CN115151808A - 用于通过多参数地检测散射光和消光信号确定颗粒特征的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于借助颗粒光度学确定分散在气体和液体中的纳米和微米量级的尺寸范围的颗粒的特征参量、其数量分布和浓度的方法和装置。按照本发明这通过以下方式实现，即在光度计中针对不同数量的张角或者接收角实现散射光测量并且由所确定的散射光强度通过分析算法评估颗粒特征。在几十的尺寸范围中的颗粒特性的确定可以在不需要更换或者调整样本测量腔室的几何形状的情况下实现。按照本发明的装置包括至少一个用于产生至少一个激光束(3)的激光器(1)、至少一个用于使激光束(3)成型并且构造焦点几何形状(6)的光学输入模块(2)、有利地具有流体动力学聚焦的连续流测量单元(5)，在所述连续流测量单元中通过激光束(3)产生前向散射光束(6)和侧向散射光束(7)，处于前向散射光束(6)中的光学输出模块(8)和处于侧向散射光束(7)中的光学输出模块(9)、半透的镜子(10)、摄像机(12)、光电倍增器(11a、11b)，其中，借助光电倍增器(11a、11b)针对不同数量的张角或者接收角执行散射光测量并且由前向散射光束(6)的和侧向散射光束(7)的所确定的散射光强度通过分析算法确定颗粒特征。
Description
本发明涉及一种用于借助颗粒光度学确定分散在气体或者液体中的纳米和微米量级的尺寸范围的颗粒的特征参量、其数量分布和浓度的方法和装置。
按照本发明这通过以下方式实现，即在光度计中针对不同数量的张角或者接收角实现颗粒级分或者单颗粒的散射光测量，由所确定的散射光强度通过分析算法确定针对每个颗粒具有表征性的特征(例如尺寸、折射率)，并且相应地对包含在测量样本中的颗粒的整体进行分类。在大于二十的尺寸范围中的颗粒特征的确定可以在不需要更换或者调整样本测量腔室或者光学器件的几何形状的情况下实现。
现有技术
存在大量用于确定胶状的粒子(例如纳米颗粒、乳浊液滴)或者粗略分散的颗粒的尺寸的方法。
已知的光学方法例如是静态和动态的散射光测量(ISO 13320，ISO 22412)和基于重力和离心力(ISO 13317-1，ISO 13318-2)的沉降方法。对于通过体积散射光方法或者沉降方法研究悬浮液和乳浊液常见的是，所确定的颗粒参数是普遍关于所有处于几何测量体积中的颗粒(颗粒整体)的叠加的散射行为的。在此，所得出的散射光强度或者消光取决于颗粒浓度和光学的颗粒特性(尺寸、几何形状和折射率对比度)。通过数学的方法由叠加的测量信号获得粒度分布。与所使用的算法无关地，粒度分布总是基于强度或者消光并且只可以通过换算、例如借助米氏理论在知道颗粒的光学特性的情况下(以相同的折射率和球面形状为前提)变换为评估体积或者数量的分布，所述分布实现与成像方法的比较。不利的是，这些方法的物理学在原理上不能实现关于单颗粒特征的信息。声波和X射线波与颗粒的相互作用也用于确定粒度。这些方法也只提供了平均的整体值，不提供评估数量的分布以及不提供单颗粒的特征。也能够确定的是，迄今描述的散射方法不能获得针对多分散的悬浮液和乳浊液的各个单独的尺寸级别的颗粒的浓度。
在文献中也描述了不同的、以评估数量的粒度分布为目标的测量方法。在此首先需要提到的是光学方法，所述光学方法以成像方法静态或者动态地检测颗粒并且人工地或者借助计算机辅助的图像分析方法确定每个成像的颗粒的尺寸。对于亚微米量级和纳米量级的粒子以经典方式使用静态的透射或电子显微镜方法以及比较新地使用原子力显微镜方法。
在任何情况下，基于2D的记录(或者说拍摄)只能以假设3D形状的方式计算基于体积的粒度分布。对于宽的分布还需要在不同的放大图像中的记录，这明显增大了校准和计算累积分布的难度并且事实上不能实现浓度确定。这些方法也是非常耗费时间的。此外，所描述的方法只能够用于干燥的颗粒(粉末)。动态成像技术(例如Flow Cam、Bettersizer、CAMSIZER、QICPIC)的突出特点为更好的统计学(特性)。然而，动态方法限制在大于800nm的颗粒[ISO 13322]。
流式细胞计的测量原理是单粒子的散射光光度学。在现有技术中对此没有公开任何例如能够实现通过实验同时确定纳米和微米颗粒的粒子尺寸和折射率的事实。针对微米量级颗粒的粒度的分析由于散射光强度分布曲线相对于颗粒直径的不明确性而并不是总能实现(例如参见图7)并且迄今没有公开针对这个问题的解决方案。实验经验也表明，在所描述的布置中，尤其对于具有较大颗粒质量的颗粒，由于几何尺寸或者密度导致尤其对于更大的级别明显低估了颗粒数量(分离)。然而也需要指出的是，由于粒度明显不同而具有非常不同的强度的散射光的叠加在另一方面导致对较小的粒子的低估。对于具有非常不同的折射率的粒子或者折射率对比度非常小的颗粒级分，这可能也与尺寸无关。
还已知专利文献EP 2908119 B1，其致力于基于流式原理的“用于探测纳米颗粒的方法”。针对较小粒子(优选＜100nm)的测量范围应该通过将探测区缩小而扩大。测量只针对在侧向散射中的角进行。专利文献描述了将流式细胞计的通常测量范围移动到纳米范围中并且原则上不能用于微米量级粒子的方法。
在专利文献EP 2388569 A1中公开了一种方法和设备，其具有两个按照不同物理测量方法工作的传感器，它们用于确定分散在液体中的颗粒的尺寸和数量，其称为单颗粒光学传感(SPOS)。与流式细胞计的原理在测量技术上的较大区别在于，通过不同的物理测量原理工作，以便分析(散射传感器和消光传感器)分布宽的粒度，并且由于方法导致测量腔室深度被强烈地最小化，以及激光束具有较小的焦点直径，在横截面上以高斯强度分布。针对相同颗粒同时提高消光和散射在这个专利文献中没有公开并且由技术视角也不能通过所建议的实现原理实现。没有公开针对测量样本的所有单颗粒同时确定多个颗粒特征(例如尺寸、折射率、几何形状)。
在近些年在市场上建立的颗粒跟踪分析(ISO 19430:2016)借助激光感应产生的散射光测量纳米颗粒和亚量级颗粒的随时间的移位，并且按照爱因斯坦和-斯莫卢霍夫斯基理论由每单位时间的平均路程的平方计算粒度。这个方法没有解决的缺陷在于探测灵敏度与物理参量的相关性，其既导致在确定颗粒数量时的损失也导致颗粒分布尤其在细颗粒比例中的失真。另外不可实现的是确定有效测量体积，其取决于分散的粒子的尺寸和/或折射率。因此，对多分散的样本的粒子浓度的确定总是有错误的。这个技术同样只能用于分散在液体中的颗粒。
所有以上提到的原理和测量装置不能同时确定分散在空气或者液体中的颗粒即悬浮液、乳浊液或者气溶胶中的多个特征(例如尺寸、折射率、几何形状、数量、浓度)。
为了完整性需要提到的是，公开了一些文献，其中对于特殊情况描述了对分散体中的颗粒的尺寸和折射率的同时确定，它们在方法技术上与所要求保护的本发明不同并且还具有一系列限制。专利文献WO 2017/072360 A1优选地应该适用于小于入射光的波长(优选波长为405nm或者488nm)的粒子。然而，这个测量范围应该扩宽至三倍的波长。光学散射比(前向散射/侧向散射)在该范围内应该与折射率无关。尺寸可以由此确定，并且根据理论，可以由两个散射光测量之一确定折射率。
