CN101762441A

CN101762441A - 高浓度纳米颗粒粒径的测量方法及其检测装置

Info

Publication number: CN101762441A
Application number: CN200910197286A
Authority: CN
Inventors: 李绍新; 王永东; 张延娇; 黎国锋
Original assignee: Dongguan University of Technology; Guangdong Medical University
Current assignee: Dongguan University of Technology; Guangdong Medical University
Priority date: 2009-10-16
Filing date: 2009-10-16
Publication date: 2010-06-30

Abstract

本发明涉及测量技术领域，具体涉及一种高浓度纳米颗粒粒径的测量方法及其检测装置。本发明所述方法能有效进行高浓度样品测量，对样品无干扰、无损伤，能快速、准确测量纳米颗粒粒径，所述装置结构简单紧凑，小型实用，适合于现场或在线监测的优点。

Description

高浓度纳米颗粒粒径的测量方法及其检测装置

技术领域

本发明涉及测量技术领域，具体涉及一种高浓度纳米颗粒粒径的测量方法及其检测装置。

背景技术

目前，对于溶液中纳米颗粒粒度测量的技术主要是动态光散射。动态光散射通过测量液体中做布朗运动颗粒的散射光强的涨落得到粒子的扩散系数，从而得知粒子的粒径大小。在动态光散射纳米颗粒测量中，光子相关光谱法(Photon Correlation Spectroscopy，PCS)已成为稀溶液内超细颗粒表征的标准手段。但是一般PCS法测量前都要求对被测试样进行稀释，以避免多重散射.这就造成了样品组成易于变化，信噪比降低，易受外界环境因素的干扰(如灰尘，光线)等问题，因而导致测量误差。

为解决这一问题，1981年Phillies首先提出了适用于浓溶液内颗粒测量的互相关光谱(Cross Correlation Spectroscopy，CCS)法(Phillies G.D.J of Chemical Physics，1981，74(1)：260-262)，能将单散射信号与多重散射信号分开.此后一些学者对CCS方法进行了改进，如：1990年Drewel等提出的双波长互相关法(Drewel M，Ahrens J，Podschus U.J of SocietyAmerican，1990，7(2)：206-210)；1998年Lisa B.Aberle等提出的3D互相关法(Aberle L B，Hulstede P，Wiegand S，et al.Appl Opt，1998，37(27)：6511-6523)等.但这类方法共同的困难在于：由于两束散射波矢的误差必须小于λ/10，而在实际操作中这样的准确度是很难达到的，因此互相关光谱目前还很难得到应用。

1988年D.J.Pine等提出了一种通过测量入射光在颗粒体系间多次散射后的光强变化，得到体系的自相关函数，进而得到颗粒的粒径信息的方法-扩散波谱法(Diffusing Wave Spectroscopy，DWS)(Pine D J，Weitz D A，Chaikin P M，et al.Physical Review Letters，1988，30(12)：1134-1137)，由于这种方法要求入射光在颗粒系间充分地散射，因此只适用于超高浓度溶液颗粒的测量，此外其原理和相应的实验装置也都过于复杂。2002年，Scheffold改进了DWS方法，提出了后向式扩散波谱法(Backscattering DWS，BDWS)(Scheffold F.J of Dispersion Science and Technology，2002，23(5)：591-599)，这种方法虽然简化了实验装置并扩大了测量溶液的浓度范围，但由于在后向散射信号中存在大量的单散射信号，导致测量误差较大。2005年，Navabpour等提出了前向扩散波谱法(Transmission DWS，TDWS)(Navabpour P，Rega C，Lloyd C J，er al.Colloid Polym Sci.2005，283(9)：1025-1032)，这种方法虽然提高了测量准确度，但总的来说扩散波谱法的算法较复杂并且只适用于超高浓度溶液的颗粒测量，因此仍处于实验研究阶段。上述这些方法在具体实现上存在个别技术难点，或成本相对也较高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提出一种高浓度溶液中纳米颗粒粒径动态光散射测量的方法及其装置。

