CN109030320A - 全光纤光路电泳光散射Zeta电位测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
全光纤光路电泳光散射Zeta电位测量装置及测量方法，属于Zeta电位测量技术领域。其特征在于：激光器(15)的输出端连接分路器(13)的输入端，分路器(13)的两个输出端分别输出入射光信号和参考光信号，入射光信号和参考光信号分别接入入射光路和参考光路中，入射光信号经过样品池(3)形成散射光信号，散射光信号与参考光信号同时接入耦合器(6)，耦合器(6)连接光电转换装置，光电转换装置的输出端连接计数器(10)。在本全光纤光路电泳光散射Zeta电位测量装置及测量方法中，利用光纤将入射光路和参考光路集成在一起，替代了传统电泳光散射装置的光路，不易受灰尘和外界杂散光的干扰，可以有效地提高信噪比，并且布局更为灵活。
Description
技术领域
全光纤光路电泳光散射Zeta电位测量装置及测量方法，属于Zeta电位测量技术领域。
背景技术
电泳光散射法(ELS)是目前测量胶体颗粒Zeta电位最主要的方法。在电泳光散射实验中，相干的入射光信号照射到悬浮在稀释液中的颗粒上，当施加电场时，带电颗粒朝着阳极或阴极运动。由于多普勒效应，胶体颗粒散射光信号的频率发生偏移，根据散射光信号的频移，即可确定颗粒的电泳速度，进而计算出颗粒的Zeta电位。
由于颗粒电泳运动造成散射光信号的频移在几百赫兹范围内，远低于入射光信号频率，为了测量散射光信号的频移，不得不使用光拍技术，使部分入射光信号与散射光信号混合产生拍频，拍频模式包括零差和外差模式。
在零差模式下，部分入射光信号(称为参考光信号)与散射光信号混合，参考光信号的频率与入射光信号频率相同。散射光信号的频移从零赫兹变化到与电泳运动相应的频率。使用零差模式时会遇到很多困难。因为“拍频”接近零赫兹，建筑或桌子的振动、电气噪声等干扰测量。此外，交流耦合信号会使低频信息丢失。最后，因为该方法使用的频率中心在零赫兹，难以确定颗粒的移动方向，移动方向对应于颗粒电荷的正负和电场极性，但光拍只检测频率的变化，而不是变化的正负。
为了克服这些困难，所有的电泳光散射实验均采用外差模式，即不同频率的参考光信号与散射光信号的混合。差拍模式下，即使对静止的颗粒，在散射光信号和参考光信号之间也有固定的频率差，通常在200～300Hz之间，使频率参考点从零赫兹移动到预设的频率。当颗粒移动时，散射光信号的多普勒频移会增加或减少，根据电场的极性即可分辨颗粒所带电荷的正负。此外，由于现在的起点不是零赫兹，所以抗环境干扰能力更强。
在外差模式下，需改变参考光信号的频率。在光的传播过程中，以恒定速率改变光路的长度，可以改变它的频率。在参考光信号的传播路径中插入两面反射镜，改变反射镜之间的距离，使参考光路的长度随之改变，从而改变了参考光信号的频率。使用反射镜改变参考光信号的频率存在很多缺陷。由于需要高精度的机械结构，所以对外部震动非常敏感，另外反射镜移频器的体积大、成本高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种利用光纤将入射光路和参考光路集成在一起，替代了传统电泳光散射装置的光路，不易受灰尘和外界杂散光的干扰，可以有效地提高信噪比，并且布局更为灵活的全光纤光路电泳光散射Zeta电位测量装置及测量方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括激光器，激光器的输出端通过发射光纤连接分路器的输入端，分路器的两个输出端分别输出入射光信号和参考光信号，入射光信号和参考光信号分别通过入射光纤和参考光纤接入入射光路和参考光路中，在入射光路中设置有样品池，带电颗粒位于样品池内的待测样品中，入射光信号经过被测样品形成散射光信号，散射光信号与参考光信号分别通过接收光纤和参考光纤接入耦合器的两个输入端，耦合器的输出端连接光电转换装置，光电转换装置的输出端连接计数器的输入端。