具有实验结果的公开的表只记录了针对均小于入射波长(405nm)的颗粒的结果。只说明了使用PS和SiO2颗粒的测量，其中，测量的误差数据均大于制造商数据的误差数据。
自身的理论计算证实了更大的误差范围，其中，如果之前已经提到的强度振荡进入接收角范围中，则该方法失败。因此，通常不能够将这种方法扩展到粒度>入射光波长的情况。
根据美国专利文献9,068,915 B2的一种非常复杂的测量方法通过比较两个样本的前向和侧向散射来确定颗粒类型的折射率。使用这种方法的前提是，首先两个样本具有不同的粒度，其次一个样本(批次)的粒子尺寸和折射率必须是已知的。备选地，如果颗粒的尺寸已知，则可以通过该方法确定颗粒的折射率，即在任何情况下都没有同时确定尺寸和折射率。没有公开在多分散分布的情况下如何进行。
从现有技术已知的所有解决方案所基于的测量原理均与所公开的发明的技术方案实质性不同，和/或与要求保护的有创造性的解决方案相比，尤其是对于在纳米量级或亚微米量级和微米量级的尺寸范围中宽分布的颗粒样本，这些测量原理具有实质性限制和缺点。
技术问题
悬浮液(例如分散在水性介质中的聚合物颗粒、氧化物颗粒，还有生物材料)或乳浊液(例如营养液)出现在自然、医学、工业、研究和私人家庭的许多领域并且在这些领域发挥着极其重要的作用。制造运行中的不期望的颗粒、废水中的污垢颗粒或者天然水中的颗粒负载(例如微塑料)也需要适当的清洁措施(例如饮用水处理、空气净化)。
从科学、产品相关或者风险相关的角度(例如纳米材料分类)来看，定量地确定颗粒特征例如尺寸、数量、浓度或者其光学特性非常重要。这些要求尤其出现在用于分散在气体或者液体中的纳米量级和微米量级的粒子的现代颗粒技术的领域。为了更好地理解并且能够影响分散特性或者配制相关产品，除了分散相的化学成分之外，还必须了解粒子的尺寸(粒度分布(德文TGV，英文PSD))、数量(浓度)或者光学特性、例如形状和折射率。
在要求保护的TGV范围内的已知测量方法如在“现有技术”部分中示例性地说明的那样具有一系列缺点。已建立的参考方法(显微镜或者电子显微镜)非常耗时，并且对于分散的、高度多分散的颗粒系统产生了在实验和测量技术上的困难，其禁止了尤其是在工业中的广泛使用。另一方面，广泛使用的静态和动态的光散射方法(ISO 13320，ISO 22412)是整体方法。物理测量原理不允许任何关于单粒子的信息，测量的散射强度取决于颗粒的尺寸、几何形状和折射率对比度以及测量装置的光学特性，并且还从特定的粒度起不再是粒度的一一对应的函数。
因此，本发明所要解决的技术问题是，对于悬浮液、乳浊液或者气溶胶的每个个体的被液体或者气体承载的单颗粒，借助与空间角相关的散射光测量，既针对较窄分布的颗粒也针对在多个数量级上分布的颗粒，确定多个颗粒特征参量，例如颗粒浓度、尺寸分布和每个尺寸等级的颗粒的数量，以及通过分析算法从单粒子的测量信号中量化附加的颗粒特征，例如折射率或者非球面性。本发明还聚焦于几纳米的较高的尺寸分级精度。本发明所要解决的另一技术问题是，在实现为单粒子散射光光度计的情况下，实现散射光事件的例如为每秒至少10000个事件的探测速率(事件/秒，通常也称为频率)，并且只通过流体动力学或者空气动力学的器件自动化地控制该探测速率，以便在初级测量样本的相对于现有技术(例如EP 2388569 A1)非常大和高的浓度范围上、例如从102至109个颗粒/ml地探测针对每个颗粒的颗粒特征，而不会出现初级样本的重合失真和稀释，优选实时地分析，进行相应分类并且这在无需更换测量腔室或者对测量单元进行几何更改的情况下即可实现。
本发明的技术问题通过权利要求1、16和17中的特征解决。
本发明的适宜的设计方案包含在从属权利要求中。
按照本发明的方法的一个特别的优点是有效地确定颗粒特征，方式为为了确定测量样本中的微米量级和亚微米量级直至个位数的纳米范围的颗粒的特性，通过多参数地检测消光和/或散射光信号，颗粒的散射光和消光信号在至少两个空间角范围中以较大的探测速率即事件/秒地被计数并且同时被测量，模拟地或者数字地与针对不同的空间角范围通过分析或者数值的方法实现的散射光分布的模拟计算进行比较，以便由此即使对于测量样本的较高颗粒浓度也能够在较宽的动态粒度范围中确定颗粒特征参量。
按照本发明的探测速率表示具有高于噪声信号的脉冲高度的、在每秒少于10个颗粒直至一百万个颗粒、尤其是每秒100至10000个颗粒的范围内的计数事件。对于优选每毫升1010个颗粒的颗粒浓度，在很大程度上无重合地测量颗粒数量。对于例如10kHz的探测速率，出现小于0.0035(0.35％)的计数损失。换而言之，本发明的解决方案事实上测量了样本流的所有颗粒，并且特征为与现有技术相比极高的传感器灵敏度。因此，例如在EP 2338569A1(例如图9)中说明了有效性因子只为百分之几到百分之十，其也取决于粒度。
本发明的其它优点由此得出，即，针对前向散射使用不同的张角或者针对散射光测量使用多个探测方向以及它们的任意组合。
在颗粒具有大于或者约等于20的尺寸参数k的情况下，例如针对前向散射使用不同的张角。
本发明的附加优点由此得出，即，在颗粒具有在不同接收角中(尤其是尺寸参数k小于或者约等于20)几乎不能区分的前向散射光曲线的情况下，使用具有不同灵敏度的沿着侧向方向的多个探测方向。
按照本发明，借助米氏理论或者数值计算的模拟计算与相应的光学结构协调一致地执行并且由理论与实验散射强度之间的比较消除关于粒度的不明确性。因此也可以分析通常低至100μm的微米量级的颗粒。
按照本发明，通过针对不同的张角和/或空间角范围检验颗粒脉冲的模型化的并且以实验确定的强度的一致性，确定颗粒特性、例如尺寸或者光学颗粒参数。
当在角范围中测量的散射光强度与可能的理论强度不一致时，在例如粒子的已知尺寸和已知折射率的情况下，推断出非球面性并且计算非球面性指数。
本发明的另一个优点是，在单颗粒散射的情况下，由具有已知折射率的颗粒的实验数字化脉冲形状与针对球面形颗粒针对相同空间角范围的相应模拟计算的比较，将颗粒的形状分类为球面形或者非球面形的。
借助关于粒子几何形状(非球面性)与散射行为之间联系的理论，获得了定量结果。
除了颗粒壁附着或者分离现象，本发明能够分析处于样本中的所有粒子，根据例如尺寸、形状和折射率对颗粒的累积分布或者亚级分进行分类。在此，以绝对值地确定、显示和输出每个特征单位的颗粒数量(浓度)。
使用激光器，所述激光器具有可变的光束强度和非球面形的光束横截面(焦点)，所述光束横截面至少在样本流的横截面上具有恒定的光强度(参见16，图1b)。因此，与现有技术中阐述的(SPOS)相反，散射脉冲与测量体积中的被测颗粒的轨迹无关并且不需要去卷积。在强度的均匀性不足的情况下，通过标准化方法校正所述强度(例如以实验确定与恒定强度的偏差或者通过测量尺寸经认证的单分散参考颗粒)。为了扩大测量范围也可以使用具有不同波长的一个激光器或者包括荧光在内的多个激光器。
流体动力学或者空气动力学的测量流聚焦的程度能够根据测量样本的原始数量浓度、基于知识或者第一测量循环人工地或者自动化地通过鞘流相对于样本流的比调整。
