TECLIS泡沫分析仪&界面流变仪在食品研究中的重要应用

法国泰克利斯（TECLIS Scientific）仪器公司 ，致力于开发专业的表界面科学仪器表界面科学仪器，提供全面表征泡沫和乳液等分散体系的解决方案，用于研究和了解液体/液体、固体/液体、气体/液体的表界面特性。

泰克利斯公司研发生产的泡沫分析仪和界面流变仪在食品领域中有着广泛的应用，可以为食品行业提供专业的解决方案，满足所有的测量需求。

1.泡沫

• 泡沫结构

• 泡尺寸大小分布分析

• 发泡能力

• 泡沫稳定性和生命周期

• 与发泡性相关的蛋白质行为以及发泡性能的比较

2.表面活性剂

• 表面活性剂的吸附及发泡性的关系

• 研究表面活性剂与蛋白质在界面上的相互作用

• 表面活性剂对乳液物理性质的影响

• 食品级表面活性剂的界面和发泡性能

• 表面活性剂的表征：CMC, 吸附动力学，张力平衡

3.饮料

• 咖啡、牛奶、啤酒......的泡沫特性

• 提高饮料的发泡性

• 乳状饮料的粘弹性特性

• 气泡液的特性

• 食品粉体再水化

• 消泡效果

4.蛋白质

• 蛋白质的特性

• 油类类型对蛋白质的吸附性

• 蛋白质的行为与饮料的发泡性有关

• 蛋白质的界面、发泡和乳化特征

• 蛋白质在空气/水和油/水界面的吸附作用  

5.乳液

• 油类类型对蛋白质的吸附性

• 用表面流变学解释乳液稳定性

• 乳液液滴的凝聚和稳定性

• 在水/油或水/空气界面上的吸附性

• 油包水乳剂的稳定性或水包油乳剂的稳定性

6.脂类

• 蛋白质/脂质的相互作用

• 磷脂稳定的乳液

• 研究酶的作用动力学

• 表面活性剂对脂质消化的影响

• 磷脂在油/水界面的吸附作用

7.胶囊 Capsules

• 厚度可控的胶囊和平膜

此外，泰克利斯界面流变仪和泡沫分析仪及其高温高压解决方案还广泛应用于生命科学、日用化学品和石油天然气等领域行业研究中，为使用者提供专业的解决方案。

TRACKER自动多功能界面流变仪通过对液滴或气泡的轮廓进行数值分析来确定两种不相溶流体之间的动态表面/界面张力，表征两种不相溶液体之间的界面特性。

TRACKER界面流变仪能够提供全方位的测量：

-上悬滴的气泡或液滴          -表面张力（液体/液体）

-下悬滴的气泡或液滴          -界面张力（液体/液体）

-躺滴                                  -接触角（液体/固体）

-俘泡法的滴或泡                 -动态接触角

-温度                                  -界面膨胀流变学

-压力                                  -粘弹性模量

                                          -刚性系数

                                         -临界胶束浓度(CMC)

强大的图像分析软件：

TRACKER™软件使用算法分析液滴的轮廓，并将其与基于Young-Laplace方程的模型进行拟合，以确定表面张力、 界面张力或接触角。

TRACKER™软件通过在特定的频率和振幅下控制液滴体积或面积的变化，来研究界面的流变特性。

智能模块化设计：

-相交换选项

-高频振荡的压电选项

-压力传感器测量气泡中的拉普拉斯压力选项

-自动临界胶束浓度CMC测定选项

-高温高压腔选项 200°C/200bar

应用广泛：

原油：乳液稳定性、表面活性剂对EOR 的影响、油/岩石/液相之间的动态接触角

化妆品：泡沫/乳液稳定性、配方、动态接触角

药物：包封性、气体溶解性、乳液稳定性

食品：食品泡沫特性、冷冻乳液（冰淇淋）的稳定性、蛋白质、糖或酒精对气泡大小的影响

燃料和沥青：润湿性、乳化性能、动态接触角

润滑剂：润滑剂/材料之间的接触角，表面活性剂对润湿性的影响

       近日，我司代理的法国Teclis全自动泡沫分析仪在中科院化学所胶体界面与热力学重点实验室交付使用。

       王老师课题组长期进行表面活性剂的机理、配方和使用方面的研究。她们使用这台全自动泡沫分析仪不仅测量液体的发泡性能，泡沫的产量，泡沫的密度、半衰期等结果，还可以对泡沫的尺寸大小，尺寸分布做自动统计，得以全面了解有关泡沫的各种特性。