本发明公开了一种高浓度溶液纳米颗粒粒径的测量方法，包括如下步骤：

连续激光由光纤入射到光纤耦合器，经分光后分别入射到样品臂和参考臂；

进入样品臂的光经准直聚焦透镜组照射到样品上，产生散射光，散射光经准直聚焦透镜组收集返回到光纤耦合器；

进入参考臂的光入射到干涉仪并从干涉仪经参考臂返回到光纤耦合器；

从样品臂和参考臂返回到光纤耦合器的光发生干涉，并传输给光电倍增管，光电倍增管将光信号转换为电脉冲信号输出给光谱分析仪；

光谱分析仪处理电脉冲信号。

本发明的原理是用一个光纤耦合器将二极管激光器发出的低相干光分成两束光分别传输给干涉仪和样品池，当从样品池返回的单次散射光和从干涉仪返回的反射光光程在光源的相干长度内时两束光在光纤耦合器内发生干涉，通过光谱分析仪处理干涉光信号从而测量出纳米颗粒粒径。

所述光纤耦合器为2×2光纤耦合器；所述的参考臂和样品臂为单模光纤。

所述的准直聚焦透镜组为两个非密接组合的凸透镜。

所述干涉仪能调节选择样品的单次散射光。所述的干涉仪优为法布里珀罗干涉仪。

在第d)步中，所述的从样品臂和参考臂返回的光，如果所经历的光程差在光源的相干长度以内，则在光纤耦合器内发生干涉。

另一方面，本发明还公开了一种高浓度溶液纳米颗粒粒径的检测装置，其特征在于其由超高亮度发光二极管、光纤耦合器、干涉仪、准直聚焦透镜组、样品池、光纤、光电倍增管、光谱分析仪和计算机组成，其中发光二极管、光电倍增管、干涉仪和准直聚焦透镜组通过单模光纤与光纤耦合器桥接；光电倍增管、光谱分析仪、计算机通过电缆依次连接。发光二极管提供低相干光；光纤耦合器将发光二极管的出射光等分给样品臂(光纤)和参考臂(光纤)，同时也将从样品臂和参考臂返回的光传输给光电倍增管；干涉仪确定光程长度；光电倍增管将光信号转换为电信号；光谱分析仪测量光电流的功率谱分布；准直聚焦透镜组将样品臂传输的光准直聚焦到样品池。

本发明能有效地进行高浓度样品测量，对样品无干扰、无损伤，能快速、准确测量纳米颗粒粒径，以及装置结构简单紧凑，小型实用，适合于现场监测的优点。

附图说明

图1为本发明所述装置结构示意图。

图2为低浓度纳米颗粒粒径检测结果。

图3为高浓度纳米颗粒粒径检测结果。

具体实施方式

除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。

下面结合附图对本发明作进一步的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

图1示出了本发明所述装置示意图。本装置主要由激光器1、光纤耦合器2、干涉仪3、光电倍增管4、光谱分析仪5、计算机6、准直透镜7、聚焦透镜8、样品池9组成。其中激光器1提供低相干光；光纤耦合器2将出射激光平分成两束光；干涉仪3调节反射光光程；准直透镜7准直入射光；聚焦透镜8聚焦入射光；光电倍增管4将返回光信号转换成电脉冲信号，光谱分析仪5处理电脉冲信号；激光器1、干涉仪3、准直透镜7、光电倍增管4通过单模光纤和光纤耦合器2连接；光电倍增管4、光谱分析仪5和计算机6依次信号连接。

选用各组件组成本装置，其中：激光器1选用中心波长为600nm的二极管激光器；光纤耦合器2选用带宽80nm、50∶50宽带光纤耦合器；干涉仪3选用法布里珀罗干涉仪；准直透镜7聚焦透镜8焦距为35-50mm，本装置选用50mm；样品池9为一普通玻璃器皿；光电倍增管4选用EG&G公司的J16A18A-R100U型雪崩管；单模光纤选用传输波长为630nm单模光纤；光谱分析仪5选用荷兰Avantes公司生产的AvaSpec-256光谱仪；计算机6选用P4微机；内装有origin6.0数据拟合软件。

