CN103424080A - 纳米颗粒直径测量装置以及纳米颗粒直径测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对纳米颗粒的直径进行测量的纳米颗粒直径测量装置，以及纳米颗粒直径测量方法。该纳米颗粒直径测量装置包括光源、凹透镜、样品池、小孔构件、滤光片、转换部和计算部，光源发出的激光在经过样品池后会变成散射光，转换部对散射光进行成像和检测，计算部采用图像对比度分析方法得到样品池中纳米颗粒的直径。因为转换部可以实现多点检测，且测量方式为后向测量，不容易受多重散射影响，所以能够直接检测高浓度的纳米颗粒直径，解决了原有动态光散射测量装置无法在高浓度下进行直接测量的问题，具有成本低廉、运算简单的优点。

Description

纳米颗粒直径测量装置以及纳米颗粒直径测量方法

技术领域

本发明涉及一种对纳米颗粒的直径进行测量的纳米颗粒直径测量装置，以及利用该纳米颗粒直径测量装置进行测量的纳米颗粒直径测量方法。

背景技术

纳米颗粒由于其特有的光、磁、电、热和催化等性质，使其在催化、滤光、光吸收、医药、磁介质及新材料等方面有着广阔的应用前景。纳米颗粒的大小直接影响着其各种性质，因此纳米颗粒的测量技术是纳米科技得以发展的必要条件。

目前纳米颗粒的标准测量方法是动态光散射（Dynamic LightScattering,DLS）测量法，该方法使用光电倍增管来检测，因为光电倍增管是单点检测，所以只能用于稀溶液下纳米颗粒的测量，无法直接测量高浓度纳米颗粒。

另外，动态光散射是测向散射检测，容易受到多重散射的影响，所以检测精度不高。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种能够测量高浓度纳米颗粒直径的纳米颗粒直径测量装置，以及利用该纳米颗粒直径测量装置进行测量的纳米颗粒直径测量方法。

本发明为了实现上述目的，采用了以下结构和方法：

本发明提供一种纳米颗粒直径测定装置，用于对纳米颗粒的直径进行测定，其特征在于，包括：光源，用于发射一束出射光；凹透镜，位于出射光的光路上，用于把出射光转变为发散光；样品池，位于发散光的光路上，用于对发散光进行散射，成为第一散射光；小孔构件，中间有一个用于出射第一散射光的小孔，使第一散射光经小孔出射后成为第二散射光；滤光片，位于第二散射光的光路上，使第二散射光经过过滤后形成第三散射光；转换部，位于第三散射光的光路上，用于对第三散射光进行成像得到光学影像，并把光学影像转换为数字信号；计算部，与转换部相连，用于根据数字信号计算出纳米颗粒的直径。

另外，本发明纳米颗粒直径测定装置中，光源为半导体激光器，功率为300mW；出射光为激光，波长为533nm；滤光片为绿光滤光片，转换部为线阵CCD相机；光学影像为动态散斑图像；数字信号为灰度值。

另外，本发明还提供一种使用纳米颗粒直径测定装置来对纳米颗粒的直径进行测定的纳米颗粒直径测定方法，其特征在于，包括如下步骤：光源发射一束出射光，凹透镜对出射光进行发散，得到发散光，样品池对发散光进行散射，得到第一散射光；小孔构件对经过小孔的第一散射光进行成像，得到第二散射光，滤光片对第二散射光进行过滤得到第三散射光；转换部对第三散射光进行成像得到光学影像，并把光学影像转换为数字信号；计算部根据数字信号计算出纳米颗粒的直径。

其中，上述纳米颗粒直径测定方法中，转换部为线阵CCD相机，线阵CCD相机在预定曝光时间（T）内以预定曝光时间间隔（T0）连续获取预定张数（K）的光学影像，数字信号为灰度值。

进一步，上述纳米颗粒直径测定方法中，计算部计算纳米颗粒的直径的步骤如下：

（1）、计算部根据第一公式计算出图像对比度（V₂（T）），第一公式为：

$V_2\left(T\right)=[\frac{\⟨I^2{\⟩}_T}{{\⟨I\⟩}_T^2}-1],$

其中， $\⟨I^2{\⟩}_T={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N\frac{S_i^2}{N},$ ${\⟨I\⟩}_T^2={\left({\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N\frac{S_i}{N}\right)}^2,$ N为线阵CCD相机的总像素点的个数，i代表第一个像素点到最后一个像素点中任意一个像素点的编号，S_i是第i个像素的灰度值；

