CN107796741A - 一种高浓度颗粒群的光纤动态光散射检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高浓度颗粒群的光纤动态光散射检测装置，属于光电检测领域，其包括激光器、光纤耦合器、发射光纤、接收光纤、微流控芯片、光电探测器和数字相关器，微流控芯片设置有微流道，微流道用作样品池，激光器用于发射出相干光，发射光纤通过光纤耦合器连接激光源，相干光由光纤耦合器通过发射光纤耦合进入样品池，经样品池中待测量粒径的高浓度颗粒群后发生散射，散射光通过接收光纤后再经光纤耦合器进入光电探测器，数字相关器与光电探测器连接，用于根据光电探测器获得的光电子获得光强自相关函数。本发明装置可实现原位测量，其尺寸小，耗样量低，易进行避光设计和温度控制，能适用于高浓度颗粒群的粒径测量。

Description

一种高浓度颗粒群的光纤动态光散射检测装置

技术领域

本发明属于光电检测领域，更具体地，涉及一种高浓度颗粒群的光纤动态光散射检测装置。

背景技术

亚微米与纳米颗粒的粒径及分布是表征其性能的主要参数，因此对这些参数的测量具有重要意义。动态光散射技术无需对样品进行荧光标记，是唯一可能实现液体活检的粒径谱分析技术，且动态光散射技术是进行亚微米及纳米颗粒粒径测量的有效方法。

在动态光散射颗粒测量技术中，广泛采用的是光子相关光谱法，该方法是在某一固定的空间位置，使用光电探测器接收散射光进行检测。但由于散射光极其微弱，光电探测器只能接收到离散的光子脉冲，同时在输出端输出相应的电脉冲，并将脉冲信号送入光子相关器，数字相关器对脉冲信号做自相关运算后，送入计算机进行处理，来获取颗粒的平均粒径及其粒径分布。光子相关光谱技术由于具有测量速度快、重复性好、对样品无损伤等优点而被广泛采用，成为纳米颗粒表征的标准手段，目前该技术已经深入到了物理、化学、医学和生物学等各个领域。

传统动态光散射检测方法，测量装置体积较大，对高浓度的样品进行测量易造成多重散射。且由于散射光在空气中传输，易受灰尘、外界光线以及振动的干扰，致使散射光测量信号的信噪比降低，从而导致相关函数品质下降，限制测量精度，影响测量结果。

因此，需要开发一种新型的适合高浓度颗粒粒径分布的检测方法及其装置。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高浓度颗粒群的光纤动态光散射检测装置，其目的在于，将光纤作为发射光信号和接收光信号的传导载体，配合微流控芯片，形成小尺寸传感器，实现原位测量，该传感器尺度小，耗样量低，易进行避光设计和温度控制，适用于高浓度颗粒群的粒径测量。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种高浓度颗粒群的光纤动态光散射检测装置，其包括激光器，光纤耦合器、发射光纤、接收光纤、微流控芯片、光电探测器和数字相关器，其中，微流控芯片设置有微流道，所微流道用作样品池，用于通入待测量粒径的高浓度颗粒群溶液，激光器用于发射出激光，该激光为相干光，发射光纤通过光纤耦合器连接激光源，相干光由光纤耦合器通过发射光纤耦合进入样品池，经样品池中待测量粒径的高浓度颗粒群后发生散射，散射光通过接收光纤后再经光纤耦合器进入光电探测器，数字相关器与光电探测器连接，用于根据光电探测器获取的光子获得光强自相关函数。

以上发明构思中，光纤作为发射光信号和接收光信号的传导载体，配合微流控芯片，形成小尺寸传感器，实现原位测量。

进一步的，还包括计算机，计算机与数字相关器连接，计算机用于运行计算，以根据光强自相关函数计算获得待测颗粒群溶液的粒径。

进一步的，所述微流道为平直状的直沟道，直沟道两端分别设置有样品入口和样品出口，样品入口用于将待测量粒径的高浓度颗粒群溶液输入至微流控芯片，样品出口用于将测量完毕的高浓度颗粒群溶液输出微流控芯片。

进一步的，直沟道两侧分别设置有第一微通道和第二微通道，发射光纤设置在第一微通道中，接收光纤设置于第二微通道中。第一微通道和第二微通道均作为光源输入和散射光信号输出的光信号通道，这些光信号通道与光纤耦合，避免在颗粒溶液内发生光的多重散射。

进一步的，所述光电探测器为光子计数器，以能实现微光探测。为了实现极微弱光探测，采用光子计数器，能够将及其微弱的信号识别并提取出来，提高了监测数据的准确性。

进一步的，发射光纤和接收光纤均以光纤探头的形式耦合连接待测量的颗粒溶液。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明装置中，结合光纤在光信号采集传输的优势和微流控芯片对被测试试样精确控制的优势，将光纤和微流控芯片集成在一起，光纤作为发射光信号和接收光信号的传导载体，配合微流控芯片，形成小尺寸传感器，实现原位测量，微流控芯片尺度小，耗样量低，易进行避光设计和温度控制。

