CN111735743B - 一种目标波段下强消光生物材料的粒子形态确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种目标波段下强消光生物材料的粒子形态确定方法，包括：构建生物材料的不同粒子形态的几何模型；计算每种几何模型所对应的粒子形态复折射率；确定等效半径下每种几何模型所对应的粒子形态在各个波段的第一消光截面；选择对应波段的最大第一消光截面所对应的粒子形态；确定对应波段下不同粒子形态控制参数值所对应的第二消光截面；选择对应波段的最大第二消光截面所对应的粒子形态控制参数值；确定对应波段下不同粒子形态体积参数值所对应的第三消光截面；选择对应波段的最大第三消光截面所对应的粒子形态体积参数值；确定目标波段下强消光性生物材料的粒子形态。本发明能够确定具有强消光的生物粒子形态，且准确性高。

Description

一种目标波段下强消光生物材料的粒子形态确定方法
技术领域
本发明属于生物技术领域，具体涉及一种目标波段下强消光生物材料的粒子形态确定方法。
背景技术
随着可见光和红外频段成像仪器的广泛应用，对降低其工作效能的烟幕剂的需求越来越迫切，人工制备生物烟幕剂以其成分丰富、结构可控、成本低廉、批量制备容易等优点，使其成为潜在的新型烟幕材料。构成生物烟幕剂的生物粒子种类繁多，其组成成分复杂、形态多样。如何确定具有强消光的生物粒子形态对于生物烟幕剂的研制具有非常重要的意义，也是非常迫切需要解决的难题。若采用烟幕箱实验来进行确定，工作效率低下且制备所有的生物粒子也不现实。
在生物光学交叉领域，生物粒子消光特性计算方法已经公开发表，主要是给定生物粒子形态，构建相应粒子的空间结构模型，利用电磁散射计算模型确定其具有的消光特性，目前对于生物粒子而言，其形态建模主要考虑的是球形粒子及基于球形粒子的凝聚模型，未对其它形态开展相关研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种目标波段下强消光生物材料的粒子形态确定方法，该粒子形态确定方法能够确定具有强消光的生物粒子形态，且准确性高。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案实现：
一种目标波段下强消光生物材料的粒子形态确定方法，所述粒子形态确定方法包括如下步骤：
步骤一、构建生物材料的不同粒子形态的几何模型；
步骤二、计算每种几何模型所对应的粒子形态复折射率；
步骤三、根据每种几何模型所对应的粒子形态复折射率，采用DDA方法，确定等效半径下每种几何模型所对应的粒子形态在各个波段的第一消光截面；
步骤四、从各种几何模型所对应的粒子形态在同一波段的第一消光截面中选择对应波段的最大第一消光截面所对应的粒子形态；
步骤五、保持每个波段的最大第一消光截面所对应的粒子形态等效半径不变，计算对应波段下不同粒子形态控制参数值所对应的第二消光截面；
步骤六、从每个波段下不同粒子形态控制参数值所对应的第二消光截面中选择对应波段的最大第二消光截面所对应的粒子形态控制参数值；
步骤七、保持每个波段的最大第二消光截面所对应的粒子形态控制参数值不变，确定对应波段下不同粒子形态体积参数值所对应的第三消光截面；
步骤八、从对应波段下不同粒子形态体积参数值所对应的第三消光截面中选择对应波段的最大第三消光截面所对应的粒子形态体积参数值，从而得到各个波段生物材料的粒子形态和强消光性的对应关系；
步骤九、根据各个波段生物材料的粒子形态和消光性的对应关系，确定目标波段下强消光性生物材料的粒子形态。
进一步的，步骤一的具体实现过程包括：
步骤11、获取不同粒子形态生物材料；
步骤12、分别对不同粒子形态生物材料进行电子扫描，得到生物材料的不同粒子形态电子显微镜图像；
