CN101571470A - 一种纳米颗粒粒径测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纳米颗粒粒径测量装置及方法，将无线电技术中的差拍技术用于动态光散射的频谱测量，通过对散射光信号的频谱的分析就能得到颗粒的粒径信息，与国内现有的技术相比，具有实现简单，测量精度高的特点，为纳米颗粒粒径测量技术的进步又提出了新的思路。

Description

一种纳米颗粒粒径测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种测量技术，特别涉及一种纳米颗粒粒径测量装置及方法技术。

背景技术

作为21世纪的带头学科之一，纳米技术为材料科学带来了广泛而深刻的变革。纳米颗粒的粒径测量是纳米技术中极其重要的一个方面，特别是近年来随着纳米技术广泛应用于制药、生物、电子、光电子、能源、催化和陶瓷等领域，各行业对纳米颗粒粒径的测量和监控要求也越来越严格，其发展水平已成为目前衡量一个国家纳米科技水平和在这方面综合实力的重要标志之一。与国外相比，我国在纳米颗粒粒径测量技术及仪器方面还非常落后。

动态光散射技术是目前应用最广泛的纳米颗粒粒径测量技术，一般通过数字相关器计算散射光信号的自相关函数，进而推演出所测颗粒的粒径信息，因此也称为光子相关光谱法。其特点是运算速度快，数据处理量大，但也存在价格过高，功能单一无法二次开发等缺点。近年来已有学者提出了基于光子计数的动态光散射软件自相关测量法，但由于软件法采集和处理的数据量有限，且缺乏相应的时域信号增强方法，因此存在测量精度较低，重复性差的问题。

发明内容

本发明是针对现有纳米颗粒粒径测量存在的问题，提出了一种纳米颗粒粒径测量装置及方法，将无线电技术中的差拍(也称为混频)技术用于动态光散射的频谱测量，通过对散射光信号的频谱的分析就能得到颗粒的粒径信息。

本发明的技术方案为：一种纳米颗粒粒径测量装置，包括激光器1、凸透镜2、样品池3、针孔光阑4、5、滤光片6、光电倍增管7、光子计数卡8、计算机9，激光器1发出入射激光经透镜2聚焦后照射到样品池3内的颗粒样品上，被激光束照射的颗粒产生的垂直与入射激光方向的散射光依次通过双孔结构的针孔光阑4、5和滤光片6后进入光电倍增管7，经过光电倍增管7转换成电信号输出进入光子计数卡8进行计数，最后数据送入计算机9内处理。

一种纳米颗粒粒径测量方法，包括所述纳米颗粒粒径测量装置，方法具体步骤包括：

1)用激光器1作为光源，照射到盛有颗粒的样品池3内；

2)用光电倍增管作为光探测器7以90度的散射角连续测量散射光信号；

3)用光子计数卡8根据预设的采样时间，对光电倍增管输出的脉冲信号进行计数，得到的计数序列Xn即单位采样时间内的光电流强度，光电流强度正比于光强；

4)调用MatLab下的FFT函数计算信号Xn的功率谱密度：

式中，Γ为Rayleigh线宽或衰减线宽；

5)根据步骤4)得到功率谱密度曲线，测量功率谱密度的衰减宽度Γ，Γ和描述布朗运动强度的平移扩散系数D_T以及散射矢量q的关系式为：

Γ＝D_Tq²

$q=\frac{4\mathrm{\πm}}{{\mathrm{\λ}}_0}\sin \left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)$

其中m为溶液的折射率，λ₀为激光波长，θ为散射角，从而可计算出平移扩散系数D_T；

6)最后根据Stoks-Einstein公式： $D_T=\frac{K_{B}T}{3\mathrm{\π\ηd}}$ 算出颗粒的粒径大小d，其中k_B为Boltzman常数；T为绝对温度；η为溶液粘度。

本发明的有益效果在于：本发明一种纳米颗粒粒径测量装置及方法，与国内现有的技术相比，具有实现简单，测量精度高的特点，为纳米颗粒粒径测量技术的进步又提出了新的思路。

附图说明

图1为本发明纳米颗粒粒径测量装置结构示意图；

图2为本发明动态光散射频谱图。

具体实施方式

悬浮液中的超细颗粒受到周围水分的不断撞击就会产生布朗运动，颗粒布朗运动产生的散射光信号的功率谱具有Lorentz功率谱的形式，由于Lorentz功率谱的衰减线宽(也叫Rayleigh线宽)中包含颗粒的粒径信息，因此通过对散射光信号的频谱的分析就能得到颗粒的粒径信息。

在现有的光谱分析手段中，从光场中获得光谱信息的最简单又直接的方法是用滤光器，它允许窄频带光场通过，并测量其强度，从而对光谱进行扫描测量。为此，可以使用棱镜，使不同频率的光波偏向不同的方向，也可使用散射材料吸收或者反射掉所选择的窄带以外的所有其它频率的光波的方法来测光谱；还有使用更有效的干涉仪来选择窄频带光场，它使所需频率的光波同其反射波相长干涉，而使所有其它频率的光波相消干涉。Fabry-Perot标准具就是这种干涉仪中最好的一个。然而我们研究的是如此小的频率加宽量或频移量，以粒径等于50nm的乳胶球颗粒为例，其产生的散射光频率展宽Γ仅为3KHz，远比原场频率ω0(氦氖激光源4.74×1014Hz)来得小，而且远低于目前最好的单色仪或干涉仪的分辨极限，因此无法直接进行测量。

