CN106940301B - 一种基于对称电场的颗粒zeta电位测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种基于对称电场的颗粒zeta电位测量装置，其包括电泳电压源、U型透明管的样品池、光学相干模块、光电信号处理模块、数据处理器；电泳电压源的正极设在U型透明管的左端内，电泳电压源的负极设在U型透明管的右端内；光电信号处理模块包括光电探测器和自相关运算模块，光电探测器和自相关运算模块的数量都为两个，第一光电探测器的输出端与第一自相关运算模块的输入端电连接，第二光电探测器的输出端与第二自相关运算模块的输入端电连接；数据处理器的输入端分别与第一自相关运算模块、第二自相关运算模块的输出端电连接；光学相干模块包括激光光源和光学频移器。本发明能够剔除杂散光与电噪声引入的频谱成分，提高Zeta电位测量的准确性与稳定性。

Description

一种基于对称电场的颗粒zeta电位测量方法及装置

技术领域

本发明涉及颗粒溶液Zeta电位测量技术领域，具体涉及一种基于对称电场的颗粒zeta电位测量方法及装置。

背景技术

Zeta电位又叫电动电位，它是表征胶体颗粒分散系稳定性的重要指标，是对颗粒之间相互排斥或吸引力的强度的度量。当Zeta电位绝对值小于30mV时，溶液体系稳定性差，胶体颗粒溶液将越倾向于凝结或团聚，即吸引力超过了排斥力，分散被破坏而发生凝结或凝聚。当Zeta电位绝对值大于30mV时，溶液体系越稳定，表现为胶体颗粒可以趋向于均匀且稳定地溶解或分散在溶剂中。因此，它在水泥、油漆、粘结剂、药品、化妆品和食品制作、纸张制造和污水处理等众多行业中，是必不可少的重要测量参数。

在测量技术方面，常用的方法有显微镜法和电泳法光散射法(ELS)两种。后者是被国际标准化组织(ISO)推荐为Zeta电位的标准测量方法之一，也是最适合于仪用的测量方法。ELS技术的主要原理是：让具有Zeta电位的胶体颗粒在恒定电场中会产生电泳运动，当电泳运动的颗粒经过一片入射激光的干涉区域时，因为条纹是明暗交替变化的，散射光强将会随明暗条纹的变化产生幅度上的周期变化，这个周期变化的信号与颗粒电泳速度相关。当信号的周期越小(频率越高)，表明颗粒通过干涉区域的时间越短，颗粒的电泳速度会越快，Zeta电位也就越强。反之则Zeta电位越弱。因此通过传统的傅立叶变换提取出散射光中周期变化的频谱信息，将可以得到颗粒的电泳速度，进而根据Smoluchowski和Henry公式就能够计算得到胶体颗粒的Zeta电位的数值。

但是上述的测量过程中往往会存在以下两方面的问题：一方面，探测光路中无法避免的杂散光，会严重影响干涉区域明暗条纹的衬比度，使周期信号变化不明显。另一方面，探测点的电场不均匀，使探测点颗粒的电泳速度产生一定的分布，造成多普勒频移量测量时会出现较大的波动与误差，从而颗粒的Zeta电位测量结果的稳定性与准确性自然也大大降低。

发明内容

本发明目的在于提供了一种基于对称电场的颗粒zeta电位测量方法，本方法在样品池中设定两个电场对称的探测点，利用电泳光散射技术，探测出颗粒电泳运动时产生的散射光信号，然后基于光子相关光谱技术对两个探测点所拾取的散射光信号分别进行相关性处理，得到两条相关性曲线，最后将两条相关曲线信号进行差分处理，从而得到信噪比增强的多普勒频移信号，利用多普勒频移量与颗粒Zeta电位的计算关系，将得到颗粒的电泳迁移率及其Zeta电位；本方法能够大大剔除杂散光与电噪声引入的频谱成分，增强颗粒电泳运动所产生的多普勒频移信号的信噪比，提高Zeta电位测量的准确性与稳定性。

本发明还提供了一种基于对称电场的颗粒zeta电位测量装置。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于对称电场的颗粒zeta电位测量方法，其包括：

步骤1.设有第一样品池和第二样品池，在第一样品池中设有第一探测点，在第二样品池中设有第二探测点，向第一样品池和第二样品池通入电泳电压，使得第一探测点和第二探测点的电场强度大小相同、且方向相反；