       在使用培训时，我司工程师全面介绍了Teclis全自动泡沫分析仪的功能，并详细的为客户讲解了该仪器的使用方法，使用实际样品演示实验过程，介绍操作要领，得到了客户的认可。

      中科院化学所胶体界面与热力学实验室也是北京东方德菲仪器公司的老用户，我们会一如既往的为用户提供最专业的技术服务。

医用水凝胶的流变学表征

      在水凝胶研究领域中，以透明质酸钠为基体的医用水凝胶发展迅速，此类水凝胶表面光滑，具有良好的生物特性，可以被应用为外科手术敷料，眼科敷料，凝胶眼药水等多个方面。

       在研发和质控中，医用水凝胶的流变学性能是非常重要的因素，并且对其粘度和粘弹性的表征已经有初步测试标准。剪切粘度：在 25± 2℃下，采用流变仪在剪切速率从0.001s-1-1000s-1 下进行蠕动扫描，在 0.01s-1 剪切速率下，眼科用透明质酸钠凝胶剪切粘度应不小于 200000mPa.s, 关节腔注射用透明质酸钠凝胶剪切粘度应不低于20000mPa.s。

       弹性：在25± 2℃下，采用流变仪在剪切速率0.01Hz-100Hz下进行频率扫描，以粘性模量 G" 和弹性模量 G'log 值与频率 log 值绘制坐标图。眼科用透明质酸钠凝胶在 G'= G" 时，剪切频率应小于 0.5Hz，关节腔内注射用透明质酸钠凝胶在 G'= G" 时，剪切频率应小于 1.0Hz。

示例一 粘度测试

示例二 粘弹性测试

       哈克旋转流变仪可以向客户提供符合测试标准的完全解决方案。并且在国内拥有多个在此领域中ling先的参考客户，如福瑞达，博士伦，山东YL器械研究所，其胜生物制剂，河南宇宙人工晶体状研制有限公司等。

推荐配置：
哈克旋转流变仪主机： MARS40/60
温控单元： 帕尔贴
35mm 平行板或者 35mm2°锥平板

显微CT分析可用于牙科研究中的各种应用，如牙釉质厚度、根管形态、根管预备、颅面部骨骼结构、显微有限元建模、牙体组织工程、牙硬组织矿物密度及种植体等方面。它可以提供高分辨率图像以及牙齿、骨骼和植入物的定性和定量分析。      

根管是一种孔隙，这种在牙齿中间的低密度空间对牙髓病的研究起了可探索的方向。显微CT在牙科填料的研究上，特别适用于三维定量评价根管充填物。

牙釉质厚度在人类进化中具有分类学和系统发育价值。显微CT有效且无损的技术特性被用于测量各种考古标本的牙釉质厚度。在临床研究中，牙釉质厚度被认为对于咬合负荷方案的解释具有重要意义。

实例2：大鼠下颌骨和舀齿

大鼠或小鼠下颌骨和臼齿在牙周病和其他牙科相关领域的许多研究模型中有着重要价值。通过显微CT对动物下颌骨和牙齿的测量研究，可进一步分析牙周生物型各特征之间的相关性,为口腔美学修复、种植ZL方案的选择、ZL预后的判断以及LX的评估提供理论基础

实验设备：VENUS® Micro-CT 

            中文名：桌面型高分辨显微CT

            型号：VNC-100

影像软件：Avatar 1.3 （平生YL科技）

TRACKER™自动多功能界面流变仪由法国泰克利斯公司生产，用于研究界面流变性, 测量表面/界面张力和接触角。

凭借其智能的模块化设计，TRACKER™自动多功能界面流变仪可选择一个或多个模块来适应多种不同的应用。 TRACKER™的主要可选模块如下：

1. TRACKER™重相交换模块
双泵将样品池中的液体与另一种液体交换，同时保持液滴或气泡的体积恒定。相交换可以自动化或手动控制。所有的实验变化都可以在换相过程中进行。

2. TRACKER™ 液滴相交换模块
双注射系统用另一种液体或气体交换液滴或气泡中的液体或气体，同时保持液滴或气泡的体积不变。所有类型的测量都可以在相位交换期间进行。

3. TRACKER™ 临界胶束浓度CMC模块

TRACKER™标款仪器中增加了临界胶束浓度测量系统。第二个进样系统允许测量多达4种不同浓度的溶液。注射体积和浓度由计算浓度步骤的算法确定，以优化CMC测定的准确性。液滴体积控制允许根据浓度自动调节液滴体积。

