CN115244381A - 用于纳米颗粒胶体的光学显微镜的改进的专用反应杯组件和方法 - Google Patents

Abstract

一种专用反应杯组件，其特征是创建小的、受限的体积，以最小化液体的大量移动，并最小化反向散射引起的光的加宽。当将专用反应杯组件放置在合适的光学装置中时，该专用反应杯组件能够记录液体中的纳米颗粒的布朗运动，该光学装置包括光片和光学显微镜，该光学显微镜附接到摄像机，该摄像机在与光片平面垂直的方向上定向。

Description

用于纳米颗粒胶体的光学显微镜的改进的专用反应杯组件和 方法

技术领域

本发明涉及一种用于检测和测量液体样品中的纳米颗粒的系统。更特别地，它涉及用于观察液体样品中的纳米颗粒的室(chamber)的设计。

相关申请

本申请要求美国专利申请号16793161的优先权，其于2020年2月28日提交，题为“IMPROVED SPECIAL PURPOSE CUVETTE ASSEMBLY AND METHOD FOR OPTICAL MICROSCOPYOF NANOPARTICLE COLLOIDS(用于纳米颗粒胶体的光学显微镜的改进的专用反应杯组件和方法)”，现为2020年11月2日发布的美国专利10823662，其全部内容通过引用并入本文。

本申请涉及：美国专利申请号15/594967，其于2016年6月28日提交，题为“SPECIALPURPOSE CUVETTE ASSEMBLY AND METHOD FOR OPTICAL MICROSCOPY OF NANOPARTICLESIN LIQUIDS(用于液体中的纳米颗粒的光学显微镜的专用反应杯组件和方法)”，现为美国专利10,161,852；美国专利申请号15/194,823，其于2016年6月28日提交，题为“SPECIALPURPOSE CUVETTE ASSEMBLY AND METHOD FOR OPTICAL MICROSCOPY OF NANOPARTICLESIN LIQUIDS(用于液体中的纳米颗粒的光学显微镜的专用反应杯组件和方法)”，现为美国专利9,541,490，该美国专利9,541,490要求于2015年7月1日提交的美国临时专利申请号62/187391的非临时专利、题为“SPECIAL PURPOSE CUVETTE ASSEMBLY AND METHOD FOROPTICAL MICROSCOPY OF NANOPARTICLES IN LIQUIDS(用于液体中的纳米颗粒的光学显微镜的专用反应杯组件和方法)”的优先权；美国专利申请号14/730,138，其于2015年6月3日提交，题为“NANOPARTICLE ANALYZER(纳米颗粒分析仪)”，现为美国专利9,645,070；美国专利申请号15/018,532，其于2016年2月8日提交，题为“MULTI-CAMERA APPARATUS FOROBSERVATION OF MICROSCOPIC MOVEMENTS AND COUNTING OF PARTICLES IN COLLOIDSAND ITS CALIBRATION(用于观察胶体中的颗粒的微观移动和计数的多摄像机设备及其校准)”，现为美国专利9,909,972；美国专利申请号15/293,180，其于2016年10月13日提交，题为“APPARATUS AND METHOD FOR MEASUREMENT OF GROWTH OR DISSOLUTION KINETICS OFCOLLOIDAL PARTICLES(用于测量胶体颗粒的生长或溶解动力学的设备和方法)”，现为美国专利10,012,580；以及美国临时专利申请号15/634,858，其于2017年6月27日提交，题为“METHOD FOR CALIBRATING INVESTIGATED VOLUME FOR LIGHT SHEET BASEDNANOPARTICLE TRACKING AND COUNTING APPARATUS(用于基于光片的纳米颗粒跟踪和计数设备的校准调查量的方法)”，现为美国专利9,857,283；所有这些专利的公开内容以其全部通过引用并入本文。

背景技术

纳米颗粒无处不在，是地球自然环境中数量最多的类颗粒实体，广泛应用于与人类活动相关的许多应用领域。有许多类型的天然纳米颗粒和人造(工程)纳米颗粒。纳米颗粒存在于空气、水生环境、雨水、饮用水、生物流体、药物、药物输送和治疗产品中，以及广泛的工业产品中。纳米颗粒通常出现在多分散的组合体内，其特征是不同尺寸的颗粒共存。