本发明的另一个优点是，为了确定非常宽的多分散样本的尺寸，不需要更换测量腔室或者改变例如鞘流池或者光学结构的几何形状。对于达到多位数的微米的尺寸范围内的极宽的分布，可以测量不同的散射角或者同时记录单颗粒的消光。
附加地有利的是可以依次地插入或者移动束阑(或者说光束挡块)，或者使用分别覆盖一个角范围的环形的可旋转的探测器，或者将不同的光阑引入圆形扇段中。也可以使用具有特殊涂层的光学元件，其透明度可以针对所使用的相应激光波长例如通过电场在没有机械位移的情况下改变。
通过使用环形探测器或者圆形扇段中的不同光阑，取消了在示例中描述的在其它角范围中的重复测量，这有利地降低了实验耗费并且通过针对相同颗粒同时测量不同角范围提高了测量准确性。
针对消光应用，通过流体动力学的聚焦并且通过隐去在流体动力学地聚焦的粒子旁边的图像空间中的由初级光束照射的区域，改善试管中的光源的光强度相对于消光信号的比，以便探测更小的粒子。
通过在物镜之后插入的、具有在物镜之后的激光器初级光束的直径的孔径光阑，消除也会到达接收器的前向散射的大部分，由此将测量范围扩宽至更小的粒子并且能够更准确地计算粒度。参考专利文献EP 2 388 59 A1有利的是，通过颗粒的单个化，粒子之间的区域中的透射不具有取决于颗粒浓度的混浊度。
按照本发明地实现所述装置的用途和所述方法的应用，它们用于在工业和学术领域中分析单颗粒的多个特征或者用于对颗粒级分进行分类或者识别，例如W/O或者O/W乳浊液、气溶胶、用于晶圆抛光的浆料、墨水和颜料悬浮液、生物来源的细胞和亚细胞颗粒(例如细胞、病毒、细菌)的样本，或者用于应用，例如纳米颗粒的设计、分散体稳定性的量化、对分散相的溶解、聚集和絮凝行为的研究、分散进展的量化。
以下根据至少部分在附图中示出的实施例更详细地阐述本发明。
在附图中：
图1：示出一些有机物质的消光(n＝1.43)；λ＝532nm；x＝粒度[μm]；y＝散射横截面[任意单位]
图1a：示出测量方法的光学基本原理；
图1b：示出样本空间中的几何关系；
图2a：示出流体动力学聚焦；
图2b：示出鞘流池；
图3a：示出在设备和外部软件SepView内的电子图表和数据流；
图3b：示出用于运行和用于数据处理的电子组件；
图4：示出粒子的模拟的单独脉冲和针对用于可能的脉冲区分的脉冲形状的示例性的表征性的定量特征作为用于人工或者自动化地分类颗粒特征的基础；
图4a：示出沿着由不同尺寸的聚苯乙烯颗粒组成的混合物的前向(左)和侧向(右)方向同时地探测散射光的测量结果；
图5：示出聚苯乙烯颗粒的浓度确定和聚苯乙烯微米颗粒和金纳米颗粒的计数速率；
图6：示出用于计算粒度分布的典型分析流程的基本顺序；
图7：示出聚苯乙烯颗粒的散射光曲线；n＝1.59；接收角范围：4°-12.33°；λ＝532nm；
x＝颗粒直径[μm]；
y＝米氏散射光强度[任意单位]；
图8：示出聚苯乙烯颗粒的散射光曲线(不同接收角范围)；λ＝532nm；n＝1.59；a：4°-12.33°；b：5°-12.33°；c：6°-12.33°；d：8°-12.33°；
x＝颗粒直径[μm]；
y＝米氏散射光强度[任意单位]
图9：示出具有假设的折射率n＝1.8的颗粒的散射光曲线；(不同接收角范围)λ＝532nm；a：4°-12.33°；b：5°-12.33°；c：6°-12.33°；d：8°-12.33°；
x＝颗粒直径[μm]；
y＝米氏散射光强度[任意单位]；
图10：示出具有假设的折射率n＝1.46的二氧化硅的散射光曲线(不同的接收角范围)；λ＝532nm；a：4°-12.33°；b：5°-12.33°；c：6°-12.33°；d：8°-12.33°；
x＝颗粒直径[μm]；
y＝米氏散射光强度[任意单位]；
图11示出具有假设的折射率n＝1.47的二氧化硅的散射光曲线(不同接收角范围)；λ＝532nm；a：4°-12.33°；b：5°-12.33°；c：6°-12.33°；d：8°-12.33°；
x＝颗粒直径[μm]；
y＝米氏散射光强度[任意单位]
图12：示出具有假设的折射率n＝1.46的二氧化硅的散射光曲线；选择的颗粒直径(不同的接收角范围)；
λ＝532nm；a：4°-12.33°；b：5°-12.33°；c：6°-12.33°；d：8°-12.33°；
x＝颗粒直径[μm]；
y＝米氏散射光强度[任意单位]
图13：示出具有假设的折射率n＝1.47的二氧化硅的散射光曲线；选择的颗粒直径(不同的接收角范围)；λ＝532nm；a：4°-12.33°；b：5°-12.33°；c：6°-12.33°；
d：8°-12.33°；
x＝颗粒直径[μm]；
y＝米氏散射光强度[任意单位]；
图14示出具有假设的折射率a：n＝1.47和b：n＝1.46的二氧化硅的散射光曲线(侧向散射)；选择的颗粒直径范围；λ＝532nm；半张角：10.02°；
x＝颗粒直径[μm]；
y＝米氏散射光强度[任意单位]；
图15：示出具有假设的折射率a：n＝1.46和b：n＝1.47的二氧化硅的散射光曲线(侧向散射)；选择的颗粒直径范围；λ＝532nm；半张角：10.02°；
x＝颗粒直径[μm]；
y＝米氏散射光强度[任意单位]；
图16：示出2D图：折射率作为粒度的函数；
n＝折射率；
x＝粒度
图17：示出2D图：球面性作为折射率的函数
AI＝非球面性指数；n＝折射率
图18：示出分散在空气中a：n＝1.0和水中b：n＝1.335的二氧化硅颗粒的散射光强度(侧向散射)；张角：10.02°；
x＝颗粒直径[μm]；
y＝米氏散射光强度[任意单位]
图19：示出在激光束方向上观察到的具有颗粒的测量区的原理示意图；粒子的流动方向由箭头表示a)体积散射光设备；b)单粒子散射光光度计，具有激光聚焦和成型，不具有流体动力学聚焦，和c)具有流体动力学聚焦；
图20：示出通过光阑(深灰色的圆)阻挡散射光辐射；具有消光信号的激光器初级光束(浅灰色的圆)穿过孔径光阑；
图21：示出552nm的聚苯乙烯胶乳的消光测量(带有背景校正)；
X＝多通道分析仪上的通道数；
Y＝消光[任意单位]；
图22：示出不同尺寸的聚苯乙烯(PS)和三聚氰胺树脂颗粒(MF)的混合物的消光
a：0.815μm PS；b:1.05μm PS；c:1.3μm MF；
X＝多通道分析仪上的通道数；
Y＝消光[任意单位]。
发明描述
1.单粒子光度计的测量装置
以下将示例性地阐述本发明的技术实现。
光学测量结构：
图1a以俯视图(z方向)显示了聚焦于光学器件的测量装置的典型结构。按照本发明的装置包括：至少一个用于产生至少一个激光束3的激光器1，至少一个例如用于使激光束3成型并且构造焦点几何形状16(参见图1b等)的光学输入模块2，鞘流池5，有利地具有流体动力学聚焦，在所述鞘流池中通过激光束3产生前向散射光束6和侧向散射光束7，处于前向散射光束6中的光学输出模块8和处于侧向散射光束7中的光学输出模块9，
半透的镜子10，
摄像机12，光电倍增器11a、11b，其中，借助光电倍增器11a、11b针对不同数量的张角或者接收角执行散射光测量并且由前向散射光束6的和侧向散射光束7的所确定的散射光强度通过分析算法确定颗粒特征。