4. TRACKER™压电模块

TRACKER™ 标款仪器中添加了PIEZO压电式高频振荡模块，以实现高达10 Hz的振荡频率。

5. TRACKER™高温高压选项 200℃/200bar 
用于高温和高压测量的可拆卸压力传感器可适应TRACKER™标准。可以使用悬滴或上升滴、固定滴或捕获气泡进行所有测量。

6. TRACKER™ 压力传感器

传感器测量液体中气泡上方的静水压力或空气中气泡（如肥皂泡）的压力。压力传感器是一个很好的用于表征在表面形成膜并且界面不再是“液体”的工具。结合压电单元，压力传感器还用于测量高频振荡下的表面张力。

胶黏剂种类非常多，按照特性分类一般有热熔胶、环氧胶，电子胶、UV 固化胶、聚氨酯胶、硅胶等。胶黏剂的流变学性能一直是影响其配方，工艺及使用性能的一个重要因素。胶黏剂的流变学性能研究主要有以下几个方面。

• 基本流动性能，流动曲线和粘度曲线

  • 屈服应力

  • 触变性

  • 固化过程研究，包括热固化和紫外固化

  • 热机械性能，包括确定玻璃化转变温度，损耗因子等在上述胶黏剂流变学性能表征中，哈克流变仪配备丰富的测量单元可以向用户提供完整的解决方案，从宏观性能到微观信息。

示例一 基本流动性能

判断样品流动能力及粘度随剪切作用的变化趋势和速度

示例二 屈服应力

征样品在某些条件下的弹性行为和流动能力

示例三 触变性

是胶黏剂的一个很重要的特性，一般的理解是与时间相关的行为，可以考察胶黏剂在使用过程中的流平与垂挂性能。左图触变环实验表明样品触变性的大小，右图三段式模拟样品静止 - 破坏 - 静止整个过程的粘度变化，反应其流平和垂挂性能。

示例四 固化过程监测

流变仪可以通过测试样品粘弹性模量的变化全程监测胶黏剂样品的固化过程，包括热固化和紫外固化，再配个哈克流变仪ZL的流变 - 红外联用模块，更可深入研究固化过程中样品分子层面的变化，监控反应动力学，反应度。

胶黏剂的热固化过程

哈克紫外固化单元

胶黏剂紫外固化（不同照射强度）

HAAKE MRAS流变仪配备流变-红外联用模块

胶黏剂在紫外光照射之前，照射以及照射完毕后整个固化过程中流变，红外数据的变化

示例五 热机械性能

也是表征胶黏剂使用性能的重要参数，通过测量样品粘弹性随温度的变化，可以进行详细准确的表征，并可以计算其玻璃化转变温度。

热熔胶的热机械性能及玻璃化转变温度

推荐配置：

哈克流变仪主机：MARS40/60，Viscoterster iQ Air， Viscotester iQ

温控单元：帕尔贴，电加热

测量转子：平行板，锥平板，一次性转子

特殊附件：紫外固化单元，流变 - 红外联用单元

       差示扫描量热仪(DSC)和拉曼光谱仪均被广泛应用于结晶度的研究，但监测的原理截然不同。DSC不仅可以精确确定样品结晶度，而且还可以通过测定相关焓变信息得到结晶动力学参数。凭借自身极其优异地控温能力——加热和冷却速度可以高达750°C/min可控，PerkinElmer®DSC8000或8500型DSC经常用于结晶度研究。ZL的双炉体设计，赋予炉温瞬间稳定以及精确控制在某一真实温度的能力，等温研究Z好是在这个模式下进行。结晶物的拉曼光谱和非结晶物一般不同，前者的峰宽较窄。拉曼光谱仪还可用于监控非常慢速的变化过程，从而提供额外的样品信息，并且也可以准确判定混晶发生的位置。PerkinElmer公司研发的RamanStation™400和RamanFlex™lines允许实时调节激光脉冲周期，因此可以轻松调节拉曼光谱采集信号速率和DSC扫描速率的Z佳匹配值。同时测量消除了材料可能受试样热历史影响而带来的不确定性。