步骤2.通过激光光源产生属性相同的第一光束和第二光束，基于前向小角度散射光探测的原理，第一光束以一定角度入射到第一探测点后得到第一散射光，第二光束以相同角度入射第二探测点后得到第二散射光；

步骤3.将第一光束的分束经过光学频移器移频后与第一散射光相干涉形成第一干涉光，通过第一光电探测器获得第一干涉光的一组光子数的时间序列信号，将第二光束的分束经过光学频移器移频后与第二散射光相干涉形成第二干涉光，通过第二光电探测器获得第二干涉光的一组光子数的时间序列信号；

步骤4.对第一干涉光的一组光子数的时间序列信号进行自相关运算得到第一组时域信号，对第二干涉光的一组光子数的时间序列信号进行自相关运算得到第二组时域信号；

步骤5.对第一组时域信号和第二组时域信号分别进行傅里叶变换，从而得到第一组频域信号和第二组频域信号，将两组频域信号进行差分处理，并获得两个探测点之间多普勒频移量Δf，再将Δf代入到式(1)得到颗粒的zeta电位ξ：

其中ξ是Zeta电位，η是溶液的粘滞系数，λ₀是入射的激光光波长，ε是溶液的介电常数，E是电场强度，n是溶液折射率，f(kr)是亨利函数，r为球形颗粒的半径，k为常数，θ′是入射光与散射光夹角。

作为本发明的一种改进，所述第一样品池和第二样品池设在同一U型透明管中，U型透明管的左竖段为第一样品池、右竖段为第二样品池，U型透明管的左端内设有电泳电压的正极、右端内设有电泳电压的负极，第一探测点设在U型透明管的左竖段内、且与正极相距d的位置，第二探测点设在U型透明管的右竖段内、且与负极相距d的位置，此时第一探测点和第二探测点的电场强度大小相同、且方向相反。将第一样品池和第二样品池设在同一U型透明管中，既能使得第一探测点和第二探测点的电场强度大小相同、且方向相反，又利于保证两个样品池颗粒的溶液粘滞系数、介电常数、颗粒半径等参数一致。

在步骤5中，获得两个探测点之间多普勒频移量Δf的具体过程如下：将第一组频域信号和第二组频域信号在对应点的频率一一相减得到频率差值f，由频率差值f的曲线得到“谷”值f₁和“峰”值f₂，将f₁和f₂分别与固定频移量f₀进行差分处理，分别得到Δf₁和Δf₂，其中f₀为光学频移器产生的固定频移量，将Δf₁和Δf₂代入式(2)得到平均值：

Δf＝(Δf₁+Δf₂)/2＝[(f₁-f₀)+(f₂-f₀)]/2 (2)

进一步地，所述的光电探测器可采用光电倍增管或雪崩光电二极管等光电探测器件。

一种基于对称电场的颗粒zeta电位测量装置，其包括电泳电压源、U型透明管的样品池、光学相干模块、光电信号处理模块、数据处理器；

电泳电压源的正极设在U型透明管的左端内，电泳电压源的负极设在U型透明管的右端内；

光电信号处理模块包括光电探测器和自相关运算模块，光电探测器和自相关运算模块的数量都为两个，第一光电探测器设在U型透明管左侧的正下方，第二光电探测器设在U型透明管右侧的正下方，第一光电探测器的输出端与第一自相关运算模块的输入端电连接，第二光电探测器的输出端与第二自相关运算模块的输入端电连接；

数据处理器的输入端分别与第一自相关运算模块、第二自相关运算模块的输出端电连接；

光学相干模块包括激光光源和光学频移器，激光光源位于U型透明管上方，激光光源的第一光束经一倾斜设置的第一分束镜入射到U型透明管后散射在第一光电探测器上，第一光束的分束光经光学频移器后照射在第一光电探测器；激光光源的第二光束经一倾斜设置的第二分束镜入射到U型透明管后散射在第二光电探测器上，第二光束的分束光经光学频移器后照射在第二光电探测器。