光源1理想地是稳定的单色的、强度可控并且短波长的激光器，其具有例如为100mW的功率。也可以使用其它的光源和设计方案。按照本发明，可以使用可见的和近紫外和近红外的范围的所有波长。波长越小，可以测量的粒子就越小。不同的或者多个激光器的耦合也可以通过光学模块2或者借助相应的光学构件通过光束3实现。光学模块2用于构造例如椭圆形的焦点几何形状(图1b中的16)，所述焦点几何形状既能够容忍测量体积中的相同光强度也能够容忍颗粒的较小重合。这两种方式也可以集成在一个模块中。入射的或者散射光束也可以通过光导体“导引”，这例如对于结构的小型化是有用的。微光学构件的使用是特别有利的。入射的光束3聚焦在鞘流池5中的单颗粒流4上。应该注意的是，测量单元的边缘不会被初级辐射的相关部分碰到，以便将背景辐射最小化。
图1b显示了作为从侧面散射7(y方向)观察到的局部的关系。通常可以这样选择焦点几何形状，使得其宽度(x)大于颗粒流的直径。这例如可以通过模块2中的相应透镜的组合和/或通过使用光阑来实现。此外，可以使用光学模块2这样构造焦点，使得激光强度在光学测量体积(光学传感区)中在颗粒流的横截面(y方向)上是尽可能均匀(恒定)的。如果不是这种情况，则可以通过测量与位置相关的激光强度或者通过以非常单分散的颗粒进行标准化测量来测量偏差。粒度分布可以借助确定的强度与位置的相关性通过校正因子以及假设颗粒在统计学上均匀分布在流动路径21中来校正，参见图2b。
当一个颗粒穿过激光焦点时，光被散射到空间中。示例性地示出用于激光焦点中的粒子的前向散射6和侧向散射7的光学模块8和9。所述光学模块将光会聚，(例如通过束阑)隐去直射光束(只针对6)，包含接收光学器件并且将散射在特定区域中的光聚焦在例如光电倍增器11a、11b上。根据测量要求，光电倍增器可以是相同的或者在功能上针对不同的辐射角度适配。也可以使用例如光电二极管和雪崩二极管(雪崩光电二极管)。半透的镜子10通过摄像机12使得对光路的调整更容易。通过摄像机评估测量区中的散射粒子流的图像的清晰度及其相对于孔径光阑的位置。只有当孔径光阑边缘和散射光信号显现得“清晰”时，测量体积的图像才能通过尽可能小的光阑缩窄。因此隐去一部分背景辐射。此外必须确保光阑不遮盖粒子散射图像的任何部分，以避免由此导致的TGV变宽和颗粒浓度误差。
按照本发明，可以在接收光学器件(物镜)之前或者之后，在前向散射光束6中依次地插入相同或者不同地成型的“束阑”(例如具有不同直径)，或者恒定尺寸的光阑可以在发散的散射光锥(或者聚焦锥)中移动，以便由此实现不同的接收角范围。也可以组合分别覆盖不同角范围的环形探测器。具有不同半径和束阑的环形探测器也能够例如在一个构件中布置在具有配属的辐射接收器的四个象限中。由此，为了实现不同的接收角不需要例如机械地放置“束阑”。
对于高计数准确性重要的是，分别只有一个颗粒通过由聚焦的激光束检测的测量体积。这实际上对于被液体携带的颗粒可以通过测量样本的流体动力学聚焦并且对于被空气携带的颗粒可以通过测量样本的空气动力学聚焦来实现。与颗粒浓度相关的最大样本体积流量可以通过文献(Analytical Chemistry,1987,59(6)，846-850，DOI:10.1021/ac00133a013)中的方法来估计。
图2a显示了典型的流动布置结构(流体)，其具有竖直定向的鞘流池5，所述鞘流池具有流体动力学聚焦。鞘流池5通常设计为直平行六面体形(外部尺寸例如为10mm x 10mm，高度例如为30mm，其它尺寸也是可行的)并且由高度透明的材料(例如石英玻璃)组成。内部横截面例如为1500μm x1500μm或者200μm x 200μm。也可以使用其它的几何形状和横截面。鞘流池5还具有用于鞘流(包络流)的流入部13和样本流入部14以及流出部15。鞘流13从贮存容器17通过压力产生装置18受控地且无脉动地被输送。这例如通过所产生的可调节的重力压力差来实现。流入区域13、5中的特殊的几何形状可以用于稳定层流。样本流19通过体积受控的、可校准的注射泵20提供，所述注射泵例如具有0.5ml-2ml的标称体积。也可以使用更大和更小的输送体积。应该强调的是，由此使得流经测量单元的所有分散的粒子都被分析，而不是如在EP2 388 569 A1中说明的那样只有一小部分被分析。为了将样本量最小化，例如最小化至80μL或者400μL、优选250μL，可以在输入管路14中集成附加的端口，例如用于不同体积的汉密尔顿注射器和相应地设计尺寸的样本环。鞘流池5(参见图2b)中的流动路径21的横截面可以根据已知的样本计数值或者在实验开始时记录的样本计数值通过鞘流与样本流之比在范围较宽的限制内人工地或者自动化地被调节，例如可以将样本流的直径(4，图1b)可变地从5μm调节至30μm的直径。
根据文献(Analytical Chemistry 1987 59(6)，846-850，DOI:10.1021/ac00133a013)中的方法，样本流直径可以根据用于鞘流和样本流的两个流速来计算。由此，例如在激光束高度为15μm(示例性地假设为椭圆形的光束横截面(16)的较小半径)并且测量单元中的样本流量例如为0.3μL或者1.2μl的情况下，几何光学测量体积分别为10pL或者295pL。这些值按照本发明通过可变的应用流体学既能够调整为较小的体积、例如用于改变针对较小的纳米粒子的测量灵敏度，也能够调整为较大的体积、例如用于减少测量时间。由此，例如在10000倍浓度范围内的样本的原始浓度可以根据任务地只通过样本和/或者鞘流的合适流动速度来测量，而无需稀释和改变机械布置或者鞘流池几何形状。在例如样本流速为(300-1200)nL/min并且浓度为每毫升109个粒子的情况下，通常可以尽可能在实践中无重合地测量并且以小于1％的相对误差非常准确地记录颗粒数量。由此，通常例如能够通过单颗粒探测分析颗粒浓度至少为每毫升109个颗粒的样本。为了实现三十至四十的范围内的必要的较宽的尺寸测量范围，鞘流池5和应用流体学在结构上设计和实现为，使得鞘流13的输入和样本输入14可以从上方或者从下方实现。因此，防止了由于较大粒子的沉降或者较大液滴的乳化而造成的计数损失。附加地或者替代地，也可以在样本输入管路系统中使用诸如一个或多个混合器的装置，以便没有粒子损失地将样本输入到鞘流池5中。
代替流体动力学聚焦，在鞘流池5的中心处的颗粒的测量体积4中的声学集中也是可行的。
通过用于从反应器或者管道中按顺序地取样并且经由14输入样本的特殊装置，还可以在一定程度上在时间上连续地测量例如制造过程(在线)。有利的是，通过光学传感器或者其它合适的测量传感器检验初级的原始粒子浓度，并且如果从所述工艺中提取的初级样本的原始浓度过高，则通过可校准的混合器实现一个或多个稀释步骤，并且将它们从技术上并且以标准运行程序(SOP)地例如软件辅助地通过相应的软件(例如SEPView)集成到整个测量系统中并且包含在浓度计算中。