步骤13、按照生物材料的不同粒子形态电子显微镜图像构建不同粒子形态的几何模型。
进一步的，步骤二的具体实现过程包括：
步骤21、分别对不同粒子形态的几何模型进行反射光谱测量，得到对应几何模型所对应的粒子形态的反射光谱；
步骤22、根据每种几何模型所对应的粒子形态的反射光谱，得到对应几何模型所对应的粒子形态的反射率和反射相移；
步骤23、根据各个几何模型所对应的粒子形态的反射率和反射相移，采用Kramers-Kronig关系，得到对应几何模型所对应的粒子形态的复折射率。
进一步的，步骤三中，所述第一消光截面为同一入射光方向、不同位置目标下多个角度对应的消光截面的平均值。
进一步的，所述粒子形态包括椭球、圆柱、杆状和链状。
进一步的，步骤五中，当粒子形态为椭球时，则粒子形态控制参数值为粒子的长轴、中轴和短轴的比值；
当粒子形态为圆柱时，则粒子形态控制参数值为粒子的高和截面圆直径的比值；
当粒子形态为杆状时，则粒子形态控制参数值为粒子的高和直径的比值；
当粒子形态为链状时，则粒子形态控制参数值为粒子的弯曲角度。
进一步的，步骤七中，当粒子形态为椭球时，则粒子形态体积控制参数为粒子的长轴、中轴和短轴的取值；
当粒子形态为圆柱时，则粒子形态体积控制参数为粒子的高和截面圆直径的取值；
当粒子形态为杆状时，则粒子形态体积控制参数为粒子的高和直径的取值；
当粒子形态为链状时，则粒子形态体积控制参数为粒子的链长和截面直径的取值。
本发明的有益效果：
本发明利用粒子形态在各个波段的第一消光截面，确定对应波段的最大第一消光截面所对应的粒子形态（如椭球、圆柱、杆状和链状），实现粒子形态的初步确定；然后利用每个波段下不同粒子形态控制参数值所对应的第二消光截面，确定对应波段的最大第二消光截面所对应的粒子形态控制参数值，实现粒子形态控制参数的确定；并利用每个波段下不同粒子形态体积参数值所对应的第三消光截面，实现了各个波段生物材料的粒子形态和强消光性的对应关系的建立；根据各个波段生物材料的粒子形态和强消光性的对应关系，确定目标波段下强消光性生物材料的粒子形态，且准确性高，有利于后期烟幕剂的研制效率和消光性能的提高。
附图说明
图1为本发明的标波段下强消光生物材料的粒子形态确定方法流程示意图；
图2-1、2-2、2-3、2-4和2-5为3-5µm波段下五种粒子形态分别在等效半径分别为1、2、3、4和5µm下消光性能对比示意图；
图3为不同弯曲角度链状粒子消光特性示意图；
图4为不同体积的链状粒子消光特性示意图；
图5-1、5-2、5-3、5-4和5-5为8~14µm波段下五种粒子形态分别在等效半径分别为1、2、3、4和5µm下消光性能对比示意图；
图6为长中短轴比的椭球粒子消光特性示意图；
图7为长中短轴值的椭球粒子消光特性图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作出详细说明。
本实施例涉及的生物术语如下：
生物粒子：由微生物物质构成的粒子，包括细菌、真菌等自然界已有微生物，以及人工制备或由生物中提取的生物物质（水、蛋白质、纤维素等）构成的微粒量级粒子；
DDA：离散偶极子近似（Discrete Dipole Approximation，DDA）方法广泛运用于任意形状粒子消光特性的计算。
强消光：不同应用场景指标会有所不同，但本实施例中强消光是指生物材料的透过率低于10%。
本实施例给出了一种目标波段下强消光生物材料的粒子形态确定方法，参考图1，该粒子形态确定方法包括如下步骤：
步骤一、构建生物材料的不同粒子形态的几何模型。