鉴于纳米颗粒的广泛使用，控制和准确表征其特性的能力可能对许多应用是有用的。测量纳米颗粒特性的传统方法包括纳米颗粒跟踪分析，其使用显微镜和摄像机分析记录的视频的帧，以跟踪经历布朗运动的纳米颗粒反射或散射的光的图像。执行此类分析的仪器通常由小试管或反应杯组成，所述小试管或反应杯能够用非常精确定义的窄光片照射液体，并观察从纳米颗粒散射的光，通常与光片成90度角。因此，反应杯必须包含具有最小光衰减特性的至少两个表面(例如，光学玻璃)。此类反应杯广泛用于各种实验室仪器中的所有类型的光学测量，易于获得，并且具有标准化的内部尺寸(在原型的情况下，为10mm x10mm x 45mm)。

理想情况下，当记录视频时，不应有液体的大量移动，使得唯一的颗粒运动是纯布朗运动。然而，由于玻璃的低导热性，并且由于从照明光束传输并被反应杯的液体和壁吸收的潜在大量能量，人们能够观察到液体的热生成微流，而不管传统反应杯中的液体体积如何。微流的其他来源是可能的；例如，仪器安装在其上的工作台的振动能够导致流动，或者样品液体的蒸发能够冷却其表面，因此产生温度梯度，导致流动(对流)。还能够通过搅拌反应杯中的液体或通过将液体泵入和泵出反应杯来引起流动。在这些和其他引起流动的情况下，总是期望尽快阻止流动，以便进行有效和及时的颗粒分析。算法可用于检测和消除此类大量液体移动的影响；然而，这些算法具有局限性，并且在没有大量液体移动的情况下，总是获得更准确的结果。

优化检测和处理从液体中纳米颗粒散射的光的另一个期望的情况是最小化或消除光从反应杯的壁的反向散射，所述壁与光进入反应杯的壁(后壁)相对。此类入射光束的反向散射通常会使照明区域变宽(不是完全平行而是椭圆形的光片变厚)，因此产生对显微镜来说可能部分失焦的图像(模糊图像)，其不适合精确的颗粒跟踪。反向散射引起的加宽对光片的宽度具有固有的不一致影响，因此也会导致颗粒浓度测量的可变性，因为光片的宽度影响每次测量中分析的样品的体积。此外，还应通过使用吸光材料或涂层(诸如黑色涂料)最小化反应杯中的其他反射表面的有害光散射效应。

另一个重要的考虑因素是与现有组件的兼容性，这些组件将反应杯相对于光片准确地保持在位置中，控制其温度，并能够搅拌和/或泵送液体。此类搅拌和/或泵送有助于检查反应杯内相同样品中的多个新鲜等分试样，并且用由外部旋转磁体驱动的反应杯底部处的磁性搅拌棒或用外部泵容易地实现。

因此，需要一种改进的系统，所述系统能够最小化液体的移动，同时还缓解反应杯的观察区域内由反向散射引起的光的加宽。

发明内容

本文所述的设备、系统和方法优雅地解决了移动和光束加宽问题，并提供了其他改进和益处，这对本领域技术人员来说是显而易见的。因此，提供了一种用于观察散射在纳米颗粒上的光的系统。所述系统包括：光源，其用于生成被引导在反应杯处的电磁能；以及传感器，其用于在与入射光方向基本垂直的方向上检测电磁能。反应杯包括限定体积的外壁和底板，并且外壁的一部分对于电磁能是透明的。所述体积包含悬浮液和纳米颗粒。该反应杯还具有：观察室，其具有从外壁延伸的上观察室壁和下观察室壁，其中，上观察室壁和下观察室壁彼此基本平行。电磁能在与上观察室壁和下观察室壁平行的第一方向上被引导到观察室中。反射结构在与上观察室壁和下观察室壁平行的第二方向上将电磁能反射出观察室，其中，第一方向与第二方向相反。混合室与观察室分离并与观察室流体连通。样品引入端口与混合室流体连通。传感器被定位为检测与反射结构相邻的区域中的电磁能，所述电磁能垂直于原始光方向。

