CN104374676A - 一种基于光学俘获的颗粒粒径检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于光学俘获的颗粒粒径检测方法，该方法分析被光阱俘获颗粒位移的功率谱，该信号包括受限布朗运动对应的洛仑兹分布和受迫运动的尖峰。根据尖峰相对洛仑兹分布围绕的面积与峰的高度，反演该光阱中微粒被位置探测器探测时的电压比例系数，根据标准尺寸微粒粒径，测量粘滞系数与温度的比值。根据粘滞系数与温度的关系，获得光阱中的温度。采集待测微粒在光阱中的受迫运动信号，然后使用功率谱校准探测器对该微粒的电压比例系数。由热噪声的功率谱获得扩散系数，根据标准微粒测量的温度和粘滞系数以及Stokes-Einstein关系即可确定颗粒半径。该方法可以检测出实验环境中单个颗粒的粒径，即可原位高精度检测粒径。

Description

一种基于光学俘获的颗粒粒径检测方法

技术领域

本发明属于颗粒粒径检测、单分子测量方法和光学微操纵技术领域，具体涉及一种基于光学俘获的颗粒粒径检测方法。

背景技术

颗粒粒径检测在很多领域有着广泛应用，例如各种粉体工业中粒度测量，悬浊液药剂中粒径测定，以及细胞尺寸测量。目前广泛应用可大量测量粒径的技术方法很多，如筛析法、沉降天平法、电阻法和激光散射法等。

在生物大分子力学特性研究中，利用光镊或者其它测量工具时，其特点是通过小球偶联大分子达到检测单分子力学特性的目的。而在测量中，光阱的刚度和探测器的电压比例系数与颗粒大小息息相关，因此手柄小球尺寸的均称度是保证测量精度的前提。目前除了使用标准尺寸的微粒，大部分带有生物功能修饰的微粒，尺寸均称度差，所以普遍采取平均尺寸代替了实际尺寸。对于均称度较大的小球，得到的力谱的偏差也大。即便是采用显微图像边沿检测法，由于其受到依赖照明、轴向位置和操作者的影响，测量的颗粒粒径与真实值存在较大误差，所以实验精确也难以保证。

基于带有高精度快速位置探测器的光镊系统，本发明提出一套标准操作流程和数据分析方法，准确测量颗粒粒径，解决在测量单分子力谱中受微粒半径影响的问题。准确测量光阱中每个颗粒的半径，即可达到原位检测每次单分子实验操纵微粒的粒径的精确值，提高每次测量力谱的准确程度。

发明内容

本发明的目的提供一种高精度原位检测粒径的方法。主要检测流程见图1，在基于带有宽带快速探测位置探测器的光镊系统上，通过平台控制样品室作正弦运动，探测光阱中被俘获颗粒的受限运动信号。根据标准尺寸颗粒的运动信号的功率谱，包括受限热噪声功率谱和受迫运动的功率谱，根据校准的平台运动幅度和受迫运动的功率谱，校准探测器的电压比例系数，然后根据热噪声的功率谱便确定颗粒的扩散系数。由于颗粒半径已知，由扩散系数确定η(T)/T，其中η为粘滞系数，T为温度，根据η-T关系确定η和T。采用光镊捕获待测颗粒，同样用位移平台控制样品室运动，由受迫运动功率谱校准电压比例系数得到扩散系数，根据已经测定的粘滞系数、温度和Stokes-Einstein关系测量出颗粒粒径。

本发明具体的解决方案为：一种基于光学俘获的颗粒粒径检测方法，该方法的步骤如下：

步骤(1)、构建一套光镊系统作为检测系统，包括俘获光源、各种透镜、高数值孔径物镜、宽带快速位置敏感探测器、照明灯、位移平台和相机；将激光经过扩束镜扩束后由聚焦透镜将光束耦合进入高数值孔径物镜内，位置敏感探测器放置在照明透镜的后焦面的共轭面上，探测光阱中颗粒的布朗运动信号，样品室放置在位移移动平台上，可以通过平台控制样品室作正弦运动；