本实施例中的粒子形态包括椭球、圆柱、杆状和链状。本实施例采用现有的生物学技术，制备不同形态的生物材料并依次进行电子显微镜扫描，得到不同粒子形态的扫描电子显微镜图像，并基于不同粒子形态的扫描电子显微镜图像，构建典型粒子形态（椭球、圆柱、杆状和链状等）的几何模型，具体实现过程包括：
步骤11、获取不同粒子形态生物材料；
步骤12、分别对不同粒子形态生物材料进行电子扫描，得到生物材料的不同粒子形态电子显微镜图像；
步骤13、按照生物材料的不同粒子形态电子显微镜图像，构建不同粒子形态的几何模型。
步骤二、计算每种几何模型所对应的粒子形态复折射率；
本实施例通过光谱仪，测量生物材料的反射光谱，并针对采集的光谱数据，根据反射率和反射相移，利用Kramers-Kronig（K-K）关系，计算生物粒子的复折射率。步骤二的具体实现过程包括：
步骤21、分别对不同粒子形态的几何模型进行反射光谱测量，得到对应几何模型所对应的粒子形态的反射光谱；
步骤22、根据每种几何模型所对应的粒子形态的反射光谱，得到对应几何模型所对应的粒子形态的反射率和反射相移；
步骤23、根据各个几何模型所对应的粒子形态的反射率和反射相移，采用Kramers-Kronig关系，得到对应几何模型所对应的粒子形态的复折射率。
步骤三、根据每种几何模型所对应的粒子形态复折射率，采用DDA方法，确定等效半径下每种几何模型所对应的粒子形态在各个波段的第一消光截面。
根据生物粒子等效半径和复折射率等参数，通过DDA方法，计算等体积不同粒子形态的在各个波段的第一消光截面。由于当目标的形状为非球形时，其消光特性参数与入射波的入射方向有关，为了保证第一消光截面的准确性，本实施例选择固定入射光的方向并改变目标的位置后，计算改变多个角度得到结果进行平均得出最后的消光值，即第一消光截面为同一入射光方向、不同位置目标下多个角度对应的消光截面的平均值。
步骤四、从各种几何模型所对应的粒子形态在同一波段的第一消光截面中选择对应波段的最大第一消光截面所对应的粒子形态。
步骤五、保持每个波段的最大第一消光截面所对应的粒子形态等效半径（即体积）不变，计算对应波段下不同粒子形态控制参数值所对应的第二消光截面。
本实施例通过控制粒子形态参数值，得到相应的第二消光截面，实现粒子形态的初步确定。如当粒子形态为椭球时，则粒子形态控制参数值为粒子的长轴、中轴和短轴的比值；当粒子形态为圆柱时，则粒子形态控制参数值为粒子的高和截面圆直径的比值；当粒子形态为杆状时，则粒子形态控制参数值为粒子的高和直径的比值；当粒子形态为链状时，则粒子形态控制参数值为弯曲角度值。
步骤六、从每个波段下不同粒子形态控制参数值所对应的第二消光截面中选择对应波段的最大第二消光截面所对应的粒子形态控制参数值。
步骤七、保持每个波段的最大第二消光截面所对应的粒子形态控制参数值不变，确定对应波段下不同粒子形态体积参数值所对应的第三消光截面。
本实施例中，每种形态粒子的粒径范围都是一定。在一定的粒径范围内，保证粒子形态控制参数值不变，对粒子形态体积参数值进行缩放处理，并根据缩放后的第三消光截面，确定粒子体积。当粒子形态为椭球时，则粒子形态体积参数值为粒子的长轴、中轴和短轴的取值；当粒子形态为圆柱时，则粒子形态体积参数值为粒子的高和截面圆直径的取值；当粒子形态为杆状时，则粒子形态体积参数值为粒子的高和直径的取值；当粒子形态为链状时，则粒子形态体积参数值为链长和截面直径的取值。
步骤八、从对应波段下不同粒子形态体积参数值所对应的第三消光截面中选择对应波段的最大第三消光截面所对应的粒子形态体积参数值，从而得到各个波段生物材料的粒子形态和强消光性的对应关系。
本实施例中，粒子形态控制参数值和粒子形态体积参数值共同决定粒子形态。
步骤九、根据各个波段生物材料的粒子形态和消光性的对应关系，确定目标波段下强消光性生物材料的粒子形态。