反射结构可以包括：第一反射表面，其以45度角从上观察室壁延伸到下观察室壁；以及第二反射表面，其形成在上观察室壁的一部分中或下观察室壁的一部分中。可以在第一反射表面与上观察室壁、下观察室壁或上观察室壁和下观察室壁两者相遇的位置形成一个或多个凹口。

替代地，反射结构可以包括从上观察室壁垂直延伸到下观察室壁的反射表面。可以在反射表面与上观察室壁、下观察室壁或上观察室壁和下观察室壁两者相遇的位置形成一个或多个凹口。

混合室可以包括混合棒。混合室可以比观察室大。

上观察室壁和下观察室壁可以具有极低反射表面或非反射表面。外壁的透明部分可以由高质量光学玻璃制成。反应杯的外壁还可以包括第二部分，该第二部分由与透明部分不同的材料制成。

刚刚描述的反应杯可以由单独的插入件形成，所述插入件被构造成插入反应杯中。插入件可以具有安装结构，该安装结构适于促进插入件安装到反应杯中和从反应杯中移除。

本领域技术人员显而易见的附加方面、替代方案和变化也在本文中公开，并且作为本发明的一部分被明确考虑。本发明仅在由专利局在本申请或者相关申请中允许的权利要求中陈述，并且对某些示例的以下简要说明不以任何方式限制、限定或者以其他方式确立法律保护的范围。

附图说明

参照以下附图可以更好地理解本发明。附图之内的组件不必按比例缩放，相反，重点放在清楚地说明本发明的示例方面。在附图中，贯穿不同视图和/或实施例，类似的附图标记表示对应的部分。应当理解，附图中可能不出现某些组件和细节，以帮助更清楚地描述本发明。

图1示出了用于使用散射在这些颗粒上的电磁能来检测纳米颗粒的系统。

图2示出了导致模糊图像和体积不确定性的反向散射效应。

图3示出了独特反应杯插入件的局部侧视图(检测器的视角)。

图4A示出了使用相对于入射光方向成45度放置的镜子以及平行于入射光方向放置的镜子的反射结构。

图4B示出了使用相对于入射光方向成45度放置的镜子以及平行于入射光方向放置的镜子的反射结构。

图4C示出了使用相对于入射光方向成90度放置的镜子的反射结构。

图4D示出了在室壁与反射表面之间具有45度圆角的光束的反射。

图4E示出了在室壁与反射表面之间使用空腔成45度角的光束的反射。

图4F示出了独特反应杯插入件的前视图(检测器的视角)，所述插入件具有构造成接收镜子的槽。

图5是独特反应杯插入件的等距顶前视图。

图6是独特反应杯插入件的等距顶侧视图。

图7是独特反应杯插入件的俯视图。

图8是独特反应杯插入件的仰视图。

图9A是示出截面线A-A的侧视图。

图9B是沿线A-A截取的截面图。

图10示出了独特反应杯插入件的前视图(检测器的视角)。

图11示出了独特反应杯插入件的侧视图(入射激光的方向)。

图12A示出了被插入反应杯中的独特反应杯插入件。

图12B示出了完全被插入反应杯中的反应杯插入件。

图13是示出不使用本文所述的反应杯/插入件的颗粒对流移动的照片。

图14是示出使用本文所述的反应杯/插入件的颗粒移动的照片。

具体实施方式

本文参考本发明的一些具体示例，其包括发明人为实施本发明而设想的任何最佳模式。这些具体实施例的示例在附图中示出。虽然结合这些具体实施例来描述本发明，但是应当理解，本发明并不旨在将本发明限制为所描述或所示出的实施例。相反，其意在涵盖可以包括在由所附权利要求限定的本发明的主旨和范围之内的替代品、修改和等效物。

在下面的描述中，阐述了许多具体细节，以便提供对本发明的透彻理解。本发明的特定示例实施例可以在没有一些或全部这些具体细节的情况下实现。在其他情况下，本领域技术人员熟知的过程操作没有被详细描述，以避免不必要地模糊本发明。为了清楚起见，有时将以单数形式描述本发明的各种技术和机制。然而，应当注意，除非另有说明，否则一些实施例包括技术的多次迭代或多个机制。类似地，本文所示和描述的方法的各种步骤不一定按照指示的顺序执行，或者在某些实施例中根本不执行。因此，本文讨论的方法的一些实现可以包括比所示或所描述的步骤更多或更少的步骤。此外，本发明的技术和机制有时将描述两个或更多个实体之间的连接、关系或通信。应当注意，实体之间的连接或关系并不一定意味着直接的、不受阻碍的连接，因为任何两个实体之间可能存在或发生各种其他实体或过程。因此，除非另有说明，否则所指示的连接不一定意味着直接、无阻碍的连接。