步骤(2)、将标准尺寸的颗粒与待测颗粒混匀用水稀释混匀注入样品室，光镊捕获标准尺寸颗粒，通过平台控制样品室做正弦运动，通过位置探测器采集标准微粒在光阱中的布朗运动信号；分析运动信号的功率谱信号，该信号包括受限布朗运动时热噪声的洛仑兹线型分布和受迫运动的尖峰；通过位置探测器采集被捕获颗粒的布朗运动信号，其功率谱P(f)与采用频率f之间满足：

P(f)＝P_thermal(f)+P_force(f)，

其中热运动的功率谱为D为颗粒的扩散系数，f_c为颗粒在光阱中的特征参数；受迫运动的功率谱为P(f)＝β²P^volt(f)，A为平台运动的真实振幅，平台运动的频率为f_d，β为电压比例系数，δ为脉冲函数；根据洛仑兹线型拟合为 $P_{\mathrm{thermal}}^{\mathrm{volt}}\left(f\right)=\frac{B}{f_2+f_c^2},$ 拟合获得则电压比例系数 $\mathrm{\β}\sqrt{w_{\mathrm{th}}/w_{\mathrm{ex}}},$ 其中 $w_{\mathrm{th}}=A^2/2(1+f_c^2/f_d^2),w_{\mathrm{ex}}=[P^{\mathrm{volt}}\left(f_d\right)-P_{\mathrm{thermal}}^{\mathrm{volt}}\left(f_d\right)]\mathrm{\Δf},$ B为拟合参数；温度T和粘滞系数η满足η(T)/T＝12π³β²Br_s/k_B，其中k_B为玻尔兹曼常数，r_s为标准尺寸微粒的半径，根据溶液粘滞系数与温度关系，求解确定温度T以及在此温度下η(T)；

步骤(3)、用光镊捕获待测样品，重复步骤(2)的检测过程，标定捕获待测粒径时位置敏感探测器器件的电压比例系数β；在光阱激光功率较低时，步骤(2)测量的温度就代表了任意测量光阱中的温度；待测颗粒功率谱信号的同样采用洛仑兹线型拟合含扩散系数项B，则测量半径r_measure＝k_BT/(12π³β²B)。

进一步的，所述的方法可用于温度检测和粘滞系数检测。

进一步的，所述的方法可用于原位标定粒径未知时光阱参数，包括光阱刚度和电压比例系数。

进一步的，所述的方法适于纳米到微米范围的微粒的粒径测量。

本发明的优点和积极效果为：

1)、本发明可以原位测量颗粒的粒径，无需知道溶液温度和粘滞系数等其他参数，能准确测量某一个颗粒的粒径，便于应用，尤其是在单分子力谱领域。虽然采用其它方式如透射电镜能准确测量颗粒粒径，但不能预知在溶液中某个具体的微粒粒径大小。采用图像测量边沿的方式依赖操作者和很多实验条件，本发明弥补了这一不足。

2)、本发明可用于测量纳米颗粒的粒径。

3)、本发明测量粒径的方法也可以用于准确测量溶液温度和粘滞系数。

4)、本发明所采用的方法可以根据测量颗粒受限运动位移信号原位标定光阱刚度。

附图说明

图1为本发明利用光镊原位测量颗粒粒径的流程图。

图2为本发明激光俘获和光电探测的光镊系统图。

图中，1为激光器；2、3、6、8、12和14为透镜；4和5为全反射平面镜；7为45度半反半透平面镜；9为高倍显微物镜；10为待测的压电平台；11为固定在压电平台上的样品室；13为反射激光透过照明光的低通滤波镜片；15为位置敏感探测器件；16为显微镜照明光源；17为视频监控相机。