入射的激光束3透射鞘流池5并且与样本流21中的流体动力学或者空气动力学地分离的颗粒相互作用。散射辐射(例如前向光束6和侧向光束7)离开鞘流池5。原则上，例如也可以使用两个不同的激光器，所述激光器具有平行的或者例如错开90°的入射光束3，以便改善针对各个单独应用的测量分辨率。实际上，在平行的入射光束3的情况下，关于鞘流池5的高度差非常小，但没有产生两个光束的相互作用。用两个激光器记录的散射事件的强度-时间曲线必须相应地同步。
空气动力学聚焦的结构类似于流体动力学聚焦的结构。气溶胶射束被洁净空气罩包围并且受到样本体积流量与空气罩的包络流体积的比率以及鞘流池5中的吸嘴的形状的限制。
由于非球面形地成型的激光束(参见16，图1b)，本发明的特征在于，与球面形聚焦的激光束的通常出现的高斯分布(参见EP 2388569 A1)相比，在光束横截面上的强度相关性非常低。在图16中示例性地显示的椭圆形的光束横截面中，可以通过较大的轴比在光学测量范围内实现足够均匀的激光强度。另一方面，可以在激光器1的初级光束的强度分布已知的情况下通过对光学比率的模拟计算或者基于对所检测的测量流中的强度分布的实验确定，例如通过在测量范围上的积分和确定与恒定强度分布的偏差因数，来校正在技术上实现的强度曲线并且因此获得精确的粒度分布。
为了将测量系统的灵敏度扩展到较低的纳米范围，尤其需要减小光学测量体积并且使光学范围内的构件表面的散射辐射最小化并且使用低噪声的激光器1。具有集成的微光学器件和最小化的出射窗的封装的激光模块(1、2)可以明显减少不期望的散射辐射。
按照本发明的用于改善噪声信号比的解决方案也用于鞘流池5以及散射光束探测光学器件的区域中。在鞘流池5中，例如只将用于辐射的必要的入射或者出射窗口设计为透明的。这例如可以通过使用不同的透明玻璃或者部分涂层的内壁来实现。在探测光学器件(例如8、9、10、11a和11b)的区域中，也可以使用附加的光学构件，例如多级衍射光学元件或者吸收涂层，例如
电子结构：
图3a概述了按照本发明开发的电子结构的主要功能元件，该电子结构基于具有操作界面BO、引导介质、由一个或多个FPGA支持的至少一个微控制器和快速大容量存储器(例如SSD)的嵌入式板。图3a还反映了网络的基本原理以及基于PC或者服务器的软件SEPView与电子结构之间的信息流，其实现了双向的实时高速通信。
在图3b中例如针对两个散射光传感器示例性地示意性示出最重要的处理信息的电子组件，所述散射光传感器的散射角或者张角可能不同。更明智地同样需要规定其它传感器的使用，例如也用于温度、流速、储存容器的填充水平、激光强度、光学调节、摄像机等。
由单颗粒发射的强度脉冲的由传感器提供的模拟信号首先由具有自动切换功能的低噪声的、有利地为线性的两级放大器放大并且随即通过模数转换器被实时地数字化。与随着粒度而强烈降低的散射强度相应地，可以使用带宽非常宽、例如120dB的放大器。这些放大器设计为，使得记录的传感器散射事件能够以非常可变的频率(时钟频率)、例如从20Hz到10kHz、有利地以直至50-100kHz范围内的非常高的频率被处理，以便在较短的测量时间中一下就可以获得在统计学上可靠的计数事件(相应尺寸等级的颗粒的数量，例如从80nm到100nm)，并且另一方面也能够，特别是对于浓度确定，排除样本在测量期间例如由于沉降或者颗粒-壁的接触产生变化的可能性。另一方面，由此也可以测量分散相的快速变化，例如溶解行为或者聚集速度。为本发明开发的放大器既可以在线性模式(用于高分辨率的脉冲或者单模态颗粒)中也可以在对数模式(在多个数量级上的宽分布)中运行。
为了实现针对脉冲分析的高分辨率，可以使用具有例如20至24位和0.1至25MS/s、有利地1-5MS/s的采样速率范围的AD转换器。
在数字值的预处理中，非常短的干扰脉冲和无效的转换器结果通过特殊的算法被过滤掉并且摒弃。在此也应该实现偏置处理。
一种特殊的脉冲识别电子器件/固件实时地分析数字化的数据流并且识别出能被分析的脉冲。无效的脉冲被摒弃。无效的数据主要包括太长的脉冲、太短的脉冲或者低于触发阈值的脉冲。在将有效的脉冲数字化之后，在FPGA中实时地确定相应的单颗粒的脉冲特征值，例如脉冲的最大值、强度(图4a)、脉冲的持续时间和每个颗粒在脉冲信号下的面积。具有例如100个支持点的、包括可调节的时间提前量的数字化脉冲以及所确定的特征参量被保存或者实时地传输到嵌入式板并且以高度灵敏的方式被分类为多达106个Bin。通过BO(操作界面)，可以有利地在例如10至106之间选择Bin的数量并且因此可以任意地组合颗粒类别。对脉冲的分类实时地显示在BO上。附加的起辅助作用的电子器件提供用于脉冲识别和传感器调节的参数。这些SOP参数由SEPView服务器请求或者通过BO创建并且从嵌入式板传输到电子器件。不同传感器的所有数据流都具有时间戳并且允许在可视化显示和分析方面进行同步。
软件：
第三个组件是
记录器。它从
-Explorer启动，相应于由用户例如从服务器接收的SOP或者通过BO专门编程的SOP地控制整个测量，可视化地显示同步的散射光脉冲，例如针对不同的张角或者散射光方向以及实时指定的测量参数，并且记录处理后的SOP、所有功能状态和测量数据。通过客户端-服务器架构使得管理的、程序上的和分析的层级彼此脱耦，并且能够以这种方式与相应的客户流程适配并且实现分布式协作。
图4显示了针对具有从143nm到3000nm(对数视图)的标称直径范围的单模态颗粒类型(材料：聚苯乙烯)的混合物的、在前向方向(左)和侧向方向(右)上对单颗粒散射的同时记录的典型结果。按照本发明，同时地以及在测量腔室几何形状没有任何改变/调整的情况下测量具有相同SOP的混合样本的不同尺寸的颗粒。为了改善的分析，例如将前向和侧向散射也显示为二维图(轴：前向(Y轴)相对侧向(X轴)或者反之亦然)。每个粒子由此对应于图形中的一个点，该点量化了所选择的散射或者消光通道中的测量强度。点密度对应于具有这些特征的粒子的相应数量。因此也能够有利地探测不同材料的相同尺寸的颗粒以及被涂层或者未被涂层的粒子。
图5(左)显示了尺寸为726nm的聚苯乙烯颗粒的浓度的确定结果。显示了针对5次重复(测量时间分别为1分钟)的具有标准差的平均值。平均浓度为每微升108960+/-640个颗粒。标准偏差只为0.6％并且证明了所开发的方法的较高的计数稳定性。图5(右)显示了聚苯乙烯(80nm)和金纳米颗粒(50nm)的纯计数速率。如可以看出的那样，本发明的解决方案即使在大约9000Hz(事件/秒)的非常高的计数速率下，也能够在测量时间(在附图示例中为一分钟)内记录恒定的、无漂移的计数值。因此，在校准输送测量样本的注射泵之后，所建议的方法能够非常有效地确定微米量级并且尤其是纳米量级的分散颗粒的浓度(每毫升的颗粒数)。
图6显示了样本测量的下游分析的分析步骤顺序的可能性，用于通过按照本发明的测量方法计算颗粒参数(在此例如是粒度)。
2.实施例