       下文针对半结晶性聚氧化乙烯的DSC-Raman检测可以充分说明两种技术的互补性。上述材料已被广泛运用于YL、生活以及工作的方方面面，例如牙膏。试样从10°C加热到75°C，经历了熔融过程，然后冷却到10°C，再进行重复扫描。diyi周循环中样品的熔融峰温位于70°C，而在第二次升温扫描中则出现在66.7°C。第二周升温测得的熔融热值也降低了（图1）。这暗示了diyi次的熔融和结晶过程使得材料的无定型区增加。

图1.聚氧化乙烯（PEO）的DSC扫描。diyi次和第二次循环被标注清楚

        在DSC运行时拉曼光谱每间隔5秒接受一次。diyi次加热/冷却循环之后，光谱中显示大量的无定型组分特征（图2）。通过差减可以diyi次循环扫描前后的光谱差异。虽然存在噪音，但它与完全熔融时的光谱图非常相似。因此拉曼光谱可以直接确认来自于DSC数据的推论，那就是diyi次加热/冷却循环提高了试样的无定型含量。从这些数据（图3）可以得到结晶组分的光谱和非晶组分的光谱。

图2.PEO的DSC扫描和光谱

图3.PEO结晶和非晶的拉曼光谱

       常用这两种技术来研究聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）。试样从熔融温度快速冷却至室温后检测到存在明显的无定型结构。热流曲线显示一个玻璃化转变温度（Tg）大约在70°C，然后出现冷结晶，在270°C发生晶区熔融（图4）。拉曼光谱的变化很小，但可以紧跟着进行主成分分析（PCA）。分析1727cm-1C=O拉曼骨架，得到两个主要的组分：PC1是diyi次求导曲线，对应于骨架的移动，PC2是二次求导曲线，表示峰宽的变化。很明显，对于峰宽变化的温度曲线与试样的结晶和熔融的相对应。然而，峰移动的温度曲线并不与DSC热流曲线的事件相对应，但反映了随着温度的提高向低频连续的移动。

       等温结晶可以真正地被DSC或带有可以理想的快速处理的DSC的拉曼光谱仪监测，而拉曼甚至可以被应用于慢速结晶研究。在研究两种吹塑成型的聚乙烯薄膜中可以看到两种技术数据的相关性，其中的一个材料不好。以500°C/min的速度快速从熔融状态冷却，测量发现试样在121°C结晶。这个实验需要使用HyperDSC®-capable设备，像DSC8500设备一样可以快速冷却并且仍然可以精确地、稳定地回到等温温度。一个稳定的瞬态之后，DSC数据（图5）显示问题材料比合格材料结晶更快，熔融焓值更高。拉曼数据（图5）显示Z初试样加热和冷却以及等温过程。这种情况下来自PCA的分数可以直接与结晶度相关。这里发现问题材料比合格材料结晶更快，另外Z终结晶度也比合格材料高。两组数据显示Z终的结晶度，问题材料高于合格材料50%。两种情况下材料Z终的结晶度远低于开始时的结晶度。

      图4PET的DSC和拉曼数据

图5a.HDPE等温结晶的DSC曲线图

图5b.HDPE熔融和等温结晶的拉曼光谱

DSC-Raman光谱仪赋予我们精确研究高聚物的能力，可以GX再现样品在各种控温条件下的结晶行为，同时与DSC能量变化相关的结构信息也能通过拉曼光谱体现。这种途径使得两种方法的相关性精确，有助于对结晶行为更深层次的理解。