数据处理器内设有傅里叶变换模块、频谱差分处理模块和zeta电位计算模块，傅里叶变换模块用于将第一自相关运算模块和第二自相关运算模块的时域信号转换为频域信号；频谱差分处理模块用于将第一组频域信号和第二组频域信号对应的频率一一相减得到频率差值f，并得到频率差值f的“谷”值f₁和“峰”值f₂，然后将f₁和f₂分别与固定频移量f₀进行差分处理，分别得到Δf₁和Δf₂，然后得到Δf₁和Δf₂的平均值Δf，其中f₀为光学频移器产生的固定频移量；zeta电位计算模块利用Δf值求出颗粒的zeta电位ξ。

作为本发明的一种改进，所述自相关运算模块由移位寄存器和乘法累加器组成。

进一步地，所述的光电探测器可采用光电倍增管或雪崩光电二极管等光电探测器件。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明能够大大剔除杂散光与电噪声引入的频谱成分，增强颗粒电泳运动所产生的多普勒频移信号的信噪比，提高Zeta电位测量的准确性与稳定性。

附图说明

图1为本发明基于对称电场的颗粒zeta电位测量装置的结构示意图；

图2为两个对称电场探测点中电场方向与电泳方向示意图；

图3为本发明自相关运算模块中的乘法累加示意图；

图4为本发明自相关运算模块中的移位寄存器示意图；

图5为本发明自相关运算模块中的乘法累加器示意图；

图6为光学频移器的锯齿波偏置电压示意图；

图7为光学频移器不同的锯齿波峰值驱动电压与产生的固定频移量大小的关系曲线；

图8为第一探测点在颗粒没有电泳运动下获得的参考频域信号曲线图；

图9为第一探测点在颗粒作电泳运动下获得的第一自相关曲线图；

图10为第二探测点在颗粒作电泳运动下获得的第二自相关曲线图；

图11为第一探测点在颗粒作电泳运动下获得的第一组频域信号曲线图；

图12为第二探测点在颗粒作电泳运动下获得的第二组频域信号曲线图；

图13为对第一组频域信号和第二组频域信号进行差分处理后的频谱曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

本发明在样品池中设定两个电场对称的探测点，据对称性的要求，两个探测点分别选择在正负电极距离相等的位置附近，在这两个探测点的电场分布大小相等，方向相反，两个对称探测点的电场方向是相反的，负极的电场方向指向电极，而正极的电场方向则相反。因此对称探测点中颗粒的电泳运动方向也是相反的，不论颗粒电位的正负，必然是一个是远离电极，一个靠近电极。因为电场大小相等，颗粒的迁移率大小是相同的，在溶液的粘滞系数、介电常数与PH值等条件稳定下，对称的电场中被测颗粒电泳运动的迁移率大小与电场强度大小成线性比例关系。

接着采用前向小角度散射光探测的原理，分别以相同的角度在两个探测点中通入入射光。当颗粒电泳运动时，将会对入射光发生散射，光电探测器所在位置将能够探测到散射光信号。与此同时，入射光源经过分束镜与光学频移装置后，作为参考光再分别进入到两个光电探测器中。那么在光电探测器端面上，参考光与颗粒的散射光进行光学相干，并被光电探测器获得。根据光子相关光谱的原理，两个光电探测器将按照一定的采样时间间隔对相干光进行分段探测，然后其输出为一组光子数的时间序列信号。这两个光子数序列的信号进行各自的自相关运算，所得到两个自相关信号曲线再进行傅里叶变换，得到频域上的能量分布。最后，将两个探测点的频域信号进行差分处理，并提取出多普勒频移量的大小，从而计算出被测颗粒的Zeta电位大小。

本发明方法的具体过程如下，一种基于对称电场的颗粒zeta电位测量方法，其包括：

步骤1.设有第一样品池和第二样品池，在第一样品池中设有第一探测点，在第二样品池中设有第二探测点，向第一样品池和第二样品池通入电泳电压，使得第一探测点和第二探测点的电场强度大小相同、且方向相反；

步骤2.通过激光光源产生属性相同的第一光束和第二光束，基于前向小角度散射光探测的原理，第一光束以一定角度入射到第一探测点后得到第一散射光，第二光束以相同角度入射第二探测点后得到第二散射光；

步骤3.将第一光束的分束经过光学频移器移频后与第一散射光相干涉形成第一干涉光，通过第一光电探测器获得第一干涉光的一组光子数的时间序列信号，将第二光束的分束经过光学频移器移频后与第二散射光相干涉形成第二干涉光，通过第二光电探测器获得第二干涉光的一组光子数的时间序列信号；

