利用离散偶极近似与全息显微术测量非球形胶体粒子的旋转动力学

我们提出了一种新的高速技术，用于追踪非球形胶体粒子的三维平移和旋转。我们拍摄了在水中自由扩散的微米级二氧化硅棒和亚微米级 Janus 粒子的数字全息图，随后将基于离散偶极近似（discrete dipole approximation）的数值散射模型拟合至测得的全息图。这种逆散射方法使我们能够提取粒子位置和取向随时间的变化，以及包括尺寸、形状和折射率在内的静态参数。两种粒子的最佳拟合尺寸和折射率与预期值吻合良好。该技术追踪二氧化硅棒质心的精度可达 35 nm，取向精度可达 1.5$^\circ$，与其他针对非球形粒子的 3D 扩散测量精度相当或更优。此外，测得的二氧化硅棒的平移和旋转扩散系数与球柱体的流体动力学预测值偏差在 0.3% 以内。我们还表明，尽管 Janus 粒子的光学不对称性较弱，该技术仍能在数微米的景深内追踪其二维平移和方位角旋转，从而得出有效流体动力学半径的独立测量值，其一致性在 0.2% 以内。这些测量的内部和外部一致性验证了该技术的有效性。由于离散偶极近似可以对任意形状粒子的散射进行建模，我们的技术可应用于多种场景，包括粒子追踪、微流变学，以及胶体自组装或微生物运动的基础研究。