实验名称：高压放大器在新型窄线宽波长扫描光纤激光器研究中的应用

实验目的：根据仿真参数进行DCR-CC滤波器的搭建和实验验证。并搭建了基于DCR-CC滤波器和C+L波段EDFA的单纵模窄线宽波长扫描光纤激光器并探究其性能。

实验设备：滤波器，函数发生器，高压放大器ATA-2021H等

实验过程：

1.DCR-CC搭建与表征；

采用腔长分别为50.70 cm和 52.00 cm的参数搭建DCR-CC滤波器，使用如图所示的系统测量DCR-CC滤波器的滤波性能。

2.C+L波段激光增益范围的实现；

提出的C+L波段单纵模窄线宽波长扫描光纤激光器结构如图所示。两部分通过两个CL波段波分复用器并联在一起。一个自制的DCR-CC复合谐振腔滤波器作为大范围滤波元件，用以于从密集的主腔纵模中筛选SLM，一个FFP-TF作为波长扫描元件，由一个函数发生器和高压放大器ATA-2021H进行驱动。虚线框内的FFP-TF等器件可由Cir-2和替换FBG代替，用来测量激光器静态激光输出性能。

实验结果：

1.如图分别显示了四个波长处在60分钟内的中期激光运行稳定性，通过使用分辨率为0.02 nm，数据采集间隔为0.001 nm 的OSA重复扫描进行测量。从图中可以看出，四个激光的波长波动性f (i=1,2,3,4)很小，最大为 0.006 nm，功率波动性f, (i=1,2,3,4)很低，最大值为0.704 dB，其信噪比OSNR均高于66 dB。

2.自零差法测量不同扫描频率下ESA测得的拍频谱。

实验结论：

对于FDML波长扫描激光器,通过提高增益、使用带宽更窄的高速可调滤波器，来进一步提升激光器性能。设计更加适合FDML机理的复合谐振腔滤波器有望进一步改善激光器的纵模特性。

安泰高压放大器ATA-2021H主要指标：

以上内容由西安安泰整理发布，安泰高压放大器最大输出200Vp-p (±100Vp)高压，可以驱动高压型负载，完美匹配各大匹配函数信号源及任意波形信号发生器，广泛应用于压电陶瓷驱动、超声波测试、声呐系统应用和MEMS测试等，可提供免费样机试用服务，如果想了解高压放大器更多应用，欢迎访问安泰测试网。

PART 01 
引言  

有机发光二极管（Organic Light-Emitting Diode，OLED）是基于多层有机薄膜结构的电致发光的器件，用作平面显示器时具有轻薄、柔性、响应快、高对比度和低能耗等优点，有望成为新一代主流显示技术。然而，高效率和长寿命依然是阻碍OLED发展的重要因素，因为有机材料易降解和器件界面结构不稳定从而导致OLED器件失效。在此背景下，迫切需要了解器件的退化机制，从而在合理设计和改进材料组合以及器件结构的基础上，找到提高器件寿命的有效策略。

图1. 基于OLED柔性显示器件

 PART 02 
TOF-SIMS表面分析方法  

研究有机/无机混合OLED器件的界面效应是提高其性能和运行稳定性的关键步骤。在众多分析方法中，飞行时间二次离子质谱仪（Time of Flight-Secondary Ion Mass Spectrometer，TOF-SIMS）是表征有机层及其内部缺陷的有效分析工具。TOF-SIMS是由一次脉冲离子束轰击样品表面所产生的二次离子，经飞行时间质量分析器分析二次离子到达探测器的时间，从而得知样品表面成份的分析技术，具有以下检测优势：

（1）兼具高检测灵敏度（ppmm-ppb）、高质量分辨率(M/DM>16000)和高空间分辨率(<50nm)；

（2）表面灵敏，可获取样品表面1-2个原子/分子层成分信息 (≤2nm)；

（3）可分析H在内的所有元素，并且可以分析同位素；

（4）能够检测分子离子，从而获取有机材料的分子组成信息；

（5）适用材料范围广：导体、半导体及绝缘材料。

目前，TOF-SIMS作为一种重要的表面分析技术，可以用于样品的表面质谱谱图分析，深度分析，2D以及3D成像分析，所以被广泛应用于半导体器件、纳米器件、生物医药、量子材料以及能源电池材料等领域。