步骤4.对第一干涉光的一组光子数的时间序列信号进行自相关运算得到第一组时域信号，对第二干涉光的一组光子数的时间序列信号进行自相关运算得到第二组时域信号；

步骤5.对第一组时域信号和第二组时域信号分别进行傅里叶变换，从而得到第一组频域信号和第二组频域信号，将两组频域信号进行差分处理，并获得两个探测点之间多普勒频移量Δf，再将Δf代入到式(1)得到颗粒的zeta电位ξ：

其中，获得两个探测点之间多普勒频移量Δf的具体过程如下：将第一组频域信号和第二组频域信号在对应点的频率一一相减得到频率差值f，由频率差值f的曲线得到“谷”值f₁和“峰”值f₂，将f₁和f₂分别与固定频移量f₀进行差分处理，分别得到Δf₁和Δf₂，其中f₀为光学频移器产生的固定频移量，将Δf₁和Δf₂代入式(2)得到平均值：

Δf＝(Δf₁+Δf₂)/2＝[(f₁-f₀)+(f₂-f₀)]/2 (2)

其中ξ是Zeta电位，η是溶液的粘滞系数，λ₀是入射的激光光波长，ε是溶液的介电常数，E是电场强度，n是溶液折射率，f(kr)是亨利函数，r为球形颗粒的半径，k为常数，θ′是入射光与散射光夹角。

其中在步骤1中，所述第一样品池和第二样品池设在同一U型透明管中，U型透明管的左竖段为第一样品池、右竖段为第二样品池，U型透明管的左端内设有电泳电压的正极、右端内设有电泳电压的负极，第一探测点设在U型透明管的左竖段内、且与正极相距d的位置，第二探测点设在U型透明管的右竖段内、且与负极相距d的位置，此时第一探测点和第二探测点的电场强度大小相同、且方向相反。将第一样品池和第二样品池设在同一U型透明管中，既能使得第一探测点和第二探测点的电场强度大小相同、且方向相反，又利于保证两个样品池颗粒的溶液粘滞系数、介电常数、颗粒半径等参数一致。

在上述方法中，所述的光电探测器均为光电倍增管。

请参考图1和图2，下面是对本发明装置进行具体说明，一种基于对称电场的颗粒zeta电位测量装置，其包括电泳电压源10、U型透明管20的样品池、光学相干模块、光电信号处理模块、数据处理器50。

电泳电压源10的正极设在U型透明管20的左端内，电泳电压源10的负极设在U型透明管20的右端内。

在本装置中采用了U型透明管10的样品池设计，在U型透明管10的两个上方入口处分别接上正负电极。如图2所示，左侧为正极，右侧为负极时，电场的方向只会沿U型管道，从正极指向负极。在距离两个电极相同距离d的位置可分别设置两个探测点。在这两个探测区域内，电场方向将会是第一探测点21为向下，第二探测点22的方向向上，满足电场方向相反的条件。同时因为两个探测点距离电极的距离相等，根据电场强度与电压之间的关系式，两个探测点也将满足大小相等的条件。此处的电场除了强度大小相等，方向相反外，电场强度也是均匀分布的，比以往采用U型样品池的底部作为探测点的方法，有了较大的改进。

关于“对称电场”的特征，颗粒的电泳运动也具有对称性。基于U型透明管样品池的结构，当给U型透明管电极上通入如图2所示的电压时(左正右负)，两个探测点中电场方向(粗线箭头)将是左侧方向向下，右侧方向向上。被测颗粒的电泳方向(细线箭头)将根据颗粒的Zeta电位极性决定。从图2中可以发现，探测点中颗粒的电泳运动方向同样相反的。

根据Henry公式，Zeta电位与迁移率、电场强度之间的关系式为：

其中v为电泳速度，μ为电泳迁移率，η为溶液的粘质系数，ε为溶液的介电常数，ξ为zeta电位，r为球形颗粒的半径，k为常数，f(kr)是一个随着kr从1到1.5单调变化函数。一般地，对水性悬浮液中的大粒子，kr>>1，f(kr)＝1.5；对有机溶液中的小粒子，kr>>1，f(kr)＝1。