优选的，在所述的参考光路中设置有径向膨胀的压电陶瓷，参考光纤紧密缠绕在压电陶瓷上。
优选的，还设置有计算机，所述计数器的输出端连接计算机。
优选的，所述的光电转换装置为光电倍增管。
优选的，还设置有第一准直透镜和第二准直透镜，入射光信号经过第一准直透镜射入样品池内；散射光信号经过第二准直透镜射入所述的耦合器。
优选的，在所述被测样品的内部设置有用于向带电颗粒施加电场信号的极板。
一种测量方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1001，关闭参考光路，根据散射光信号调节入射光信号强度；
步骤1002，开启参考光路，调节参考光信号的偏移频率；
步骤1003，向样品池内的带电颗粒施加电场信号，样品池内的带电颗粒根据电场方向而移动；
步骤1004，光电转换装置将耦合器输出的光信号转换为电脉冲信号，由计数器对电脉冲信号进行计数得到采样信号；
步骤1005，对采样信号进行快速傅里叶变换得到散射光信号的频率谱，并根据偏移量计算公式求得散射光信号的频率偏移量；
步骤1006，向样品池内的带电颗粒施加反向的电场信号；
步骤1007，重复步骤1004～1005，再次求得散射光信号的频率偏移量；
步骤1008，利用电泳速度计算公式求得带电颗粒的电泳速度；
步骤1009，根据电位计算公式求得带电颗粒的Zeta电位。
优选的，步骤1007中所述的频率偏移量计算公式为：
其中：IL是参考光强，<IS>是平均散射光强，Γ为衰减线宽，β为仪器常数，ωp为参考光信号的角频率与入射光信号的角频率ω0的差值，μ为电泳迁移率，Δf为散射光信号相对入射光信号的频率偏移，ω为角频率，τ为积分变量，δ为冲激函数，i为虚数单位。
优选的，步骤1008中所述的电泳速度计算公式为：
其中：n为溶液的折射率，λ0为入射光信号在真空中的波长，u为颗粒的电泳速度，θ为散射角，Δf为散射光信号相对入射光信号的频率偏移。
优选的，步骤1009中所述的Zeta电位计算公式为：
其中，ζ为Zeta电位，ε为液体的介电常数，η为液体的粘度，E为电场强度。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：
在本申请的全光纤光路电泳光散射Zeta电位测量装置及测量方法中，利用光纤将入射光路和参考光路集成在一起，替代了传统电泳光散射装置的光路，利用光纤传输散射光信号，散射光不易受灰尘和外界杂散光的干扰，可以有效地提高信噪比，并且光路可以任意弯曲，因此测量装置布局比较灵活。
利用光纤移频器克服了反射镜移频器的缺点，具有体积小、成本低、抗干扰能力强的优点。
附图说明
图1为全光纤光路电泳光散射Zeta电位测量装置结构示意图。
图2为电泳光散射实验装置示意图。
图3为电泳光散射实验散射示意图。
图4为全光纤光路电泳光散射Zeta电位测量方法流程图。
图5为关闭和开启电场时散射光信号功率谱曲线图。
其中：1、入射光纤 2、第一准直透镜 3、样品池 4、第二准直透镜 5、接收光纤 6、耦合器 7、耦合输出光纤 8、光电倍增管 9、压电陶瓷 10、计数器 11、参考光纤 12、计算机13、分路器 14、发射光纤 15、激光器。
具体实施方式
图1～5是本发明的最佳实施例，下面结合附图1～5对本发明做进一步说明。
如图1所示，在本全光纤光路电泳光散射Zeta电位测量装置(以下简称本测量装置)中，包括激光器15，发射光纤14一端连接在激光器15的激光输出口处，另一端连接在分路器13的光纤入口处，分路器13的两个光纤出口处分别连接入射光纤1和参考光纤11。
