づく動的光散乱法が提案されている
濃厚媒質の平均粒径と粒径分布を測りたい!
異相境界のブラウン粒子の動態を測りたい!
拡散波分光法
共焦点顕微動的光散乱法
低コヒーレンス動的光散乱法
エバネッセント動的光散乱法
光コヒーレンス動的光散乱法
• 極短コヒーレンス動的光散乱法
• スペクトル領域低コヒーレンス動的光散乱法
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低コヒーレンス動的光散乱法
中心波長: = nm帯 域 幅: = nm
= kHz
= : 溶媒の屈折率
0.000 0.025 0.050 0.075 0.1000.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
CONTIN法
Wiener-Khintchin theorem
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
10-12
10-11
10-10
10-9
位相変調スペクトル ホモダインスペクトル
-1000 -500 0 500 10000.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
100 10000.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
CONTIN法を用いた粒子径分布計測
[nm] [sec]
[au]
[Hz] [Hz]
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ポリスチレン粒子半径 165nm 403nm体積濃度比 2 : 8
0 10 20 30 40 500.001
0.01
0.1
1
0 200 400 600 800
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
375±82nm
15%
85%169±25nm
2粒子分散系
[msec] [nm]
マッハツェンダー型低コヒーレンス動的光散乱法
K. Ishii, S. Nakamura, and Y. Sato, “High-sensitivity low-coherence dynamic light scattering and particle sizing for nanoparticles,” Proc. of SPIE, 8082, 80821Z-1 (2011).
H. Brenner, Chem. Eng. Sci.,16, 242-251 (1961)気液境界近傍の拘束ブラウン運動
Stokes drag force
Brenner’s theory
Brennerの理論
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異なる原理の動的光散乱法
新しい測定対象に応じて新しい原理に
基づく動的光散乱法が提案されている
濃厚媒質の平均粒径と粒径分布を測りたい!
異相境界のブラウン粒子の動態を測りたい!
拡散波分光法
共焦点顕微動的光散乱法
低コヒーレンス動的光散乱法
エバネッセント動的光散乱法
光コヒーレンス動的光散乱法
• 極短コヒーレンス動的光散乱法
• スペクトル領域低コヒーレンス動的光散乱法
エバネッセント動的光散乱法
エバネッセント場K. H. Lan, N. Ostrowsky, and D. Sornette, “Brownian Dynamics Close to a Wall Studied by Photon Correlation Spectroscopy from an Evanescent Wave,” Phys. Rev. Lett. 57, 17-20 (1986).
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エバネッセント散乱光
実験系
Collecting system
Half cylindrical prism
Ar+Laser
PMT
Digital correlator
Optical fiberOptical fiber
Scattered light
Incident light
q
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振幅時間相関関数
msec
異なる原理の動的光散乱法
新しい測定対象に応じて新しい原理に
基づく動的光散乱法が提案されている
濃厚媒質の平均粒径と粒径分布を測りたい!
異相境界のブラウン粒子の動態を測りたい!
拡散波分光法
共焦点顕微動的光散乱法
低コヒーレンス動的光散乱法
エバネッセント動的光散乱法
光コヒーレンス動的光散乱法
• 極短コヒーレンス動的光散乱法
• スペクトル領域低コヒーレンス動的光散乱法
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異相境界の極近傍における拘束ブラウン運動
光コヒーレンス動的光散乱法
ガラス壁面
固体・気体と液体との流体力学的相互作用
ブラウン粒子の拡散運動が境界面からの距離に依存
拘束拡散運動~自由拡散運動シームレスに測定したい!
界面効果の直接計測:・粒子の個体面への吸着性の検証・粒子の凝集性・分散性の検証
個体と液体の境界の例
懸濁液
異なる原理の動的光散乱法
新しい測定対象に応じて新しい原理に
基づく動的光散乱法が提案されている
濃厚媒質の平均粒径と粒径分布を測りたい!
異相境界のブラウン粒子の動態を測りたい!
拡散波分光法
共焦点顕微動的光散乱法
低コヒーレンス動的光散乱法
エバネッセント動的光散乱法
光コヒーレンス動的光散乱法
• 極短コヒーレンス動的光散乱法
• スペクトル領域低コヒーレンス動的光散乱法
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極短コヒーレンス動的光散乱法T. Watarai and T. Iwai, “Direct observation of submicron Brownian particles at a solid-liquid interface by extremely low-coherence dynamic light scattering,” Appl. Phys. Express, 7, 032502 (2014).
スーパーコンテニュウム光源(SC)
スーパールミネッセントダイオード(SLD)
SC: = nm= nmSLD: = nm= nm
固液境界における流体力学的相互作用
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異なる原理の動的光散乱法
新しい測定対象に応じて新しい原理に
基づく動的光散乱法が提案されている
濃厚媒質の平均粒径と粒径分布を測りたい!
異相境界のブラウン粒子の動態を測りたい!
拡散波分光法
共焦点顕微動的光散乱法
低コヒーレンス動的光散乱法
エバネッセント動的光散乱法
光コヒーレンス動的光散乱法
• 極短コヒーレンス動的光散乱法
• スペクトル領域低コヒーレンス動的光散乱法
参照鏡を走査する代わりに検出部で波長分解
波長に応じて散乱光と干渉する参照光の位相が変化し参照鏡を走査するのと同等の効果を生成
スペクトル領域干渉動的光散乱法
参照鏡は走査せず固定
T. Watarai and T. Iwai, “Experimental study on air-liquid interface effect of Brownian dynamics using spectral-domain low-coherence dynamic light scattering,” Opt. Rev. 21, 378-381 (2014).
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固液境界における流体力学的相互作用
参考文献
動的光散乱法の代表的な書籍
B. Chu, Laser Light Scattering (Academic Press, New York, 1974).B. J. Berne and R. Pecora, Dynamic Light Scattering (Dover Publications, Inc., New York, 2000).K. S. Schmitz, An Introduction to Dynamic Light Scattering by Macromolecules (Academic Press, Inc., San Diego, 1990).
数多くの題材取り扱っており頻繁に引用される書籍
W. Brown(ed), Dynamic Light Scattering (Claredon Press, Oxford, 1993).B. Chu(ed), Selected Papers on Quasielastic Light Scattering by Macromolecular, Supramolecular, and Fluid Systems (SPIE Optical Engineering Press, Bellingham, 1990).
柴山,佐藤,岩井,木村(編)光散乱法の基礎と応用(講談社,2014)
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濃厚媒質における動的な散乱理論についての書籍
Scattering and Localization of Classical Waves in Random Media, P. Sheng(ed) (World Scientific, Singapore, 1990).
ランダム系の相関関数とスペクトルについての書籍
日野幹雄,スペクトル解析(朝倉書店,1977).
統計光学についての代表的な書籍
J. W. Goodman, Statistical Optics (John Wiley & Sons, New York, 1985). (和訳)武田光男,統計光学(丸善,1992).M. Born and E. Wolf, Principle of Optics(7th expanded edition) (Cambridge University Press, Cambridge, 2003).