光纤作为发射光信号和接收光信号的传导载体，配合微流控芯片的微小通道，可减小散射体积，缩短光程，避免了散射光在空气中传输容易受灰尘、外界光线以及振动的干扰致使测量信号信噪比降低，从散射端提高了散射光耦合效率和信噪比，且光纤以光纤探头形式连接被测试样品，能以最优角度散射角检测散射光，提高了测量数据的准确性，还可实现高浓度试样现场分析。

附图说明

图1是本发明实施例中高浓度颗粒群的光纤动态光散射检测装置的结构示意图；

图2是本发明实施例中光电探测器接收到的光子涨落曲线；

图3是本发明实施例中光强自相关函数曲线。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1、微流控芯片基板 2、激光器 3、光纤耦合器

4、发射光纤 5、第一微流道 6、样品入口

7、样品出口 8、颗粒 9、去离子水

10、微流控芯片 11、光电探测器 12、数字相关器

13、直沟道 14、接收光纤 15、第二微流道

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供一种高浓度颗粒群的光纤动态光散射检测装置，动态光散射测量装置包括激光器2，光纤耦合器3、发射光纤4、接收光纤14、微流控芯片10、光电探测器11和数字相关器12。

其中，微流控芯片10的微流控芯片基板1上设置有微流道，微流道用作样品池，用于通入待测量粒径的高浓度的颗粒群溶液，颗粒群溶液中譬如是颗粒8分散在去离子水9中形成的样品溶液，激光器2用于发射出激光，该激光用作相干光，发射光纤4通过光纤耦合器3连接激光源，相干光由光纤耦合器3通过发射光纤4耦合进入样品池，经样品池中待测量粒径的高浓度颗粒群后发生散射，散射光通过接收光纤14后再经光纤耦合器进入光电探测器11，数字相关器12与光电探测器11连接，用于根据光电探测器获得的光子获得光强自相关函数。

光纤作为发射光信号和接收光信号的传导载体，配合微流控芯片10，形成小尺寸传感器，实现原位测量。计算机与数字相关器连接，计算机用于运行计算，以根据光强自相关函数计算获得待测颗粒群溶液的粒径。

在本发明的一个实施例中，所述微流道为平直状的直沟道13，直沟道两端分别设置有样品入口6和样品出口7，样品入口6用于将待测量粒径的高浓度颗粒群溶液输入至微流控芯片，样品出口7用于将测量完毕的高浓度颗粒群溶液输出微流控芯片。直沟道13两侧分别设计了光源输入和散射光信号输出光信号通道。直沟道两侧分别设置有第一微通道5和第二微通道15，发射光纤4设置在第一微通道5中，接收光纤14设置于第二微通道15中。第一微通道5和第二微通道15均作为光源输入和散射光信号输出的光信号通道。这些光信号通道与光纤耦合，通过优化微流控芯片沟道(直沟道13)与接收光纤14之间距离，避免在颗粒溶液内发生光的多重散射。

以上装置中，所述光电探测器可以为单光子探测器，以能实现极微弱光探测。发射光纤和接收光纤均以光纤探头的形式耦合连接待测量的颗粒溶液。通过光纤耦合器将光纤分别与激光器和光电探测器进行耦合。发射光纤4通过光纤耦合器3连接激光器，接收光纤通过另一台光纤耦合器连接光电探测器，光电探测器连接计算机。

本发明装置的工作过程如下：

a、发射光纤4通过光纤耦合器3连接激光器，接收光纤通过另一台光纤耦合器连接光电探测器，光电探测器连接计算机。

b、由激光器提供的相干光束进入发射光纤4，激光经过准直后射入介质，散射介质形成的散射光进入接收光纤中，进而通过接收光纤进入光电探测器。

c、光电探测器与数字相关器相连，将信号传到数字相关器后，由相关器计算出光强自相关函数曲线，并传输给计算机，进而对光强自相关函数进行反演，得到所测溶液中颗粒的平均粒径和粒径分布。

本发明中，计算机用于运行计算，以根据光强自相关函数计算获得待测颗粒群溶液的粒径。

具体的，动态散射光实验中所获得的自相关函数g⁽¹⁾(τ)与瑞利线宽的归一化分布函数G(Γ)关系式为：

其中，τ为相关延迟时间，上式为第一类Fredhom积分方程，求解该方程获得瑞利线宽Γ的分布函数G(Γ)，进而由关系式获得颗粒群粒径分布。

其中，Γ为瑞利线宽，D为颗粒群粒径q为散射矢量，K(＝1.38×10^-23J/K)为玻耳兹曼常数，T为胶体的热力学温度，η为分散介质的动力黏度。

可以通过正则化算法求该方程，还可对已有的正则化算法做出改进，在原算法的基础上，将噪声独立，并作为一个未知量应用到原正则化方程中进行粒径反演，且在原算法的计算过程中，增加方程中相应各系数矩阵的行数和列数，对求解的粒径分布数值取其原系数矩阵中的行数和列数，进而达到对噪声的剔除的目的。