入射光纤1经过第一准直透镜2接入样品池3，随第一准直透镜2进入样品池3的激光发生散射后输出，并进入第二准直透镜4，第二准直透镜4的输出端通过接收光纤5接入耦合器6的其中一个光纤接口。参考光纤11紧密缠绕在压电陶瓷9后接入耦合器6的另外一个光纤接口。压电陶瓷9在接收到驱动信号之后可径向膨胀。
耦合器6的光纤出口连接耦合输出光纤7的一端，耦合输出光纤7的另一端连接光电倍增管8的入口，光电倍增管8的输出端与计数器10的输出端相连，计数器10的输出端接入计算机12。
由上述可知，在本测量装置中，光路由五根单模保偏光纤组成，即发射光纤14，入射光纤1，接收光纤5，参考光纤11以及耦合输出光纤7。激光器15发出的垂直偏振光进入发射光纤14，激光束经过分路器13后分成入射光信号和参考光信号，入射光信号进入入射光纤1，参考光信号进入参考光纤11。入射光纤1输出的入射光信号射入样品池3。样品池3中的带电颗粒在电场作用下产生电泳，引起散射光信号的波动。在前向小角度，使用第二准直透镜4接收散射光信号，散射光信号经接收光纤5导入耦合器6。
参考光纤11紧密缠绕在压电陶瓷9的表面，压电陶瓷9可以径向扩张，使参考光纤11的长度发生变化。在光的传播过程中，以恒定速率改变光路的长度，因此可以改变光路的频率。如果光路长度以恒定速率α变化，则参考光信号频率的偏移Δf等于光路长度的变化速率与参考光信号在空气中的波长λ的比值(α/λ)，从而改变了参考光信号的频率。
参考光纤11也接入耦合器6，参考光信号与散射光信号耦合后，经耦合输出光纤7导入光电倍增管8。光电倍增管8将光子脉冲信号转换成电脉冲信号，并将电脉冲信号送入计数器10，计数器10对脉冲信号计数后，将数据送入计算机12进行处理，进而获取颗粒的电泳迁移率及其Zeta电位。
上述包括入射光纤1、接收光纤5、耦合输出光纤7、参考光纤11以及发射光纤14在内的所有光纤的光纤探头的参数根据如下步骤确定：
当光纤探头数值孔径(NA)f＝0.048，使用SLW2型GRIN透镜，当激光器15发射的激光波长λ为532nm时，轴向折射率N0(λ)＝1.5868+0.00814/(0.532)2＝1.6156，梯度系数常数则光纤探头发出的光束直径为：
由此可知光束的半径r为100μm，则光束束斑大小为：
Aspot＝πr2＝3.14×(100×10-6)2＝3.14×10-8m2
相干区域的计算公式为：
式中，R为光纤探头离样品池3中心位置的距离。因此光束束斑大小相当于0.82个相干区域，满足空间相干性的要求，可以获得高的信噪比。
电泳迁移率与Zeta电位的关系如下所述：
在电场作用下，样品池3中的带电颗粒将向相反极性的电极侧作定向运动，产生电泳，定义单位电场强度下的电泳速度为电泳迁移率
μ＝u/E 公式(1)
公式(1)中，μ为电泳迁移率，u为颗粒的电泳速度，E为电场强度，则颗粒电泳迁移率与Zeta电位的关系为：
式中，ζ为Zeta电位，ε为液体的介电常数，η为液体的粘度，参数k称为Debye长度，其倒数1/k被用来表征双电层的厚度，r为带电颗粒的半径。一般情况下，当分散介质为水时，带电颗粒附着的双电层较薄，kr＞＞1，此时f(kr)＝1.5，则上述公式(2)可简化为公式(3)：
由公式(3)可知，通过测量颗粒在电场中的电泳速度就可以计算出颗粒的Zeta电位。
结合图2及图3可知，在电场作用下，带电颗粒朝着阳极或阴极运动，相干的入射光信号照射到颗粒上，由于多普勒效应，探测器接收到的颗粒散射光信号频率发生了偏移，从而可以得到颗粒的电泳速度矢量与散射光信号矢量的关系。
散射光信号相对入射光信号的频率偏移Δf为：