从公式(3)中可以知道，两个探测点中的溶液粘滞系数、介电常数、颗粒半径等参数是相等的，当电泳电场强度大小相同时，颗粒的电泳速度大小也是相同的。综上所述，理想状态下两个探测点的颗粒电泳运动速度大小是相同的，方向相反，同样满足本专利中所定义的“对称”特征。

光电信号处理模块包括光电探测器30和自相关运算模块40，光电探测器30和自相关运算模块40的数量都为两个，第一光电探测器31设在U型透明管20左侧的正下方，第二光电探测器32设在U型透明管20右侧的正下方，第一光电探测器31的输出端与第一自相关运算模块41的输入端电连接，第二光电探测器32的输出端与第二自相关运算模块42的输入端电连接。

在本实施例中，所述的光电探测器30为光电倍增管，光电倍增管对散射光与参考光的光强表征采用光子计数模式，光子计数模块设计为两个工作模式相同的光子计数器，通过设置采样计数间隔，周期性地轮流开启能够实现不间断地对各路光子数进行计数和输出，得到一组光子数的时间序列信号。其中，光电探测器30也可以是雪崩光电二极管等其他光电探测器件，只要所述的其他光电探测器件为现有的技术且能实现光子采集和光子计算的目的，都未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。其中，自相关运算模块40是由移位寄存器和乘法累加器组成，下面以一个4通道的自相关运算为例来说明自相关运算模块的工作原理，如图3所示。移位时钟将光子计数值存储在移位寄存器的第一个单元里，下一个移位时钟到来时，移位寄存器的第一个单元的数值n(1)被转移到第二个单元，启动乘法累加单元进行运算。经过N次采样后，用ni表示第i个采样时间里的光子计数，i＝1，2，3…N，图3中的4个累加器保存的数值分别为：

第1累加器：R(Δτ)＝n1n2+n2n3+…+nN-1nN

第2累加器：R(2Δτ)＝n1n3+n2n4+…+nN-2nN

第3累加器：R(3Δτ)＝n1n4+n2n5+…+nN-3nN

第4累加器：R(4Δτ)＝n1n5+n2n6+…+nN-4nN

自相关运算模块主要依据上述原理构建了移位寄存器模块与乘法累加器模块。移位寄存器模块完成数据的存储与移位操作，具体的电路设计如图4。该电路有3个输入，iCLK为移位时钟，iEn为使能信号，高电平有效，iData[3..0]为第一个移位寄存器的数据输入端。当iEn使能，iCLK上升沿时，数据iData[3..0]移进在inst单元，同时inst单元数据移进inst1单元，以此类推。乘法累加器模块完成数据的相乘与累加操作。乘法累加器的工作过程如下，具体的电路设计如图5。iCLK50M为50M的时钟输入，iRST为复位输入线，iEn为使能信号，高电平有效。iCLK为移位时钟，iDataA[3..0]为图4中第一个移位寄存器的数据，iDataB[116..0][3..0]为预先设定的需要计算的通道所对应的移位寄存器的数据。乘法累加器中的乘法运算使用了高速硬件乘法器采用时分复用的方法进行计算，节省了硬件资源。

自相关运算模块40除上述方式实现外，还可以通过计算机编写软件程序模块的方式实现。其软件程序流程是：根据自相关运算的原理，顺序地进行数据移位相乘和累加，最终完成自相关运算的处理。

光学相干模块包括激光光源60和光学频移器70，激光光源60位于U型透明管20上方，激光光源60的第一光束经一倾斜设置的第一分束镜80入射到U型透明管20后散射在第一光电探测器31上，第一光束的分束光经光学频移器70后照射在第一光电探测器31；激光光源60的第二光束经一倾斜设置的第二分束镜90入射到U型透明管20后散射在第二光电探测器32上，第二光束的分束光经光学频移器70后照射在第二光电探测器32。

在本实施例中，光学频移器是利用压电陶瓷实现的，具体地将压电陶瓷放置于光路中，通过改变压电陶瓷的偏置电压，使分束光产生位移变化，从而改变分束光的光程，最终实现移频。压电陶瓷产生固定频移量的关系式为：

其中，β为压电陶瓷的位移-电压线性变化常数，λ为入射光波长，为压电陶瓷的偏置电压变化率。当压电陶瓷的偏置电压为如图6所示的周期性的锯齿波时，结合信号同步技术，可以实现在测量时间内，为一个常数，即光学频移器可以产生一个固定的频移量。