（2）、计算部根据第二公式计算出第三散射光的光强波动的衰减线宽(Г)，第二公式为：

$V_2\left(T\right)=\frac{[(3+6\sqrt{\mathrm{\ΓT}}+4\mathrm{\ΓT})e^{-2\sqrt{\mathrm{\ΓT}}}-3+2\mathrm{\ΓT}]}{2(\mathrm{\ΓT}{)}^2};$

（3）、计算部根据第三公式计算出纳米颗粒的布朗运动强度的平移扩散系数（D_T），第三公式为：

$\mathrm{\Γ}=D_T{q}^2,$

其中，q为纳米颗粒的散射矢量；

（4）、计算部根据第四公式计算出纳米颗粒的直径（d），第四公式为：

$d=\frac{k_{B}T}{3\mathrm{\π\η}{D}_T},$

其中，K_B为Boltzman常数，T为绝对温度，η为溶液粘度。

发明的作用与效果

根据本发明的纳米颗粒直径测量装置，因为采用作为转换部的线阵CCD相机来对散射光进行成像以及采用了图像对比度分析方法，而线阵CCD相机可以实现多点检测，并且测量方式为后向测量，不容易受多重散射影响，所以能够直接检测高浓度的纳米颗粒直径，解决了原有动态光散射测量装置无法在高浓度下进行直接测量的问题，具有成本低廉、运算简单的优点。

附图说明

图1为本发明实施例的纳米颗粒直径测量装置的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明涉及的纳米颗粒直径测量装置进行详细的说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，所给出的详细实施方式和过程，是对本发明的进一步说明，而不是限制本发明的范围。

实施例

图1为本发明实施例的纳米颗粒直径测量装置的示意图。

如图1所示，本发明的纳米颗粒直径测量装置8，用于对体积百分比1%～20%的纳米颗粒的直径进行测定，包括光源1、凹透镜2、样品池3、小孔构件4、滤光片5、转换部6、计算部7。

光源1为半导体激光器，用于发射一束作为出射光9的激光。本实施例中，半导体激光器的功率为300mW，激光的波长为533nm。

凹透镜2，位于出射光9的光路上，用于对出射光9进行发散，从而转变为发散光10。本实施例使用凹透镜2对激光进行发散是因为激光是一种高斯光束，光束很细，直径只有大约几个毫米，因此能量都集中在光束的中心部分，不利于在转换部6中成像。而通过凹透镜2发散后，光束的中心部分的光斑直径达到大约1.5cm，且能量在光斑区域呈均匀分布，从而使光束在转换部6中成像的质量得以提高。

样品池3内填装有具有一定浓度的纳米颗粒溶液，位于发散光10的光路上，能够对发散光10向四周散射，使之成为散射光。发散光透过样品池3的壁照射在纳米颗粒上，由于纳米颗粒在溶液中的随机分布和随机运动，产生各个方向的散射光。样品池3选透光率较高的材料，本实施例中为玻璃。样品池3中填装的纳米颗粒溶液的体积百分比浓度一般在1%～20%，，从而保证能够产生足够的有效散射信号。本装置可测量纳米颗粒直径范围为10nm到2000nm。纳米颗粒溶液的填装高度超过发散光10在样品池3上的照射高度。

小孔构件4的中间有一个用于出射散射光的小孔13。在散射光中，射入小孔13内的散射光作为第一散射光11。第一散射光11经小孔13出射后成为第二散射光12。小孔13用于限定散斑区域的大小，也就是CCD相机检测区域的大小。本实施例中，小孔13的外形为圆形，直径为1cm。小孔构件4采用金属材料制成，颜色为亚光黑。小孔13的轴线与激光的光路的夹角α<30度，本实施例中，该夹角α为20度，因为α超过30度一般就认为不是后向散射，而是侧向散射了。如果以发散光10的出射方向为前向，则第一散射光11的方向为后向，即，本装置实现的是后向测量。

滤光片5，位于第二散射光12的光路上，使第二散射光12经过过滤后形成第三散射光14。该滤光片5为绿光滤光片，绿色滤光片是只让绿色通过，因为533nm的激光是绿色的，所以散射光也是绿色，其他颜色的光都是噪声。