式中，为颗粒电泳速度矢量，为散射矢量，k＝4πnsin(θ/2)/λ0，θ为散射角，n为溶液的折射率，λ0为入射光信号在真空中的波长，为电场与散射矢量的夹角，当电场与入射光信号束垂直时，则进一步由公式(4)得到公式(5)：
因此由公式(5)可知，只要测得散射光信号的频率偏移，就可以求得带电颗粒的电泳速度，进而确定其Zeta电位。
电泳运动造成散射光信号的频移在几百赫兹范围内，远低于入射光信号频率，为了辨别散射光信号的频移，需要使用光拍技术。依据散射光信号与参考光信号的频率差是否为零，光拍可以分为零差和外差两种模式。
在外差模式下，参考光信号的角频率为ω0+ωp，与入射光信号ω0的频率差为ωp，颗粒电泳运动引起的散射光信号角频率偏移为2π·Δf，则参考光信号与散射光信号的频率差变为Δω＝ωp+2πΔf，因此得到外差模式下的功率谱：
其中：IL是参考光强，<IS>是平均散射光强，Γ为衰减线宽，β为仪器常数，ωp为参考光信号的角频率与入射光信号的角频率ω0的差值，μ为电泳迁移率，Δf为散射光信号相对入射光信号的频率偏移，ω为角频率，τ为积分变量，δ为冲激函数，i为虚数单位。
综上所述，只要由上述公式(6)测得散射光信号的频率偏移Δf，就可以通过公式(5)求得带电颗粒的电泳速度，进而确定其Zeta电位。
由上述推导得到基于本测量装置的测量方法，如图4所示，具体包括如下步骤：
步骤1001，关闭参考光路，根据散射光信号调节入射光信号强度。
步骤1002，开启参考光路，调节参考光信号的偏移频率。
对压电陶瓷驱动器施加驱动信号，压电陶瓷驱动器驱动压电陶瓷9径向扩张，使得参考光纤11的长度发生变化，进一步使得参考光信号发生频率偏移，使参考光信号频率偏移300Hz。如图5中曲线a所示。
在外差模式下，参考光在与散射光混合前，其角频率的偏移应该为2π·Δf。如果压电陶瓷9的半径以恒定速率α伸缩，则光路长度以恒定速率变化，引起的参考光频率变化为：
参考光频率偏移一般设定为300Hz，当激光器15的波长为532nm时，控制压电陶瓷9的半径以速率25.4μm/s伸缩时，就可以使参考光频率频移300Hz。
步骤1003，在样品池3的极板上施加电场信号。
在样品池3内的极板上施加电场信号，样品池3内的带电颗粒根据电场方向而移动。
步骤1004，采集散射光信号和参考光信号的拍频信号，并对拍频信号计数得到采样信号，并将采样信号送入计算机12。
参考光信号和散射光信号在耦合器6中进行耦合，并由耦合输出光纤7输出后送入光电倍增管8内，由光电倍增管8将光信号转换为电脉冲信号，由计数器10对电脉冲信号进行计数得到采样信号，并由计数器10将采样信号送入计算机12内。
步骤1005，得到散射光信号的功率谱并得到频率偏移量。
计算机12对采样信号进行快速傅里叶变换得到散射光信号的频率谱，并根据上述公式(6)求出散射光信号的频率偏移量，如图5中b曲线所示。
步骤1006，在样品池3的极板上施加反向的电场信号。
在样品池3内的极板上施加反向的电场信号，样品池3内的带电颗粒根据电场方向而反向移动。
步骤1007，重复上述步骤1004～1005，再次求得散射光信号的频率偏移量。
步骤1008，求得带电颗粒的电泳速度；
将步骤1005以及步骤1007中得到频率偏移量求取平均值，然后根据上述公式(5)得到带电颗粒的电泳速度。
步骤1009，求得带电颗粒的Zeta电位；