如图7所示，为本发明装置在试验中测量得到的，光学频移器的锯齿波峰值驱动电压与产生固定频移量的关系，实验中是以5V为间隔，设定压电陶瓷的最大峰值电压分别为20V、25V、......、60V，锯齿波周期为1秒，如图7所示，压电陶瓷的驱动电压与产生的固定频移信号满足线性关系。

数据处理器50的输入端分别与第一自相关运算模块41、第二自相关运算模块42的输出端电连接。数据处理器50内设有傅里叶变换模块51、频谱差分处理模块52和zeta电位计算模块53，傅里叶变换模块51用于将第一自相关运算模块41和第二自相关运算模块42的时域信号转换为频域信号；频谱差分处理模块52用于将第一组频域信号和第二组频域信号对应的频率一一相减得到频率差值f，并得到频率差值f的“谷”值f₁和“峰”值f₂，然后将f₁和f₂分别与固定频移量f₀进行差分处理，分别得到Δf₁和Δf₂，然后得到Δf₁和Δf₂的平均值Δf，其中f₀为光学频移器产生的固定频移量；zeta电位计算模块53利用Δf值求出颗粒的zeta电位ξ。

下面作为本发明装置的一个实施方式用来说明本发明装置的使用过程：在U型透明管的两个上方入口处分别接上正负电极，左侧为正极，右侧为负极时，电泳电压为20V，在距离两个电极相同距离d的位置可分别设置两个探测点，左侧为第一探测点，右侧为第二探测点，光束前向小角度为26°，即是光束以向前倾斜26°入射到第一探测点和第二探测点；给光学频移器提供周期为1Hz，幅度从0至60V变化的锯齿波信号。首先在第一探测点，测出参考光与没有电泳运动的颗粒产生的散射光相干后，得到自相关曲线，并获得参考频域信号，参考频域信号如图8所示，此时得到光学频移器产生的固定频移量为80Hz。接着得到第一探测点在颗粒作电泳运动下的自相关曲线，第一自相关曲线如图9所示；以及第二探测点在颗粒作电泳运动下的自相关曲线，第二自相关曲线如图10所示。

将第一探测点和第二探测点的自相关信号分别进行傅里叶变换，即将时域信号变为频域信号，得到第一组频域信号和第二组频域信号。如图11所示为第一组频域信号，图12所示为第二组频域信号。两个探测点的结果除了对周期信号的频谱得到了输出，但同时还存在着其他频率成分，特别是在20Hz以下的频谱分量非常高。这部分频谱成分主要来源于杂散光和噪声干扰的成分，以及自相关运算引入的数学模型误差。这些频谱成分在两个探测点中均有体现，可视为共模信号的频谱成分。将图11和图12的频谱信号与图8的频谱图对比可以得到：由于第一探测点与参考点的电场方向相同，第一探测点中颗粒的电泳运动所产生的多普勒频移量与光学频移器在相同的条件下产生的光学频移量80Hz相叠加，总频移量为100Hz；而第二探测点与参考点的电场方向相反，第二探测点中颗粒的多普勒频移量与光学频移器产生的光学频移量相减，总频移量为60Hz。

图13是对两个探测点频谱信号进行差分处理后的结果，处理过程为两条频谱曲线图11和图12进行逐个频率点相减，图13显示本发明能够有效抑制共模信号，特别是40Hz以下的低频信号得到了明显的抑制。也即是本发明能够大大剔除杂散光与电噪声引入的频谱成分，增强颗粒电泳运动所产生的多普勒频移信号的信噪比，提高Zeta电位测量的准确性与稳定性。

根据图13差分处理后的频谱曲线，并得到频率差值f曲线的“谷”值f₁和“峰”值f₂，由于固定频移量f₀是预先设定的，然后将f₁和f₂分别与固定频移量f₀进行差分处理，分别得到Δf₁和Δf₂，然后将Δf₁和Δf₂代入式(2)得到平均值Δf，其中f₀为光学频移器产生的固定频移量；然后将Δf值代入算式(4)利用求出颗粒的zeta电位ξ。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (5)