以下示例性地呈现并且更详细地阐述本发明的用于确定颗粒特征参量的解决方案的各个单独的实施例。以下所有计算均以532nm的激光波长为例。其它波长、例如NIR、SL或者UV也可以使用并且能够改善用于所选择的应用情况的分辨率/灵敏度或者动态测量范围。因此，减小波长可以实现对更小颗粒的探测并且增大波长可以实现对更大颗粒的探测，而不会进入米氏理论的不明确的区域。颗粒通常分散在水中。然而，根据用于应用流体学的材料和光学要求，也可以将任何液体、溶液、溶剂等或者气体用作载体介质。对于特定的应用情况，例如可以通过液体的选择提高折射率对比度，并且因此将对纳米粒子的探测移动到个位数的纳米范围内，或者能够实现针对尺寸差异非常小(例如<5nm)的颗粒的分辨率。
对于描述本发明所必需的散射光曲线是根据米氏理论针对示例性粒子计算的。计算在颗粒直径为10μm时中断，因为该尺寸范围足以阐述按照本发明的事实。根据数量和角范围选择的用于散射光测量的接收角是任意选择的并且可以任意地调整。10.33°是例如非商用的光度计的上部的固定临界角，为了简单起见使用这个角。
对于下部的可变的接收角极限，针对示例性计算选择了四个角。
5°、6°和8°，因此可以根据分析的需要使用
和10.33°之间的角范围。应该强调的是，这些角可以非常可变地设置。在相应的光学布置中，下部的临界角也可以小于1°。
a)扩大散射光测量的应用范围，以用于在折射率已知的情况下确定微米量级粒子的尺寸。
“通常”使用所谓的前向散射来确定落在瑞利散射范围之外的粒子的尺寸并且在特定的角范围内测量强度。由于散射光强度作为粒子尺寸的函数首先单调地增加，但对于更大的粒子具有最大值和最小值(图7-13)，并且因此不允许实现与粒度的明确对应分配，所以针对从几微米起的尺寸级别的分散体，不能根据其光学特性明确地确定尺寸。
如图7所示，常用的参考颗粒(聚苯乙烯)的粒度例如在张角为4°-10.33°的情况下直到直径为1.17μm时才能明确地确定。散射光强度在图7中则在I＝1.2处。在散射光强度稍高的情况下，2.36μm的粒子直径根据米氏理论也是可行的。按照本发明，通过在多个角范围内的测量消除了这种不明确性(图8)。
在散射光强度例如为I＝2的情况下，可以根据图8在4°-12.33°的角范围内读取1.20μm、2.05μm和2.63μm的粒度。为了解决不明确性，例如可以将6°-12.33°的角范围用于附加的测量(图8)，以便确定颗粒的实际尺寸。在这个角范围内，基于米氏计算的散射强度针对在4°-12.33°的角范围内确定的可能粒度为1.59(1.20μm)、1.04(2.05μm)和1.34(2.63μm)。强度差异足够大，因此可以将明确(正确)的直径对应分配给颗粒。如果在实验中针对第二角范围测量到例如为1.04的强度，则粒度为2.05μm。如果针对第二角范围确定的强度与计算不一致，则可以合理地推测观察到的颗粒是非球面形的。脉冲形状的准确测量和分析可以量化这种光学颗粒特征。除了瑞利-德拜-甘斯理论(只适用于有限的应用)之外，其它关于非球面性的理论(例如离散偶极子近似)也可以用于获得具体的定量参数。
当在4°-12.33°的角范围中测量之后，可以在4.0μm-5.0μm的粒度范围中类似地进行。在此适当的是角范围6°-12.33°和8°-12.33°的组合。同样可行的5.9μm的粒度由后一条曲线决定。在此，如果颗粒具有这个直径，则测量到的强度应为3。
作为其它示例，在具有折射率为1.8的颗粒的分散体中研究I＝14的散射光强度(图9)。
在4°-12.33°的角范围内，可能的颗粒直径为8.1μm、8.5μm和9.0μm。为了消除不明确性，按照本发明必须在第二角范围内进行测量。在6°-12.33°的角范围内，相应的强度为6.6、9.5和10.1。如果9.5和10.1之间的差异显得不足以确定，则可以使用8°-12.33°的角范围。强度在此为4.8和7.1。这些示例还表明，由理论性的米氏计算可以识别出，在第一次测量之后哪些角范围仍可以用于实验决定。
此外可以良好地识别出，对于直径大于10μm的粒子，在此考虑的四个角范围内的散射光曲线彼此差异更大，因此能够更容易地实现对应分配。
b.同时确定粒度和折射率
本发明说明书的这个部分针对相应粒子的折射率未知的情况扩展了应用a)，用于同时以实验确定折射率和粒子尺寸。
原则上，在a)中描述的方法保持不变。在实施例a)的四个任意选择的接收角范围内已经不存在针对不同的折射率和粒子尺寸在角范围内具有相同值的散射光强度的四个矩阵。如果散射强度的在实验中存在的测量误差大于要求的精度，在此还可以使用更宽的角范围(例如小于4°)，或者如图1a所示的那样，附加地同时将侧向散射、例如以90°角侧向散射用于确定颗粒参数。
在此，如在已经阐述的示例中那样，在强度值不一致的情况下，必须推断出颗粒不是球形的，例如可以通过脉冲形状分析进行量化。
物质的大量颗粒的折射率由于制造而不同，例如对于SiO2(孔隙率)的情况。通过所建议的发明，可以确定被分析的颗粒(在此为二氧化硅)之间即使很小的折射率差异。这将示例性地显示在针对n＝1.46和n＝1.47的相应散射光曲线上。
对于大于3μm的颗粒，对应分配是没有问题的(图10和图11)。例如图10和11的叠加证明了强度在角范围之间是足够不同的。
现在描述按照本发明地针对任意选择的直径、例如2μm和0.5μm为具有未知尺寸的粒子明确地对应分配折射率，其中，为了简单起见，示例性地也以SiO2为出发点(图12和图13或者图14和图15)。
如图12所示，具有2.00μm的直径和n＝1.46的折射率的颗粒例如在4°-12.33°的接收角范围中具有根据米氏理论的散射强度I＝5.60。然而，产生了两种含义，因为具有n＝1.47的折射率的粒子在颗粒直径为1.95μm时也具有这种强度(图13)。如果附加地使用8°-12.33°的接收角范围，则具有2μm的直径和n＝1.46的粒子以I＝1.84的强度散射(图12)。强度比为3.044。在假设折射率为n＝1.47的情况下，产生I＝1.91的散射强度(图13)并且强度比为2.93。侧向散射也可以附加地用于验证/确认所确定的折射率(图14)。
为了计算侧向散射的米氏强度，例如假设在图1中描绘的光度计在λ＝532nm时的半张角(10.02°)。
在颗粒直径为2.00时，散射光强度计算为I＝0.00116。具有n＝1.47和1.95μm的直径的颗粒的散射光强度大了约20％(I＝0.00133)。一般地可以确定的是，对于具有约为k小于或者约等于20的尺寸参数的粒子，可以使用侧向散射。尺寸参数k计算如下：
k＝πn x/λ
x：颗粒直径
n：连续相(分散介质)的折射率
λ：真空中的辐射波长
现在将针对示例性尺寸为0.5μm的颗粒显示尺寸和折射率(1.46或者1.47)的确定。在8°-12.33°的角范围内测量到强度I＝0.00765。这对应于0.500μm(n＝1.46)或者0.487μm(n＝1.47)。在此处考虑的针对前向散射的其它三个接收角范围中，相应的强度只相差约1％。借助在90°角下的侧向散射，根据图15得到：I＝5.68 10-5(0.500μm；n＝1.46)或者I＝5.91 10-5(0.487μm；n＝1.47)。强度差异大到足以能够做出决定。
当在4°-12.33°的范围内进行起始测量时，应该注意在此也可能如在测量中常见的那样出现测量不准确性。