转换部6，位于第三散射光14的光路上，用于捕获第三散射光14，对其进行成像得到光学影像，并把光学影像转换为数字信号。转换部6为线阵CCD相机。本实施例中，该线阵CCD相机的总像素点个数N为1024。线阵CCD相机所得到的光学影像为动态散斑图像。该动态散斑图像是由于纳米颗粒在溶液中的布朗运动产生的。该纳米颗粒的布朗运动为随机运动，使得发散光10也产生随机波动，可以被转换部6捕捉，从而形成动态散斑图像。因为纳米颗粒的布朗运动的快慢和纳米颗粒的大小有关，所以可以通过检测散斑图像的变化快慢间接测得纳米颗粒的大小。在测量时，线阵CCD相机在预定曝光时间T内以预定曝光时间间隔T₀连续获取预定张数K的动态散斑图像，即T=K×T_O。本实施例中，预定张数K的值为10000。小孔构件4、滤光片5和转换部6均被封装在密封装置中，使转换部6的曝光不受到自然光的影响。

计算部7根据数字信号计算出纳米颗粒的直径d。该数字信号为每张动态散斑图像在线阵CCD中所呈现像素的灰度值。

首先，计算部7根据第一公式计算出图像对比度V₂（T）。第一公式为散斑波动计算公式，描述了散斑的变化，具体表达式为：

$V_2\left(T\right)=[\frac{\&lang;I^2{\&rang;}_T}{{\&lang;I\&rang;}_T^2}-1],$

其中， $\&lang;I^2{\&rang;}_T={\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^N\frac{S_i^2}{N},$ ${\&lang;I\&rang;}_T^2={\left({\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^N\frac{S_i}{N}\right)}^2,$ N为线阵CCD相机的总像素点的个数，本实施例中取1024，i代表第一个像素点到最后一个像素点中任意一个像素点的编号，S_i是第i个像素的灰度值。

接着，计算部7根据第二公式计算出第三散射光14的光强波动的衰减线宽Г。第二公式描述颗粒运动引起的光强变化，具体表达式为：

$V_2\left(T\right)=\frac{[(3+6\sqrt{\mathrm{\&Gamma;T}}+4\mathrm{\&Gamma;T})e^{-2\sqrt{\mathrm{\&Gamma;T}}}-3+2\mathrm{\&Gamma;T}]}{2(\mathrm{\&Gamma;T}{)}^2},$

第二公式通过最小二乘法与第一公式进行拟合，得到光强波动的衰减线宽Г。

然后，计算部7根据第三公式计算出纳米颗粒的布朗运动强度的平移扩散系数（D_T），第三公式为光散射的定义，具体表达式为：

$\mathrm{\&Gamma;}=D_T{q}^2,$

其中，q为纳米颗粒的散射矢量，本实施例中，该散射矢量q的具体值为3.09×10⁷m。

计算部7根据第四公式计算出纳米颗粒的直径d，第四公式为：

$d=\frac{k_{B}T}{3\mathrm{\&pi;\&eta;}{D}_T},$

其中，K_B为Boltzman常数，具体值为1.38×10^-23J/K，T为绝对温度，具体值为293K，η为溶液粘度1×10^-3N·S/m²。

纳米颗粒直径测定方法包括如下步骤：

第一步、光源1发射一束出射光9，凹透镜2对第一出射光9进行发散，得到发散光10，样品池3对发散光10进行散射，得到第一散射光11。

第二步、小孔构件4对经过小孔13的第一散射光11进行成像，得到第二散射光12，滤光片5对第二散射光12进行过滤得到第三散射光14。

第三步、转换部6对第三散射光14进行成像得到光学影像，并把光学影像转换为数字信号；

第四步、计算部7根据数字信号计算出纳米颗粒的直径d。

实施例的作用与效果

根据本实施例的纳米颗粒直径测量装置，因为采用作为转换部的线阵CCD相机来对散射光进行成像以及图像对比度分析方法，而线阵CCD相机可以实现多点检测，并且测量方式为后向测量，不容易受多重散射影响，所以能够直接检测高浓度的纳米颗粒直径，解决了原有动态光散射测量装置无法在高浓度下进行直接测量的问题，具有成本低廉、运算简单的优点。

Claims (10)