下面生物粒子AW0509为例说明本实施例的具体实现过程：
根据生物粒子AW0509电镜图像，构建球形（即长轴、中轴和短轴的比值为1椭球）、椭球、圆柱、杆状和链状等四种典型生物粒子AW0509形态。测量生物粒子AW0509的反射光谱，并利用Kramers-Kronig（K-K）关系计算其复折射率。采用DDA方法，分别计算等体积（或等效半径）椭球、圆柱、杆状和链状的生物粒子AW0509在3~5µm和8~14µm波段对应的第一消光截面。在两个波段分别选择出具有最大第一消光截面的生物粒子AW0509形态。保持生物粒子AW0509体积（或等效半径）不变，改变其粒子形态控制参数值，寻找消光效果最佳（即最大的第二消光截面）的粒子形态控制参数值。保持形态控制参数指不变，改变生物粒子AW0509体积，寻找消光效果最佳（即最大的第三消光截面）的粒子形态体积参数值。输出消光效果最佳的生物粒子AW0509形态。
一、3~5µm波段
1、比较五种形态粒子在不同半径（以1、2、3、4和5µm为例）下3~5µm波段粒子消光性能，如图2-1、2-2、2-3、2-4和2-5所示。随等效半径增大，五种形态粒子消光性能均增强，综合比较，链状粒子消光性能优于其它形态粒子。
2、保持链状粒子的体积（等效半径）不变，改变链状粒子的弯曲角度，计算究其消光性能。本实施例计算弯曲角度分别为600、900、1200的链状以及直链的消光性能，弯曲角度为1200和直链结果较为相似、弯曲角度为600和900结果较为相似，在3~5µm波段后者消光性能优于前者，综合3~5µm波段的平均值结果，弯曲角度为600的链状粒子消光性能最佳，参考图3。
3、保持600的弯曲角度不变，改变链状粒子的体积，研究其消光性能，本实施例在链状粒子的粒径范围内，得到等效半径为2.0、2.1、2.2、2.3、2.4和2.5µm链状粒子的消光性能，因此，在生物粒子形态控制参数值相同的情况下，生物粒子体积越大，消光性能越好，参考图4。
二、8~14µm波段
1、比较五种形态粒子在不同半径（以1、2、3、4、5µm为例）下8~14µm波段粒子消光性能，如图5-1、5-2、5-3、5-4和5-5所示。随着等效半径增大，五种形态粒子消光性能均增强，综合比较，球状和椭球状粒子消光性能优于其它形态粒子。
2、保持粒子体积（如粒子尺寸等效半径为2µm）不变，改变不同长中短轴的比值，计算椭球粒子消光特性。本实施例7种比例椭球体均在波长为9.5µm左右出现消光峰值。在8~10µm波段下a：b：c=1：1：1消光效果最佳，在10~14µm波段下a：b：c=1：1：3消光效果最佳，参考图6。
3、保持椭球长中短轴的比值不变，即a：b：c=1：1：3的情况下，改变生物粒子的长 轴、中轴和短轴的大小，计算其体积，并根据公式
Figure 588680DEST_PATH_IMAGE001
求得粒子等效半径，然后根据 DDA方法计算其消光性能。本实施例计算等效半径为2.0、2.1、2.2、2.3、2.4和2.5µm椭球粒 子的消光性能。因此，在生物粒子形态控制参数值相同的情况下，生物粒子体积越大，消光 性能越好，参考图7。
本实施例利用粒子形态在各个波段的第一消光截面，确定对应波段的最大第一消光截面所对应的粒子形态（如椭球、圆柱、杆状和链状），实现粒子形态的初步确定；然后利用每个波段下不同粒子形态控制参数值所对应的第二消光截面，确定对应波段的最大第二消光截面所对应的粒子形态控制参数值，实现粒子形态控制参数的确定；并利用每个波段下不同粒子形态体积参数值所对应的第三消光截面，实现了各个波段生物材料的粒子形态和强消光性的对应关系的建立；根据各个波段生物材料的粒子形态和强消光性的对应关系，确定目标波段下强消光性生物材料的粒子形态，且准确性高，有利于后期烟幕剂的研制效率和消光性能的提高。