图3为本发明光阱中被捕获微粒受迫运动的功率谱信号。

图4为本发明原位测量颗粒的粒径分布。其中，(a)为20个颗粒的粒径值；(b)为颗粒粒径分布统计直方图。样品为Duke Scientific公司颗粒半径为491nm±4nm(3495A)样品，粒径测量采用透射电镜测量，标准偏差为6.3nm(1.3％)。原位测量20个颗粒的平均直径为490.6nm，标准偏差为4.3nm。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于下面实施例，应包括权利要求书中的全部内容。

本发明检测流程见图1，采用标准尺寸颗粒的功率谱信号测量溶液的温度和粘滞系数，再用测量得到的参数去检测待测颗粒的尺寸。本发明的实验检测基础需要有一套带有光电探测的光镊系统，见图2。将激光经过透镜2和3扩束平行入射到一对反射镜4和5，再经过透镜6和8扩束到物镜9后瞳的光斑大约6mm。45度半反半透平面镜7将激光反射进入物镜。样品室11放置在已校准的压电平台10上，样品室内充满混有500nm(491nm±4nm，3495A，Duke Scientific)和1μm(0.993μm±0.021μm，4009A，Duke Scientific)颗粒。通过物镜9聚焦的光束经过透镜12重新会聚，激光经过低波通镜片13反射到位置敏感探测器15的靶面上。透镜14将透镜12后焦面的光斑共轭成像投影在位置敏感探测器15靶面上。在照明灯16的照射下，照明光经过透镜12聚焦对样品照明，由相机17成像实时显示在计算机上。

通过相机17监控的图像，使用压电平台10移动样品室11，使得作自由布朗运动1μm颗粒被光阱所俘获。将压电平台10驱动样品室11作频率为f_d振幅为1μm的正弦运动信号，采用相机17记录颗粒的光电探测信号。

由于光阱中颗粒受到溶液扰动不停作余弦运动，颗粒的运动信号的功率谱信号见图3(f_d＝25Hz)。被光阱捕获的颗粒的功率谱信号除了热噪声项外，包括受迫振动项，总功率谱P(f)＝P_thermal(f)+P_force(f)，其中 $P_{\mathrm{thermal}}\left(f\right)=\frac{D}{{\mathrm{\π}}^2(f^2+f_c^2)},P_{\mathrm{force}}\left(f\right)=\frac{A^2}{2(1+\frac{f_c^2}{f_d^2})}\mathrm{\δ}(f-f_d),$ P(f)＝β²P^volt(f)，A为平台运动的真实振幅，运动频率为f_d。根据拟合除了f_d外的运动信号(拟合曲线)，即获得在f_d处的热运动所造成的功率谱则电压比例系数 $\mathrm{\β}=\sqrt{w_{\mathrm{th}}/w_{\mathrm{ex}}},w_{\mathrm{th}}=A^2/2(1+f_c^2/f_d^2),w_{\mathrm{ex}}=[P^{\mathrm{volt}}\left(f_d\right)-P_{\mathrm{thermal}}^{\mathrm{volt}}\left(f_d\right)]\mathrm{\Δf}.$ 根据拟合曲线η(T)/T＝12π³β²Br_s/k_B，其中k_B为玻尔兹曼常数，r_s为标准尺寸微粒的半径，根据水溶液的粘滞系数有 $\log \left({\mathrm{\η}}_{\mathrm{water}}\left(T\right)\right)=\frac{1.3272\×(293.15-T)-0.001053\×{(T-293.15)}^2}{T-168.15}-2.999,$ 求解确定温度T以及在此温度下η(T)。我们检测中，温度计测量环境温度～26℃，溶液中测量温度33℃±0.4℃，此时水的粘滞系数为0.000749Pa.s。