高浓度颗粒群的光纤动态光散射检测方法为：来自连续激光器的一束相干光照射到装有高分子颗粒的悬浮液的微流控芯片中，照亮微流控芯片中微流道中的高分子颗粒悬浮液。设定散射角对应的散射光通过光纤耦合输出，被光电探测器接收，并进入数字相关器，获得该角度处的光强自相关函数。接着对光强自相关函数进行处理，获得颗粒群的粒径分布。

高浓度颗粒群的光纤动态光散射检测方法的具体步骤为：

(1)使用微流泵产生包含待测颗粒群的流量稳定的流动液体，送入微流芯片，微流通道作为待测颗粒群的样品池。

(2)将激光器传输到微流控芯片的光检测区，所述颗粒群液体发出散射光；

(3)将所述散射光经聚焦到光电探测器靶面上，所述光电探测器产生光电流；

(4)所述光电流进入数字相关器，获得若干角度处的光强自相关函数；

(5)所述光强自相关曲线进入计算机，采用正则化算法求解积分方程，计算获得所述颗粒群的平均粒径和粒径分布函数。

更具体的，采用本发明装置进行高浓度颗粒群的光纤动态光散射检测方法如下：

首先，将发射光纤的外端部通过光纤耦合器连接激光源，接收光纤的外端部通过光纤耦合器连接光电探测器；

接着，激光器发出激光，经过光束耦合后进入发射光纤，经准直后射入被测颗粒溶液；

然后，激光经被测颗粒溶液散射后，发出散射光，散射光经准直进入接收光纤，并沿接收光纤进入光电探测器；

最后，光电探测器将接收到的信号输出给数字相关器，由数字相关器计算出光强自相关函数曲线，并传输给计算机，用正则化算法求解方程式，得到所测溶液中颗粒的平均粒径和粒径分布。

本发明结合光纤在光信号采集传输的优势和微流控芯片对被测试试样精确控制的优势，将光纤和微流控芯片集成，提高了散射光耦合效率和信噪比，且光纤探头能以最优角度散射角检测散射光，提高了测量数据的准确性，也可实现高浓度试样现场分析。

在本发明的一个实施例中，使用标准聚苯乙烯球形颗粒的水溶液来检验测量装置的准确性。光源为532nm波长的激光器，激光束从发射光纤末端射入样品池，使用滨松H10682系列光电探测器接收散射光，使用布鲁克海文数字相关器计算光强自相关函数，然后将相关函数送入计算机进行数据处理。实验温度为25℃。

通过实验，光电探测器接收到的散射光信号如图2所示，获得的光强自相关函数曲线如图3所示，由此可见，调整入射光束与接收光束的夹角，以最优的夹角接收散射光时，α＝30°，获得的相关函数截距最大为1.0，此时信号的信噪比最高，因此提高了检测数据的准确性。

本发明中高浓度颗粒群是指质量浓度大于100mg/ml溶液。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高浓度颗粒群的光纤动态光散射检测装置，其特征在于，其包括激光器(2)，光纤耦合器(3)、发射光纤(4)、接收光纤(14)、微流控芯片(10)、光电探测器(11)和数字相关器(12)，其中，

微流控芯片(10)设置有微流道，微流道用作样品池，用于通入待测量粒径的高浓度颗粒群溶液，

激光器(2)用于发射出激光，该激光为相干光，发射光纤(4)通过光纤耦合器(3)连接激光源，相干光由光纤耦合器(3)通过发射光纤(4)耦合进入样品池，经样品池中待测量粒径的高浓度颗粒群后发生散射，散射光通过接收光纤(14)后再经光纤耦合器进入光电探测器(11)，数字相关器(12)与光电探测器(11)连接，用于根据光电探测器(11)获取的光子数获得光强自相关函数。

2.如权利要求1所述的高浓度颗粒群的光纤动态光散射检测装置，其特征在于，还包括计算机，计算机与数字相关器相连接，计算机用于运行计算，以根据光强自相关函数计算获得待测颗粒群溶液的粒径。

3.如权利要求2所述的高浓度颗粒群的光纤动态光散射检测装置，其特征在于，所述微流道为平直状的直沟道(13)，直沟道(13)两端分别设置有样品入口(6)和样品出口(7)，样品入口(6)用于将待测量粒径的高浓度颗粒群溶液输入至微流控芯片，样品出口(7)用于将测量完毕的高浓度颗粒群溶液输出微流控芯片。

4.如权利要求3所述的高浓度颗粒群的光纤动态光散射检测装置，其特征在于，直沟道(13)两侧分别设置有第一微通道(5)和第二微通道(15)，发射光纤(4)设置在第一微通道(5)中，接收光纤(14)设置于第二微通道(15)中。

5.如权利要求1-4之一所述高浓度颗粒群的光纤动态光散射检测装置，其特征在于，所述光电探测器为单光电探测器，以能实现微弱光探测。