一般来说要求的是，对散射光曲线强度的测量精度的要求由散射光强度变化与粒度的相关性来确定(例如图14)。对于散射强度与粒度的较大相关性(斜率，例如在尺寸范围(0.70μm-0.75μm)内的图15)，可以忽略百分之几的误差。
如果未达到必要的测量精度，则例如考虑附加的角范围。
粒子越小，接收角范围内的强度差异越小。在瑞利范围内所述强度差异不再存在。
在颗粒具有大于SiO2(n＝1.46-1.47)的折射率的情况下，对于小粒子(约0.5μm)，尺寸和折射率的确定往往更容易。
针对每个粒子确定的折射率将根据尺寸进行排序或者分类，并且针对所测量的总群产生折射率这个特征的基于数量的分布。如果针对每个颗粒将折射率与相应的散射强度或者由此确定的粒度记录在2D图中(也参见图16)，则可以在整体中识别出亚群，并且可以推断出测量样本中的颗粒类型的均匀性。
原则上也可以确定消光系数(n”)。由于出现另一个变量，因此必须使用更多的接收角进行测量，以便在增加的不明确性之间做出决定，因为由此明显提高了可能的组合的数量。
对于本发明来说，以哪种方式实现不同的接收角范围是不重要的。
在光度计中，可以在接收光学器件(物镜)之前或者之后，依次地插入不同直径的“束阑”。尺寸恒定的光阑可以在发散的散射光锥(或者聚焦锥)中移动，以便由此实现不同的接收角范围。
也可以组合分别覆盖不同角范围的环形探测器。也可以在圆形扇段中引入不同的光阑。由此必须分开地和单独地以实验检测针对已实现的布置的散射光强度，例如使用反射棱镜或者针对位置灵敏的光电倍增器。有利地，按照本发明省略了在先前示例中描述的在其它角范围内的重复测量，这有利地减少了实验耗费并且通过针对相同颗粒同时测量不同的角范围提高了测量精度。
原则上，也可以使用多个装置。然而，即使在相同的设备技术结构、相同的调整和校准的情况下，也需要以较低的分级精度为出发点。
c).在单粒子散射光光度计的情况下的球面性确定
除了折射率之外，颗粒的光学特性还通过其几何形状(例如球形、棱柱形、椭圆形、圆柱形或者不规则形等)决定。最常用于使用光散射确定粒度的米氏理论只适用于球形颗粒。由光散射理论已知的是，体积相同的球面形和非球面形的颗粒的散射行为不同。
使用在a)和b)段中公开的方法无法描述非球面形的颗粒。如果还是应用了所述方法，则理论米氏散射强度对于不同的散射角和张角将不一致。另一方面，这意味着被研究的颗粒将被定性地分类为非球面形。对此已经在a)和b)段中多次指出。对于两个(或者更多)张角计算的理论米氏散射强度的比率与在相同张角下以实验确定的散射强度的比率之间的例如百分比差异可以被定义为定量的“非球面性指数”(AI)。以其它方式定义的度量也是可行。以类似的方式，可以由针对两个散射方向的强度的理论计算和针对相应散射方向的以实验确定的强度比来确定“非球面性指数”。
本发明的解决方案还允许使用第二个程序来确定粒子的“非球面性”。为了确定球面性，在粒子通过测量体积(图lb)期间由散射光设备测量并且实时地分析或者保存散射光脉冲的整个随时间的强度变化曲线。散射强度的随时间的变化曲线的保存和接下来的分析同样是可行的。
如果已知激光焦点中的强度分布，则可以由在粒子通过激光焦点时确定的实验的强度变化曲线和通过反卷积推导出粒子的球面性。
此外，按照本发明可以由根据米氏(球体假设)确定的参量的比较并且在考虑实验校准的样本体积流量的情况下计算粒子的理论脉冲持续时间。针对每个粒子在高分辨率数字化之后通过实验测量的脉冲持续时间(图4a)与理论计算的球等效时间段的比较按照本发明也能够探测较小的偏差并且因此以高分辨率量化非球面性。
由此定义的定量的颗粒几何特征将根据强度或者也根据尺寸进行排序，并且产生该特征在所测量的总群中的基于数量的分布。如果针对每个颗粒记录“非球面性指数-AI”与散射强度或者由此确定的粒度，则可以量化“AI”在样本中的分布或者识别样本整体中的可能的亚群。除了根据米氏确定的粒度之外，还可以根据所确定的折射率记录分布。图17由此表明，分散相由两个具有不同折射率的颗粒亚级分(不同的材料或者不统一的核壳颗粒)组成并且具有较低折射率的级分关于非球面性指数具有明显更强的散射。
应用示例a)至c)被描述用于流体动力学聚焦，因为在此由于明显较低的散射光强度(与空气-颗粒相比，液体-颗粒的折射率对比度较低)所带来的方法技术上挑战明显更大。然而，针对空气动力学聚焦的应用原则上遵循相同的创造性解决方法。尤其是测量极限将有利地移动到明显更小的粒度、直至个位数的纳米范围，因为折射率对比度增加了多倍并且信号噪声的比例由于更大的散射光强度而明显最小化。这一事实在图18中针对空气中(n＝1.000)和水中(n＝1.334)的二氧化硅颗粒示出。20nm的颗粒具有约100倍的散射光强度。
d)具有流体动力学聚焦的消光模块。
a)-c)下的发明还具有省去带有误差的消光测量(弗劳恩霍夫近似解)的创造性任务。然而，如果通过所描述的方法和计算对非球面形颗粒仍有疑问，则适宜的是回归到消光测量。
为此，可以在鞘流池5之后、在束阑之前使初级射束偏转并且如已知的那样进行分析。
以下描述的解决方案显示了第二种用于省去额外的测量臂并且将测量极限移动到更小的粒子尺寸的可能性。
测量范围向更小粒子的扩展与已知接收器的灵敏度相反，所述接收器应该在粒子通过相对较大的测量区的情况下从较大的光量中识别小的时间上的光损失(负的光脉冲或者“消光信号”)。
试管中的光源(优选为激光1)的恒定光强度与消光信号的比率特别不利于测量较小的粒子。
流体动力学聚焦有助于改善所述比率，与现有技术不同，所述流体动力学聚焦减小用于消光信号的原始测量区，方式为整个测量区通过光学装置这样成像在光阑(优选为孔径光阑或者矩形光阑)上，从而只有具有消光信号的区域没有被这个光阑遮挡，然后将所述消光信号导引到接收器上。因此，处于流体动力学聚焦的粒子旁边的光在图像空间中大部分被阻挡。测量区现在只由颗粒流直径确定，而不是由试管中的整个照明区域确定。
通过这种布置(图19)，可以将能够测量的较低粒度扩大到更小的直径。
在a)中，粒子充满或者流过整个焦点。在b)中，必须不利地以强烈减小的粒子浓度来工作，以便确保记录单颗粒，因为重合情况与测量体积成比例地出现。由于流体动力学聚焦，在c)中可以测量更高的浓度(例如直至每毫升1010个颗粒)。可能的粒子流由虚线标记。粒子流之外的区域被遮挡。
通过这种结构产生的任务就是将粒子流的图像(即消光脉冲)精确地设置在孔径光阑或者矩形光阑中，以便脉冲也可以由接收器记录(在光学上，较小粒子的亮度波动在穿过激光束时太弱，以致于无法用摄像机识别出它们)。目标可以要么通过在使用散射光光度计装置(类似于图1a)的情况下预先调整并且接下来移除物镜上的光阑，要么通过借助x、y调节(即垂直于激光束传播地)将孔径光阑移动至对于参考胶乳的最大消光偏转来实现。一般来说，消光测量的缺点是大部分前向散射也会撞击到接收器上并且削弱消光脉冲。可以通过在光路中、在上述调整之后在物镜之后插入的孔径光阑来消除这个散射光脉冲的一部分，该孔径光阑只允许初级激光束通过(图20)。这种布置尤其对于确定小粒子的尺寸是有效的。