PART 03 
应用简介  

基于Alq3（8-hydroxyquinoline, aluminum salt，8-羟基喹啉和铝，分子结构见图2）的OLED器件，因其宽视角、高亮度和低功耗的特性，成为下一代平板显示器最有潜力的备选之一。这类器件具有“三明治”结构，在两个电极之间夹有多个有机层。对于OLED器件的研究不仅专注于探索有机材料，还要进行失效分析来确定故障（如显示黑点）产生的原因。在这里，我们展示了TOF-SIMS 对Alq3有机层进行了全面表征。

图2. Alq3的分子结构式

图3和图4均为市售Alq3材料在正离子模式下的TOF-SIMS谱。TOF-SIMS结果表明，利用Au+和Ga+离子源均可检测到Alq3碎片的质量特征峰，但Au+离子源对这些碎片的灵敏度更高。比如，对比相同离子电流下的Au+和Ga+离子束对质量数为315的Alq2分子碎片的灵敏度，发现前者灵敏度提高了23倍。此外，只有Au+离子源才能检测到质量数超过1000的质量片段。这些质谱体现出使用Au+源分析Alq3这类分子量较大的材料的优势。

图3. 正离子模式下Alq3的TOF-SIMS谱。分析条件: 一次离子束Au+，22 keV；样品电流：0.07 pA；分析面积：300 μm2；数据采集时间10 min

4. 正离子模式下Alq3的TOF-SIMS谱。分析条件: 一次离子束Ga+，15 keV；样品电流：0.3 pA；分析面积：300 μm2；数据采集时间10 min

此外，Alq3薄膜必须在高真空条件下沉积才能保持其完整性。为研究大气对Alq3薄膜的影响，分别对暴露在空气前后的样品进行了TOF-SMIS表征，结果如图5所示。TOF-SMIS证明了暴露大气后Alq3薄膜发生了分解，并且随着暴露时间的增长，AlqO2质量片段的强度增加，表明水分和氧气会显著改变Alq3的组成。

图5. 负离子模式下Alq3在大气中暴露前后在的TOF-SIMS谱。分析条件: 一次离子束Ga+，15 kev；分析面积：300 μm2

总之，三重离子束聚焦质量分析器（Triple Ion Focusing Time-of-Flight，TRIFT）结合Au+离子源能显著提高仪器的灵敏度和降低本底，增强TOF-SMIS检测Alq3等高质量数（大分子）材料碎片的能力。

一、引言

光伏发电新能源技术对于实现碳中和目标具有重要意义。近年来，基于有机-无机杂化钙钛矿的光电太阳能电池器件取得了飞速的发展，目前报道的最 高光电转化效率已接近26%。卤化物钙钛矿材料具有无限的组分调整空间，因此表现出优异的可调控的光电性质。然而，由于多组分的引入，钙钛矿材料生长过程中会出现多相竞争问题，导致薄膜初始组分分布不均一，这严重降低了器件效率和寿命。

图1. 钙钛矿晶体结构

二、TOF-SIMS应用成果

由于目前用于高性能太阳能电池的混合卤化物过氧化物中的阳离子和阴离子的混合物经常发生元素和相分离，这限制了器件的寿命。对此，北京理工大学材料学院陈棋教授等人研究了二元（阳离子）系统钙钛矿薄膜(FA1-xCsxPbI3，FA：甲酰胺)，揭示了钙钛矿薄膜材料初始均一性对薄膜及器件稳定性的影响。研究发现，薄膜在纳米尺度的不均一位点会在外界刺激下快速发展，导致更为严重的组分分布差异化（如图2所示），最 终形成热力学稳定的物相分离，并贯穿整个钙钛矿薄膜，造成材料退化和器件失活。该研究成果以题为“Initializing Film Homogeneity to Retard Phase Segregation for Stable Perovskite Solar Cells”发表在Science期刊。[1]

图2. 二元 FAC 钙钛矿的降解机制。（A-H）钙钛矿薄膜的组分初始分布和在外界刺激下的演变行为。（I-N）热力学驱动下，钙钛矿薄膜的物相分离现象的TOF-SIMS表征