在同一样品室内混有待测样品500nm颗粒(3495A，Duke Scientific)，由于实验条件相同，即温度和粘滞系数均相同。捕获待测样品，采用同样方式控制样品室作25Hz振幅1μm的正弦运动，根据功率谱分析校准电压比例系数β，待测颗粒功率谱信号的同样采用洛仑兹线型拟合含扩散系数项B，则测量半径r_measure＝k_BT/(12π³β²B)，见图4。原位测量20个颗粒的平均直径为490.6nm，标准偏差为4.3nm。而3495A样品采用透射电镜测量结果为491nm±4nm，标准偏差为6.3nm(1.3％)。可见本发明方法能精确测量颗粒粒径。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

Claims (4)

1.一种基于光学俘获的颗粒粒径检测方法，其特征在于：该方法的步骤如下：

步骤(1)、构建一套光镊系统作为检测系统，包括俘获光源、各种透镜、高数值孔径物镜、宽带快速位置敏感探测器、照明灯、位移平台和相机；将激光经过扩束镜扩束后由聚焦透镜将光束耦合进入高数值孔径物镜内，位置敏感探测器放置在照明透镜的后焦面的共轭面上，探测光阱中颗粒的布朗运动信号，样品室放置在位移移动平台上，可以通过平台控制样品室作正弦运动；

步骤(2)、将标准尺寸的颗粒与待测样品混匀用水稀释充满注入样品室，光镊捕获标准尺寸颗粒，通过平台控制样品室做正弦运动，通过位置探测器采集标准微粒在光阱中的布朗运动信号；分析运动信号的功率谱信号，该信号包括受限布朗运动时热噪声的洛仑兹线型分布和受迫运动的尖峰；通过位置探测器采集被捕获颗粒的布朗运动信号，其功率谱P(f)与采用频率f之间满足：

P(f)＝P_thermal(f)+P_force(f)，

其中热运动的功率谱为D为颗粒的扩散系数，f_c为颗粒在光阱中的特征参数；受迫运动的功率谱为 $P_{\mathrm{force}}\left(f\right)=\frac{A^2}{2(1+\frac{{f_c}^2}{f_d^2})}\mathrm{\δ}(f-f_d),P\left(f\right)={\mathrm{\β}}^2{P}^{\mathrm{volt}}\left(f\right),$ A为平台运动的真实振幅，平台运动的频率为f_d，β为电压比例系数，δ为脉冲函数；根据洛仑兹线型拟合为拟合获得则电压比例系数其中 $w_{\mathrm{th}}=A^2/2(1+{f_c}^2/f_d^2),$ $w_{\mathrm{ex}}=[P^{\mathrm{volt}}\left(f_d\right)-P_{\mathrm{thermal}}^{\mathrm{volt}}\left(f_d\right)]\mathrm{\Δf},$ B为拟合参数；温度T和粘滞系数η满足η(T)/T＝12π³β²Br_s/k_B，其中k_B为玻尔兹曼常数，r_s为标准尺寸微粒的半径，根据溶液粘滞系数与温度关系，求解确定温度T以及在此温度下η(T)；

步骤(3)、用光镊捕获待测样品，重复步骤(2)的检测过程，标定捕获待测粒径时位置敏感探测器器件的电压比例系数β；在光阱激光功率较低时，步骤(2)测量的温度就代表了任意测量光阱中的温度；待测颗粒功率谱信号的同样采用洛仑兹线型拟合含扩散系数项B，则测量半径r_measure＝k_BT/(12π³β²B)。

2.根据权利要求1所述的一种基于光学俘获的颗粒粒径检测方法，其特征在于：所述的方法可用于温度检测和粘滞系数检测。

3.根据权利要求1所述的一种基于光学俘获的颗粒粒径检测方法，其特征在于：所述的方法可用于原位标定粒径未知时光阱参数，包括光阱刚度和电压比例系数。

4.根据权利要求1所述的一种基于光学俘获的颗粒粒径检测方法，其特征在于：所述的方法适于纳米到微米范围的微粒的粒径测量。