1.一种纳米颗粒直径测定装置，用于对纳米颗粒的直径进行测定，

其特征在于，包括：

光源，用于发射一束出射光；

凹透镜，位于所述出射光的光路上，用于把所述出射光转变为发散光；

样品池，位于所述发散光的光路上，用于对所述发散光进行散射，成为第一散射光；

小孔构件，中间有一个用于出射所述第一散射光的小孔，使所述第一散射光经所述小孔出射后成为第二散射光；

滤光片，位于所述第二散射光的光路上，使所述第二散射光经过过滤后形成第三散射光；

转换部，位于所述第三散射光的光路上，用于对所述第三散射光进行成像得到光学影像，并把所述光学影像转换为数字信号；

计算部，与所述转换部相连，用于根据所述数字信号计算出所述纳米颗粒的直径。

2.根据权利要求1所述的纳米颗粒直径测定装置，其特征在于：

其中，所述光源为半导体激光器，功率为300mW。

3.根据权利要求2所述的纳米颗粒直径测定装置，其特征在于：

其中，所述出射光为激光，波长为533nm。

4.根据权利要求1所述的纳米颗粒直径测定装置，其特征在于：

其中，所述滤光片为绿光滤光片，所述转换部为线阵CCD相机。

5.根据权利要求1所述的纳米颗粒直径测定装置，其特征在于：

其中，所述光学影像为动态散斑图像。

6.根据权利要求1所述的纳米颗粒直径测定装置，其特征在于：

其中，所述数字信号为灰度值。

7.一种使用如权利要求1至权利要求6中任意一项所述的纳米颗粒直径测定装置来对纳米颗粒的直径进行测定的纳米颗粒直径测定方法，其特征在于，包括如下步骤：

光源发射一束出射光，凹透镜对所述出射光进行发散，得到发散光，样品池对所述发散光进行散射，得到第一散射光；

小孔构件对经过小孔的第一散射光进行成像，得到第二散射光，滤光片对所述第二散射光进行过滤得到第三散射光；

转换部对所述第三散射光进行成像得到光学影像，并把所述光学影像转换为数字信号；

计算部根据所述数字信号计算出所述纳米颗粒的直径。

8.根据权利要求7所述的纳米颗粒直径测定方法，其特征在于：

其中，所述转换部为线阵CCD相机，

所述线阵CCD相机在预定曝光时间（T）内以预定曝光时间间隔（T_O）连续获取预定张数（K）的所述光学影像。

9.根据权利要求8所述的纳米颗粒直径测定方法，其特征在于：

其中，所述数字信号为灰度值。

10.根据权利要求9所述的纳米颗粒直径测定方法，其特征在于：

其中，所述计算部计算所述纳米颗粒的直径的步骤如下：

所述计算部根据第一公式计算出图像对比度（V₂（T）），所述第一公式为：

$V_2\left(T\right)=[\frac{\&lang;I^2{\&rang;}_T}{{\&lang;I\&rang;}_T^2}-1],$

其中， $\&lang;I^2{\&rang;}_T={\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^N\frac{S_i^2}{N},$ ${\&lang;I\&rang;}_T^2={\left({\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^N\frac{S_i}{N}\right)}^2,$ N为线阵CCD相机的总像素点的个数，i代表第一个像素点到最后一个像素点中任意一个像素点的编号，S_i是第i个像素的灰度值；

所述计算部根据第二公式计算出第三散射光的光强波动的衰减线宽（Г），所述第二公式为：

$V_2\left(T\right)=\frac{[(3+6\sqrt{\mathrm{\&Gamma;T}}+4\mathrm{\&Gamma;T})e^{-2\sqrt{\mathrm{\&Gamma;T}}}-3+2\mathrm{\&Gamma;T}]}{2(\mathrm{\&Gamma;T}{)}^2};$

所述计算部根据第三公式计算出所述纳米颗粒的布朗运动强度的平移扩散系数（D_T），所述第三公式为：

$\mathrm{\&Gamma;}=D_T{q}^2,$

其中，q为所述纳米颗粒的散射矢量；

所述计算部根据第四公式计算出所述纳米颗粒的直径（d），所述第四公式为：

$d=\frac{k_{B}T}{3\mathrm{\&pi;\&eta;}{D}_T},$

其中，K_B为Boltzman常数，T为绝对温度，η为溶液粘度。

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