以上实施方式仅用以说明本发明实施例的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明实施例的技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种目标波段下强消光生物材料的粒子形态确定方法，其特征在于，所述粒子形态确定方法包括如下步骤：
步骤一、构建生物材料的不同粒子形态的几何模型；
步骤二、计算每种几何模型所对应的粒子形态复折射率；
步骤三、根据每种几何模型所对应的粒子形态复折射率，采用DDA方法，确定等效半径下每种几何模型所对应的粒子形态在各个波段的第一消光截面；
步骤四、从各种几何模型所对应的粒子形态在同一波段的第一消光截面中选择对应波段的最大第一消光截面所对应的粒子形态；
步骤五、保持每个波段的最大第一消光截面所对应的粒子形态等效半径不变，计算对应波段下不同粒子形态控制参数值所对应的第二消光截面；
步骤六、从每个波段下不同粒子形态控制参数值所对应的第二消光截面中选择对应波段的最大第二消光截面所对应的粒子形态控制参数值；
步骤七、保持每个波段的最大第二消光截面所对应的粒子形态控制参数值不变，确定对应波段下不同粒子形态体积参数值所对应的第三消光截面；
步骤八、从对应波段下不同粒子形态体积参数值所对应的第三消光截面中选择对应波段的最大第三消光截面所对应的粒子形态体积参数值，从而得到各个波段生物材料的粒子形态和强消光性的对应关系；
步骤九、根据各个波段生物材料的粒子形态和消光性的对应关系，确定目标波段下强消光性生物材料的粒子形态；
步骤五中，当粒子形态为椭球时，则粒子形态控制参数值为粒子的长轴、中轴和短轴的比值；
当粒子形态为圆柱时，则粒子形态控制参数值为粒子的高和截面圆直径的比值；
当粒子形态为杆状时，则粒子形态控制参数值为粒子的高和直径的比值；
当粒子形态为链状时，则粒子形态控制参数值为弯曲角度；
步骤七中，当粒子形态为椭球时，则粒子形态体积参数值为粒子的长轴、中轴和短轴的取值；
当粒子形态为圆柱时，则粒子形态体积参数值为粒子的高和截面圆直径的取值；
当粒子形态为杆状时，则粒子形态体积参数值为粒子的高和直径的取值；
当粒子形态为链状时，则粒子形态体积参数值为粒子的链长和截面直径的取值。
2.根据权利要求1所述的粒子形态确定方法，其特征在于，步骤一的具体实现过程包括：
步骤11、获取不同粒子形态生物材料；
步骤12、分别对不同粒子形态生物材料进行电子扫描，得到生物材料的不同粒子形态电子显微镜图像；
步骤13、按照生物材料的不同粒子形态电子显微镜图像构建不同粒子形态的几何模型。
3.根据权利要求2所述的粒子形态确定方法，其特征在于，步骤二的具体实现过程包括：
步骤21、分别对不同粒子形态的几何模型进行反射光谱测量，得到对应几何模型所对应的粒子形态的反射光谱；
步骤22、根据每种几何模型所对应的粒子形态的反射光谱，得到对应几何模型所对应的粒子形态的反射率和反射相移；
步骤23、根据各个几何模型所对应的粒子形态的反射率和反射相移，采用Kramers-Kronig关系，得到对应几何模型所对应的粒子形态的复折射率。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的粒子形态确定方法，其特征在于，步骤三中，所述第一消光截面为同一入射光方向、不同位置目标下多个角度对应的消光截面的平均值。
5.根据权利要求1～3中任意一项所述的粒子形态确定方法，其特征在于，所述粒子形态包括椭球、圆柱、杆状和链状。
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