1.一种基于对称电场的颗粒zeta电位测量方法，其特征在于包括：

步骤1.设有第一样品池和第二样品池，在第一样品池中设有第一探测点，在第二样品池中设有第二探测点，向第一样品池和第二样品池通入电泳电压，使得第一探测点和第二探测点的电场强度大小相同、且方向相反；

步骤2.通过激光光源产生属性相同的第一光束和第二光束，基于前向小角度散射光探测的原理，第一光束以一定角度入射到第一探测点后得到第一散射光，第二光束以相同角度入射第二探测点后得到第二散射光；

步骤3.将第一光束的分束经过光学频移器移频后与第一散射光相干涉形成第一干涉光，通过第一光电探测器获得第一干涉光的一组光子数的时间序列信号，将第二光束的分束经过光学频移器移频后与第二散射光相干涉形成第二干涉光，通过第二光电探测器获得第二干涉光的一组光子数的时间序列信号；

步骤4.对第一干涉光的一组光子数的时间序列信号进行自相关运算得到第一组时域信号，对第二干涉光的一组光子数的时间序列信号进行自相关运算得到第二组时域信号；

步骤5.对第一组时域信号和第二组时域信号分别进行傅里叶变换，从而得到第一组频域信号和第二组频域信号，将两组频域信号进行差分处理，并获得两个探测点之间多普勒频移量Δf，再将Δf代入到式(1)得到颗粒的zeta电位ξ：

其中ξ是Zeta电位，η是溶液的粘滞系数，λ₀是入射的激光光波长，ε是溶液的介电常数，E是电场强度，n是溶液折射率，f(kr)是亨利函数，r为球形颗粒的半径，k为常数，θ′是入射光与散射光夹角；

所述第一样品池和第二样品池设在同一U型透明管中，U型透明管的左竖段为第一样品池、右竖段为第二样品池，U型透明管的左端内设有电泳电压的正极、右端内设有电泳电压的负极，第一探测点设在U型透明管的左竖段内、且与正极相距d的位置，第二探测点设在U型透明管的右竖段内、且与负极相距d的位置，此时第一探测点和第二探测点的电场强度大小相同、且方向相反。

2.根据权利要求1所述的基于对称电场的颗粒zeta电位测量方法，其特征在于：在步骤5中，获得两个探测点之间多普勒频移量Δf的具体过程如下：将第一组频域信号和第二组频域信号在对应点的频率一一相减得到频率差值f，由频率差值f的曲线得到“谷”值f₁和“峰”值f₂，将f₁和f₂分别与固定频移量f₀进行差分处理，分别得到Δf₁和Δf₂，其中f₀为光学频移器产生的固定频移量，将Δf₁和Δf₂代入式(2)得到平均值：

Δf＝(Δf₁+Δf₂)/2＝[(f₁-f₀)+(f₂-f₀)]/2 (2)。

3.根据权利要求1所述的基于对称电场的颗粒zeta电位测量方法，其特征在于：所述的光电探测器为光电倍增管或雪崩光电二极管。

4.一种基于对称电场的颗粒zeta电位测量装置，其特征在于：包括电泳电压源、U型透明管的样品池、光学相干模块、光电信号处理模块、数据处理器；

电泳电压源的正极设在U型透明管的左端内，电泳电压源的负极设在U型透明管的右端内；

光电信号处理模块包括光电探测器和自相关运算模块，光电探测器和自相关运算模块的数量都为两个，第一光电探测器设在U型透明管左侧的正下方，第二光电探测器设在U型透明管右侧的正下方，第一光电探测器的输出端与第一自相关运算模块的输入端电连接，第二光电探测器的输出端与第二自相关运算模块的输入端电连接；

数据处理器的输入端分别与第一自相关运算模块、第二自相关运算模块的输出端电连接；

光学相干模块包括激光光源和光学频移器，激光光源位于U型透明管上方，激光光源的第一光束经一倾斜设置的第一分束镜入射到U型透明管后散射在第一光电探测器上，第一光束的分束光经光学频移器后照射在第一光电探测器；激光光源的第二光束经一倾斜设置的第二分束镜入射到U型透明管后散射在第二光电探测器上，第二光束的分束光经光学频移器后照射在第二光电探测器。

5.根据权利要求4所述的基于对称电场的颗粒zeta电位测量装置，其特征在于：所述的光电探测器为光电倍增管或雪崩光电二极管。