TOF-SIMS作为重要的表面分析方法，具有高检测灵敏度（ppm-ppb）、高质量分辨率(M/DM>16000)和高空间分辨率(<50 nm)能力。在本研究中利用TOF-SIMS对发生老化后（晶体相变）的钙钛矿薄膜进行表征，从2D元素分布图中观察到薄膜中的阳离子Cs与FA同时发生了分离（如图2所示），并形成尺寸为几到几十微米的相，将二者的元素分布图像叠加后（见图2 K），观察到分离后的Cs/FA偏析区域在空间上形成互补，证明了每个区域的组成与其晶体结构相关联。此外，TOF-SIMS 3D影像（图2L至2N）表明，垂直方向分布相对均匀，阳离子在不同深度上的聚集方式与表面类似。TOF-SIMS结合XRD和PL结果证明了由于阳离子的局部聚集，从而导致了相分离。

此外，从降解初期的FACs钙钛矿薄膜的TOF-SIMS图像中明显能观察到无色区域（见图3A）Cs的信号更强，表明了区域1（与图2A和E中标注位置一一对应）中的Cs+阳离子有迁移到区域2和3，进一步表明了该膜的降解是由Cs偏析和随后的相变所引起的。

图3. 二元阳离子FACs钙钛矿膜在降解初期的TOF-SIMS图

该研究采用Schelling的偏析模型，并结合TOF-SIMS及其他实验观察数据结果表明：

（1）钙钛矿薄膜初始均一性对薄膜的老化行为有显著影响：薄膜在纳米尺度的不均一位点会在外界刺激下快速发展，导致更为严重的组分分布差异化，最 终形成热力学稳定的物相分离，并贯穿整个钙钛矿薄膜，造成材料退化和器件失活。

（2）薄膜均一性的提升将显著减缓其老化速率：通过在钙钛矿前驱体溶液中引入弱配位的添加剂硒酚，有效调控了溶液胶体环境，提升了薄膜均一性。实验结果表明，均一性提升的薄膜在热、光老化条件下，表现了较好的稳定性，在实验周期内未出现显著的物相分离。同时，经过进一步的器件优化，所制备的太阳能电池器件展现了良好的光电性能，在1 cm²器件上，获得了23.7%的认证效率。在不同温度条件下，器件在LED光源持续照射下，也表现了良好的工作稳定性。

三、TOF-SIMS表面分析方法

飞行时间二次离子质谱仪（Time of Flight-Secondary Ion Mass Spectrometer，TOF-SIMS）是由一次脉冲离子束轰击样品表面所产生的二次离子，经飞行时间质量分析器分析二次离子到达探测器的时间，从而得知样品表面成份的分析技术，具有以下检测优势：

（1）兼具高检测灵敏度（ppm-ppb）、高质量分辨率(M/DM>16000)和高空间分辨率(<50nm)；

（2）表面灵敏，可获取样品表面1-2个原子/分子层成分信息 (≤2nm)；

（3）可分析H在内的所有元素，并且可以分析同位素；

（4）能够检测分子离子，从而获取有机材料的分子组成信息；

（5）适用材料范围广：导体、半导体及绝缘材料。

图4. TOF-SIMS可以提供的数据类型

目前，TOF-SIMS作为一种重要的表面分析技术，可以用于样品的表面质谱谱图分析，深度分析，2D以及3D成像分析，所以被广泛应用于半导体器件、纳米器件、生物医药、量子材料以及能源电池材料等领域。

参考文献

[1] Bai et al. Initializing film homogeneity to retard phase segregation for stable perovskite solar cells, Science (2022). https://doi.org/10.1126/science.abn3148

全文共1834字，阅读大约需要6分钟

关键词：标准粒子；米氏散射

光的散射（scattering of light）是指光通过不均匀介质时一部分光偏离原方向传播的现象。偏离原方向的光称为散射光。散射光频率不发生改变的有瑞利散射、米氏散射和大粒子散射；频率发生改变的有拉曼散射、布里渊散射和康普顿散射等。而标准粒子在光散射研究领域一般研究的是粒子的瑞利散射、米氏散射和大粒子散射，这三种散射划分是根据入射光λ与散射粒子的直径d之间的比例大小来确定的：

①当散射粒子的直径d与入射光波长λ之比（d/λ）很小，即数量级显著小于0.1 时，则属于瑞利散射，散射光强与波长的关系符合瑞利散射定律，即散射光强与入射光的波长四次方成反比，与粒径的六次方成正比。