根据上述公式(4)得到带电颗粒的Zeta电位。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.全光纤光路电泳光散射Zeta电位测量装置，其特征在于：包括激光器(15)，激光器(15)的输出端通过发射光纤(14)连接分路器(13)的输入端，分路器(13)的两个输出端分别输出入射光信号和参考光信号，入射光信号和参考光信号分别通过入射光纤(1)和参考光纤(11)接入入射光路和参考光路中，在入射光路中设置有样品池(3)，带电颗粒位于样品池(3)内的待测样品中，入射光信号经过被测样品形成散射光信号，散射光信号与参考光信号分别通过接收光纤(5)和参考光纤(11)接入耦合器(6)的两个输入端，耦合器(6)的输出端连接光电转换装置，光电转换装置的输出端连接计数器(10)的输入端。
2.根据权利要求1所述的全光纤光路电泳光散射Zeta电位测量装置，其特征在于：在所述的参考光路中设置有径向膨胀的压电陶瓷(9)，参考光纤(11)紧密缠绕在压电陶瓷(9)上。
3.根据权利要求1所述的全光纤光路电泳光散射Zeta电位测量装置，其特征在于：还设置有计算机(12)，所述计数器(10)的输出端连接计算机(12)。
4.根据权利要求1所述的全光纤光路电泳光散射Zeta电位测量装置，其特征在于：所述的光电转换装置为光电倍增管(8)。
5.根据权利要求1所述的全光纤光路电泳光散射Zeta电位测量装置，其特征在于：还设置有第一准直透镜(2)和第二准直透镜(4)，入射光信号经过第一准直透镜(2)射入样品池(3)内；散射光信号经过第二准直透镜(4)射入所述的耦合器(6)。
6.根据权利要求1或5所述的全光纤光路电泳光散射Zeta电位测量装置，其特征在于：在所述样品池(3)的内部设置有用于向带电颗粒施加电场信号的极板。
7.利用权利要求1～6任一项所述的全光纤光路电泳光散射Zeta电位测量装置完成的测量方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1001，关闭参考光路，根据散射光信号调节入射光信号强度；
步骤1002，开启参考光路，调节参考光信号的偏移频率；
步骤1003，向样品池(3)内的带电颗粒施加电场信号，样品池(3)内的带电颗粒根据电场方向而移动；
步骤1004，光电转换装置将耦合器(6)输出的光信号转换为电脉冲信号，由计数器(10)对电脉冲信号进行计数得到采样信号；
步骤1005，对采样信号进行快速傅里叶变换得到散射光信号的频率谱，并根据偏移量计算公式求得散射光信号的频率偏移量；
步骤1006，向样品池(3)内的带电颗粒施加反向的电场信号；
步骤1007，重复步骤1004～1005，再次求得散射光信号的频率偏移量；
步骤1008，利用电泳速度计算公式求得带电颗粒的电泳速度；
步骤1009，根据Zeta电位计算公式求得带电颗粒的Zeta电位。
8.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于：步骤1007中所述的频率偏移量计算公式为：
其中：IL是参考光强，<IS>是平均散射光强，Γ为衰减线宽，β为仪器常数，ωp为参考光信号的角频率与入射光信号的角频率ω0的差值，μ为电泳迁移率，Δf为散射光信号相对入射光信号的频率偏移，ω为角频率，τ为积分变量，δ为冲激函数，i为虚数单位。
9.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于：步骤1008中所述的电泳速度计算公式为：
其中：n为溶液的折射率，λ0为入射光信号在真空中的波长，u为颗粒的电泳速度，θ为散射角，Δf为散射光信号相对入射光信号的频率偏移。
10.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于：步骤1009中所述的Zeta电位计算公式为：
其中，ζ为Zeta电位，ε为液体的介电常数，η为液体的粘度，E为电场强度。
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