将上述装置使用方法：

1、将样品匹配池中注入50ml三蒸水；

2、在石英比色皿(样品池)中加入待测样品；

3、打开电源，打开激光器，静待1分钟让激光器稳定；

4、打开光谱分析仪测量5分钟；

5、用计算机中的数据拟合软件处理测量数据，还原出粒子粒径大小。

实施例2高浓度纳米颗粒粒径的测量：

实验选用了粒径为50nm和100nm，浓度为15000ppm两种标准乳胶球颗粒，通过稀释得到浓度15ppm和15000ppm的颗粒溶液，现将不同浓度颗粒溶液，按照传统PCS法和本发明所述方法(标为NEW)测量，结果如图2、3所示，图2中1为15ppm粒径为50nm标准乳胶球颗粒溶液，2为15ppm粒径为100nm标准乳胶球颗粒颗粒溶液；图2中1为1500ppm粒径为50nm标准乳胶球颗粒溶液，2为15000ppm粒径为100nm标准乳胶球颗粒溶液；上述结果表明在检测低浓度纳米颗粒粒径时，本发明所述方法和传统PCS法均能较为准确地测量纳米颗粒粒径，而在检测高浓度纳米颗粒粒径时，本发明所述方法较传统PCS法而言，测量纳米颗粒粒径更为精确，误差更小。

本发明的范围不受所述具体实施方案的限制，所述实施方案只作为阐明本发明各个方面的单个例子，本发明范围内还包括功能等同的方法和组分。实际上，除了本文所述的内容外，本领域技术人员参照上文的描述和附图可以容易地掌握对本发明的多种改进。所述改进也落入所附权利要求书的范围之内。上文提及的每篇参考文献皆全文列入本文作为参考。

Claims

1.一种高浓度溶液纳米颗粒粒径的测量方法，其特征在于包括如下步骤：

a)连续激光由光纤入射到光纤耦合器，经分光后分别入射到样品臂和参考臂；

b)进入样品臂的光经准直聚焦透镜组照射到样品上，产生散射光，散射光经准直聚焦透镜组收集返回到光纤耦合器；

c)进入参考臂的光入射到干涉仪并从干涉仪经参考臂返回到光纤耦合器；

d)从样品臂和参考臂返回到光纤耦合器的光发生干涉，并传输给光电倍增管，光电倍增管将光信号转换为电脉冲信号输出给光谱分析仪；

b)光谱分析仪处理电脉冲信号。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于所述光纤耦合器为2×2光纤耦合器。

3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于所述参考臂和样品臂为单模光纤。

4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于所述准直聚焦透镜组为两个非密接组合的凸透镜。

5.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于所述干涉仪能调节选择样品的单次散射光。

6.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于所述干涉仪为法布里珀罗干涉仪。

7.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于在第d)步中，所述的从样品臂和参考臂返回的光，如果所经历的光程差在光源的相干长度以内，则在光纤耦合器内发生干涉。

8.一种高浓度溶液纳米颗粒粒径的检测装置，其特征在于其由超高亮度发光二极管、光纤耦合器、干涉仪、准直聚焦透镜组、样品池、光纤、光电倍增管、光谱分析仪和计算机组成，其中发光二极管、光电倍增管、干涉仪和准直聚焦透镜组通过单模光纤与光纤耦合器桥接；光电倍增管、光谱分析仪、计算机通过电缆依次连接。

9.据权利要求8所述的检测装置，其特征在于所述干涉仪为法布里珀罗干涉仪。

10.据权利要求8所述的检测装置，其特征在于所述准直聚焦透镜组为两个非密接组合的准直透镜和聚焦透镜组成。