②当散射粒子粒径与光波长可以比拟（d/λ的数量级为0.1～10）时，随着粒子直径的增大，散射光强与波长的依赖关系逐渐减弱，而且散射光强随波长的变化出现起伏，这种起伏的幅度也随着比值d/λ的增大而逐渐减少，这种散射称为米氏散射。

③当粒子足够大时（d/λ>10），散射光强基本上与波长没有关系，这种粒子的散射称为大粒子散射，也可称之为衍射散射（菲涅尔衍射与夫琅禾费衍射）。

瑞利散射可以说是米氏散射理论模型在小粒子端的近似形式，而衍射散射也可以说是米氏散射理论模型在大粒子端的近似形式，接下来我们将详细了解标准粒子应用于米氏散射理论对其光散射特性研究中，入射光波长、标粒直径以及入射光偏振角对散射光强的影响。

1

入射光波长对散射光强分布的影响

图1.1 是相对折射率m=1.589/1.333，标准粒子直径d=2μm，入射光偏振角φ=45°时，由Mie散射理论及其他相关公式编程计算得到的散射光强与散射角之间的变化关系曲线。对于直径为2μm的聚苯乙烯微球在水中的散射情况，入射光偏振角为45°时，随着入射波长λ的增大，散射光强由主要集中在前向小角度内（波长λ为0.2um时散射光强主要集中在10°散射角内）逐渐变为集中在前向稍大角度内（波长λ为0.8um时散射光强主要集中在30°散射角内），若继续增大波长，散射光强集中的角度也将继续增大。从图1.1可以看出，波长较短时散射光强主要集中在前向小角度内，并且波长越短散射光强集中的角度越小。

图1.1：当m=1.589/1.333，d=2μm，φ=45°时，对应于不同的波长，散射光强与散射角间的关系曲线。

聚苯乙烯微球直径对散射光强分布的影响

图2.1是用可见波段中的0.65μm波长的入射光，在偏振角为45°时，聚苯乙烯微球在水中的散射光强与散射角的变化关系曲线。由图可以看出，微粒直径越大散射光强越集中分布在前向小角度内，粒径大于2μm的粒子的散射光强主要集中在前向散射角约20°内，因此在此种条件下收集前向小角度的散射光强即可获得粒子的较好信息。

图2.2是入射光波长为6μm，偏振角45°时，聚苯乙烯微球在空气中的散射光强与散射角的变化关系曲线。由图可知，所用波长较大时，较大粒子的散射光强不再集中在前向小角度内而是集中的角度逐渐变大，例如粒径大于8μm的粒子的散射光强主要集中在前向散射角约40°内。

图2.1：当m=1.589/1.333， λ=0.65μm， φ=45°时，对应于不同的微粒直径，散射光强与散射角间的关系曲线。 

图2.2：当m=1.589， λ=6μm， φ=45°时，对应于不同的粒径，散射光强与散射角间的变化曲线

入射光偏振角对散射光强分布的影响

图3.1是入射光波长为0.65μm，直径为0.2μm的聚苯乙烯微球在空气中的散射光强与散射角的变化关系曲线。由图可以看出，此种情况下入射光的偏振角不同散射光强与散射角间的关系曲线有很大变化，散射光强分布比较分散，说明此时散射光强的角分布与偏振光的偏振角有关。

图3.1 当m=1.589， λ=0.65μm， φ=0.2μm时，对应于不同的偏振角，散射光强与散射角间的变化曲线。

结论

以上为应用米氏散射理论针对聚苯乙烯微球标准粒子的光散射性质进行的分析，得出以下结论：

（1）波长较短时散射光强主要集中分布在前向小角度内，并且波长越短散射光强集中分布的角度越小。收集前向小角度的散射光可大致反映粒子散射信息。

（2）进行聚苯乙烯微球标粒散射方面的研究时，应该选择可见光波段中波长较短的作为光源，这样既可以得到较好的粒子散射信息，又可以避免光源对人体造成伤害。

（3）粒子直径较大时散射光强主要集中分布在前向小角度内，并且粒子直径越大散射光强越集中分布在小角度内；若所用波长较大时，较大粒子的散射光强不再集中分布在前向小角度内而是集中分布的角度逐渐变大。

参考资料

1.李建立.基于光散射的微粒检测.烟台大学理学院硕士论文，2009：22-25.