(a) Uno schema della configurazione sperimentale per misurare le sospensioni di particelle che mostra l'hardware ottico costituito da un LED accoppiato a fibra, una fotocamera con sensore di immagine CMOS e il filtro spaziale angolare polimerico (ASF). (b) Principio di funzionamento dell'ASF:la luce diffusa dal campione di particelle viene raccolta fino a specifici angoli di cut-off cumulativi definiti dalla dimensione geometrica dei fori. Per semplicità sono rappresentati solo due fori, ma negli esperimenti iniziali sono stati utilizzati 23 fori con diametro diverso (cioè angoli di cut-off). (c) Prototipo di laboratorio di hardware ottico presso ICFO. Il dispositivo completo spedito a Leeds e Dresda per le misurazioni è stato costruito in un apposito contenitore insieme all'elettronica di controllo. Credito:di Rubaiya Hussain, Mehmet Alican Noyan, Getinet Woyessa, Rodrigo R. Retamal Marín, Pedro Antonio Martinez, Faiz M. Mahdi, Vittoria Finazzi, Thomas A. Hazlehurst, Timothy N. Hunter, Tomeu Coll, Michael Stintz, Frans Muller, Georgios Chalkias e Valerio Pruneri
In molte applicazioni industriali e ambientali, è essenziale determinare la dimensione e la distribuzione delle particelle microscopiche. Per esempio, nell'industria farmaceutica, la misurazione e il controllo in linea di particelle contenenti vari ingredienti chimici (prima del consolidamento in compresse) possono migliorare in modo critico la resa e la qualità del prodotto medico finale. Anche, l'aria che respiriamo, l'acqua che beviamo e il cibo che mangiamo possono contenere anche molti tipi di particolato malsano, che è quindi fondamentale da rilevare per la nostra salute e il nostro benessere.
In un nuovo articolo pubblicato su Scienza e applicazione della luce , un team di scienziati e ingegneri europei dell'ICFO e dell'IRIS in Spagna, Ipsumio B.V. nei Paesi Bassi, l'Università Tecnica della Danimarca, la Technische Universität Dresden in Germania e l'Università di Leeds nel Regno Unito, ha sviluppato un nuovo analizzatore di dimensioni di microparticelle combinando prodotti di elettronica di consumo e intelligenza artificiale. Il dispositivo, un ordine di grandezza più piccolo in termini di dimensioni, peso e costo, misura la dimensione delle particelle con una precisione paragonabile almeno agli analizzatori di dimensioni delle particelle a base di luce commerciali.
"Il progetto ProPAT, finanziato dall'UE, mirava a fornire nuovi sensori per applicazioni industriali. L'innovazione sviluppata da ICFO è un ottimo esempio di tale sensore. Il feedback dei test su scala pilota in condizioni reali e le industrie finali hanno spostato il sensore da un dispositivo di laboratorio a potenziale applicabilità in ambienti industriali, "dice Frans Muller, professore di ingegneria dei processi chimici presso l'Università di Leeds e direttore tecnico di ProPAT.
Convenzionalmente, Gli analizzatori di dimensioni delle particelle (PSA) basati sulla diffrazione laser (LD) sono ampiamente utilizzati per misurare la dimensione delle particelle da centinaia di nanometri a diversi millimetri. In tali dispositivi, la luce laser focalizzata su un campione di particelle diluite produce un modello di diffrazione (scattering), misurata da una serie di rilevatori di luce e convertita in una distribuzione granulometrica utilizzando una teoria dello scattering ben consolidata. Questi dispositivi sono precisi e affidabili ma di grandi dimensioni (ogni dimensione è dell'ordine di mezzo metro), pesanti (decine di kg) e costosi (spesso nell'ordine di centomila dollari o più). Inoltre, la loro complessità, insieme al fatto che spesso richiedono manutenzione e personale altamente qualificato, renderli poco pratici, ad esempio nella maggior parte delle applicazioni industriali online, che richiedono l'installazione di sonde in ambienti di lavorazione, spesso in più sedi.
Il PSA di nuova concezione funziona in una configurazione a fascio collimato utilizzando un semplice diodo a emissione di luce LED (LED) e un singolo sensore di immagine a semiconduttore di ossido di metallo (CMOS), simili a quelli utilizzati negli smartphone. L'innovazione chiave è il piccolo filtro spaziale angolare (ASF) realizzato con una serie di fori di diverso diametro che viene estruso da un'asta polimerica. Illuminando il campione target, la luce si disperde e passa attraverso l'ASF sul sensore. La luce raccolta da fori di dimensioni diverse è rappresentativa di un diverso insieme di angoli di diffusione. Un modello di machine learning (ML) ad hoc converte l'immagine del sensore nella dimensione delle particelle. Lo stesso dispositivo può essere facilmente convertito in un hazemeter, uno strumento essenziale per caratterizzare molti materiali ottici.
"È molto emozionante vedere come una semplice combinazione di componenti fotonici di consumo, come un LED e una fotocamera del telefono, un innovativo filtro angolare fabbricato utilizzando l'estrusione di fibra di cristallo fotonico scalabile in massa e l'elaborazione dei dati di apprendimento automatico ci ha permesso di realizzare un compatto, dispositivo economico e preciso, "dice Rubaiya Hussain, primo autore dell'articolo e dottorato di ricerca. candidato nel gruppo Optoelettronica presso ICFO.
Per convalidare il nuovo PSA, miscele di acqua e perle di vetro con dimensioni nell'intervallo da 13 a 125 micrometri sono state testate a diverse concentrazioni di processo in dispersioni liquide. I sistemi di diffrazione laser non sono in grado di misurare concentrazioni così elevate poiché la luce viene dispersa più volte con conseguenti modelli di dispersione che non possono essere convertiti in dimensioni delle particelle. Utilizzando l'algoritmo di apprendimento automatico della foresta casuale, i dati del nuovo dispositivo potrebbero essere analizzati con successo, aumentando l'intervallo di lavoro delle dimensioni delle particelle e delle concentrazioni che possono essere misurate.
"Abbiamo utilizzato il dispositivo PSA costruito presso l'ICFO di Barcellona per raccogliere dati da diversi intervalli di dimensioni delle particelle e concentrazioni di perle di vetro standard. In base ai risultati ottenuti e alla nostra esperienza, siamo stati lieti di vedere che la precisione di qualche % della dimensione media delle particelle del volume (D50) è paragonabile ad altre tecniche di misurazione (ad es. LD) nell'intervallo micrometrico, " dice Dipl.-Ing. Rodrigo R. Retamal Marín, ricercatore nel gruppo Ingegneria dei processi meccanici presso la Technische Universität Dresden.
Sono in fase di progettazione anche miglioramenti futuri dell'hardware ottico. In particolare, sono in corso un'ulteriore ottimizzazione della componente ASF innovativa e metodi perfezionati di acquisizione dei dati, per produrre più grandi, set di dati ad alta fedeltà per l'algoritmo di apprendimento automatico. Il lavoro futuro includerà anche l'analisi di particelle non sferiche, raccolti con sistemi di alimentazione del campione ben progettati per misurazioni sia a secco che a umido, portando ad analisi di alta precisione per una gamma di sistemi rilevanti a livello industriale.
"Intendiamo utilizzare la flessibilità intrinseca del design semplice e il basso costo hardware del nostro PSA proprietario per applicazioni specifiche, ad esempio monitoraggio online o in linea, e siamo alla ricerca di partner provenienti da vari Industrie ed Enti di Ricerca, "dice Valerio Pruneri, Professore ICREA all'ICFO e autore principale dell'opera.