通过上述实验结构，可以良好地相对于噪声水平分辨出直径为0.726μm的聚苯乙烯颗粒。如果在数学上通过合适的平滑算法在很大程度上抑制噪声水平，则(0.55和0.50)μm大的PS和SiO2颗粒可以在原始光谱中被识别为肩峰地被良好地记录(图21)。通过低噪声的电子器件可以预期的是，能够进一步移动可实现的颗粒测量范围。
尺寸范围为0.8μm至1.3μm的3种不同胶乳的混合物(图22中的峰a、b和c)能够以良好的分辨能力被分开。
为了更精确地计算颗粒直径(无弗劳恩霍夫近似解)，以球形的形状和已知的折射率为前提。通过上述光度计，这些计算也可以在没有扩展的校准曲线的情况下只通过测量尺寸标准进行，因为散射辐射也到达探测器的角范围是已知的。通过计算由已知的入射角入射的散射光辐射，可以更精确地计算颗粒直径。
为了简化粒子尺寸确定或者首先使其成为可能，颗粒必须遇到几乎恒定的激光强度。因此，可能需要通过移除在光源之后的起作用的透镜来增大激光焦点。
现有的单粒子散射光光度计(根据图1a)可以通过上述修改扩展为组合的设备。本来就存在于物镜(或者入口透镜)之前或者之后的用于阻挡初级光束的光阑被用于调整，然后以合适的方式(例如通过折叠)从光路中移除。将用于减少散射光信号的孔径光阑放置在光路中(必须将其移除以进行调整)。
具有消光信号的初级光路要么在例如通过光学的中性滤波器减弱之后被转向到光电倍增器上，要么偏转地、可能不需要滤波器地被转向到其它接收器上。
Claims (17)
1.一种用于通过多参数地检测消光和/或散射光信号确定测量样本中的微米量级和亚微米量级颗粒特性的方法，其特征在于，每个单独分散颗粒的散射光和消光信号在至少两个空间角范围中以较高的探测速率(频率)被计数并且同时被测量，模拟地或者数字地与针对不同的空间角范围通过分析或者数值的方法实现的散射光分布的模拟计算进行比较，以便由此即使针对测量样本的较高颗粒浓度(例如109颗粒/毫升)也无重合地在具有四个尺寸量级的动态粒度范围中确定个体的颗粒特征参量。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，针对前向散射使用不同的张角或者针对散射光测量使用多个探测方向以及它们的任意组合。
3.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在颗粒具有大于或者约等于20的尺寸参数k的情况下，针对前向散射使用不同的张角。
4.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在颗粒具有在不同接收角中(尤其是尺寸参数k小于或者约等于20)几乎不能区分的前向散射光曲线的情况下，使用具有不同灵敏度的沿着侧向方向的多个探测方向。
5.按权利要求1至4中至少一项所述的方法，其特征在于，借助米氏理论的模拟计算或者数值模拟计算与相应的光学结构协调一致地执行并且由理论与实验散射强度之间的比较消除关于粒度的不明确性并且因此也可以测量直至100μm的微米量级的颗粒。
6.按权利要求1至5中至少一项所述的方法，其特征在于，通过针对不同的张角和/或空间角范围检验颗粒脉冲的模型化的并且以实验确定的强度的一致性，来确定光学的颗粒特性、例如尺寸或者折射率。
7.按权利要求1至6中至少一项所述的方法，其特征在于，当在角范围中测量的散射光强度与相应颗粒的可能的理论强度矩阵不一致时，推断出非球面性并且借助非球面性指数量化。
8.按权利要求1至7中至少一项所述的方法，其特征在于，在单颗粒散射的情况下，由具有已知折射率的颗粒的实验数字化脉冲形状与针对球面形颗粒针对相同空间角范围的相应模拟计算的比较，将颗粒的形状分类为球面形或者非球面形的。
9.按权利要求1至8中至少一项所述的方法，其特征在于，在单颗粒散射的情况下，借助关于非球面性的理论，获得定量的结果，和/或在单颗粒散射的情况下，根据所述特征，例如根据尺寸、形状和折射率，将颗粒级分分类并且确定、显示和输出每个特征单位的颗粒数量，
和/或在单颗粒散射的情况下，使用激光器，所述激光器具有可变的光束强度和非球面形的光束横截面(焦点)，所述光束横截面至少在样本流的横截面上具有恒定的光强度，或者在强度的均匀性不足的情况下，通过数学的标准化方法校正所述强度。
10.按权利要求1所述的方法，其特征在于，流体动力学或者空气动力学的测量流聚焦的程度能够根据测量样本的已知的原始数量浓度或者基于第一测量循环人工地或者自动化地通过鞘流相对于样本流的比调整。
11.按权利要求1所述的方法，其特征在于，为了确定非常宽的多分散样本的尺寸，不需要进行测量腔室的更换或者鞘流池的改变。
12.按权利要求1至11中至少一项所述的方法，其特征在于，依次地插入或者移动束阑，或者使用分别覆盖一个角范围的环形探测器，或者将不同的光阑引入圆形扇段中，其中，分隔开地测量和分析不同的散射光信号。
13.按权利要求1至12中至少一项所述的方法，其特征在于，通过使用环形探测器或者圆形扇段中的不同光阑，按照本发明取消了在示例中描述的在其它角范围中的重复测量，这有利地降低了实验耗费并且通过针对相同颗粒同时测量不同角范围提高了测量准确性。
14.按权利要求1至13中至少一项所述的方法，其特征在于，针对消光应用，通过流体动力学的聚焦并且通过隐去在流体动力学地聚焦的粒子旁边的图像空间中的由初级光束照射的区域，改善试管中的光源的光强度相对于消光信号的比，以便探测更小的粒子。
15.按权利要求1至14中至少一项所述的方法，其特征在于，针对消光应用，通过在物镜之后插入的、具有在物镜之后的激光器初级光束的直径的孔径光阑，消除也会到达接收器的前向散射的大部分，并且由此将测量范围扩宽至更小的粒子并且允许更准确地计算粒度。
16.一种用于通过多参数地检测散射光和/或消光信号确定测量样本中的微米量级和亚微米量级颗粒特性的装置，所述装置包括
至少一个用于产生至少一个激光束(3)的激光器(1)，
至少一个用于使激光束(3)成型并且构造焦点几何形状(6)的光学输入模块(2)，
有利地具有流体动力学聚焦的连续流测量单元(5)，在所述连续流测量单元中通过激光束(3)产生前向散射光束(6)和侧向散射光束(7)，
处于前向散射光束(6)中的光学输出模块(8)和处于侧向散射光束(7)中的光学输出模块(9)，
半透的镜子(10)，
摄像机(12)，
光电倍增器(11a、11b)，
其中，借助光电倍增器(11a、11b)针对不同数量的张角或者接收角执行散射光测量并且由前向散射光束(6)的和侧向散射光束(7)的所确定的散射光强度通过分析算法确定颗粒特征。
17.一种按权利要求16所述的装置的用途，所述装置用于在工业和学术领域中分析单颗粒的多个特征或者用于对颗粒级分进行分类或者识别，例如W/O或者O/W乳浊液、气溶胶、用于晶圆抛光的浆料、墨水和颜料悬浮液、生物来源的细胞和亚细胞颗粒(例如细胞、病毒、细菌)的样本，或者用于应用，例如纳米颗粒的设计、分散体稳定性的量化、对分散相的溶解、聚集和絮凝行为的研究、分散进展的量化。
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