本发明将无线电技术中的差拍(也称为混频)技术用于动态光散射的频谱测量，其原理是：两个信号相加再通过一个非线性元件或“检测器”，混合后的输出包含了和频差频，假如初始频率是接近的，差频信号很容易用低通滤波器分离出来。差拍技术可分为内差拍和外差拍两种接收方式，本发明采用的是内差拍法。

纳米颗粒粒径测量装置结构如图1所示，装置包括激光器1、凸透镜2、样品池3、针孔光阑4、5、滤光片6、光电倍增管7、光子计数卡8、计算机9，激光器1发出入射激光经透镜2聚焦后照射到样品池3内的颗粒样品上，被激光束照射的颗粒产生的垂直与入射激光方向的散射光依次通过双孔结构的针孔光阑4、5和滤光片6后进入光电倍增管7，经过光电倍增管7转换成电信号输出进入光子计数卡8进行计数，最后数据送入计算机9内计算散射信号的功率谱密度，进而得到颗粒粒径及其分布。

颗粒布朗运动的散射光场谱密度为： $I\left(\mathrm{\&omega;}\right)=<I>\frac{\mathrm{\&Gamma;}/\mathrm{\&pi;}}{{\mathrm{\&Gamma;}}^2+{(\mathrm{\&omega;}-{\mathrm{\&omega;}}_0)}^2}---\left(1\right)$

其中Γ＝D_Tq²，q为颗粒的散射矢量 $q=\frac{4\mathrm{\&pi;m}}{{\mathrm{\&lambda;}}_0}\sin \left(\frac{\mathrm{\&theta;}}{2}\right),$ 其中m为溶液的折射率，λ₀为激光波长，θ为散射角，D_T为颗粒的平移扩散系数。

对于溶液粘度为η，粒径为d的球形颗粒，由Stoks-Einstein公式： $D_T=\frac{K_{B}T}{3\mathrm{\&pi;\&eta;d}}---\left(2\right),$ 由式(1)可以看到散射光场谱密度中心频率在ω₀处如图2(a)所示散射光场谱密度。

散射光在光电倍增管表面混频后，通过光电倍增管转化为光电流，此时光电流(正比于散射光强)的谱密度为：

由式(2)可以看到通过光拍技术，散射光场谱密度中心频率已降至0到处如图2(b)所示光电流谱密度。

选用光子计数卡M9003，并采用VC6.0和MatLab为开发平台开发了信号采集和处理程序。实现方法：首先由光子计数卡读取采样时间内的散射光强，其次调用MatLab下的FFT函数计算信号的功率谱密度，再次测量功率谱密度的衰减宽度，最后根据式(2)算出颗粒的粒径大小。

用MatLab计算信号功率谱密度的程序如下：

xk＝fft(xn，nfft)；

pxx＝abs(xk).^2/length(xn)；

xn为信号序列，nfft表示FFT算法的长度，一般取2的整数次幂；length(xn)表示序列xn的长度。

Claims (2)

1、一种纳米颗粒粒径测量装置，其特征在于，包括激光器(1)、凸透镜(2)、样品池(3)、针孔光阑(4、5)、滤光片(6)、光电倍增管(7)、光子计数卡(8)、计算机(9)，激光器(1)发出入射激光经透镜(2)聚焦后照射到样品池(3)内的颗粒样品上，被激光束照射的颗粒产生的垂直与入射激光方向的散射光依次通过双孔结构的针孔光阑(4、5)和滤光片(6)后进入光电倍增管(7)，经过光电倍增管(7)转换成电信号输出进入光子计数卡(8)进行计数，最后数据送入计算机(9)内处理。

2、一种纳米颗粒粒径测量方法，包括所述纳米颗粒粒径测量装置，其特征在于，方法具体步骤包括：

1)用激光器(1)作为光源，照射到盛有颗粒的样品池(3)内；

2)用光电倍增管作为光探测器(7)以90度的散射角连续测量散射光信号；

3)用光子计数卡(8)根据预设的采样时间，对光电倍增管输出的脉冲信号进行计数，得到的计数序列Xn即单位采样时间内的光电流强度，光电流强度正比于光强；

4)调用MatLab下的FFT函数计算信号Xn的功率谱密度：

式中，Г为Rayleigh线宽或衰减线宽；

5)根据步骤4)得到功率谱密度曲线，测量功率谱密度的衰减宽度Г，Г和描述布朗运动强度的平移扩散系数D_T以及散射矢量q的关系式为：

Г＝D_Tq²

$q=\frac{4\mathrm{\&pi;m}}{{\mathrm{\&lambda;}}_0}\sin \left(\frac{\mathrm{\&theta;}}{2}\right)$

其中m为溶液的折射率，λ₀为激光波长，θ为散射角，从而可计算出平移扩散系数D_T；

6)最后根据Stoks-Einstein公式： $D_T=\frac{K_{B}T}{3\mathrm{\&pi;\&eta;d}}$ 算出颗粒的粒径大小d，其中k_B为Boltzman常数；T为绝对温度；η为溶液粘度。

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