下面的示例特征列表对应于附图，并提供以用于参考，其中类似的附图标记在整个说明书和附图中指代对应的特征：

用于观察纳米颗粒上散射的光的系统10

光源15

电磁能(光束或光片)20

反应杯25

反应杯体积26

反应杯插入件28

反应杯支架29

传感器30

反应杯外壁35

反应杯底板40

反向散射反射47

微小反向散射加宽区域48

观察室50

上观察室壁51

下观察室壁52

第一镜子/反射表面55

电磁能的第一方向56

电磁能的第二方向(相反)57

第二镜子/反射表面60

镜子插槽60-1

可插入的镜子/反射表面60-2

反射结构61

显微镜观察到的区域62

倒圆的镜子/反射表面65

电磁能的反射67

凹口70

电磁能的反射72

混合室75

混合室与观察室之间的流体连通80

安装结构(孔、钩)85

样品引入端口90

混合棒95

低或非反射表面100

外壁的透明部分(优质光学玻璃)105

反应杯外壁的第二部分110

减摩涂层115

本发明的主要目的是提供标准尺寸反应杯内的特征，以防止或大大限制视频记录期间的液体流动，同时仍允许光片进入反应杯，并允许散射光以垂直方向离开反应杯，同时还允许搅拌反应杯内的液体。所述目的已通过两个平行表面来实现，所述两个平行表面布置为使得其横跨入射光片，并能够记录垂直方向上的散射光。此外，在摄像机视野与反应杯后壁之间的光片的路径中放置镜子，以便：(1)增加颗粒的照明度以及(2)帮助均衡热梯度，以减轻颗粒的热漂移。

这些专用反应杯的制造可以通过至少两种方式完成。一个选项是生产放置在标准商用玻璃反应杯内的插入件。另一个选项是将特征模制到反应杯中，所述反应杯可以主要由塑料制成，但在反应杯的一侧中模制有两个光学玻璃窗。此类构造可以通过使昂贵材料(诸如光学级玻璃)的使用最小化来降低成本。下图将更全面地描述这一创新。

图1示出了传统实验室设置，其具有用以观察纳米颗粒的布朗运动的系统10。光源15(通常是带有相关光学元件(未显示)的激光器)产生进入反应杯25的电磁能20(光束或光片)。反应杯25包含液体和纳米颗粒(胶体)。传感器30(其可以包括显微镜或摄像机(未示出))记录来自反应杯25的垂直于电磁能20方向的图像。反应杯25由支架29保持就位，这防止反应杯移动，以减少运动引起的模糊，并产生更好的图像，允许在需要时进行温度测量和稳定。

图2示出了可能导致模糊图像的反向散射效应。电磁能20进入反应杯25并撞击反应杯外壁35，导致反向散射电磁能20，以变得不那么集中和增厚。这种反向散射反射由箭头47示出。当该聚焦度较低的光片撞击纳米颗粒时，传感器30捕获的图像可能变得模糊。虽然存在在一定程度上消除图像模糊的处理技术，但模糊图像能够并且确实会导致布朗运动的不准确分析，还改变观察到的胶体体积。但是，在靠近反射表面(即，微小反向散射加宽区域48)的情况下，相对于所使用设备的规格，加宽不是很大。在由圆柱透镜和物镜生成的光片的实际实现中，光片在其最窄点周围的变化不应大于用于可视化纳米颗粒的显微镜的景深(DOF)-通常，最窄点是大约50微米厚，而在距最窄点中心3mm的距离处，经不同稀释剂(不同折射率)测试，其宽度不超过60微米。通常20x显微镜的DOF在50与60微米之间(这是一个主观测量，因为当其离开焦点中心时，图像变得越来越模糊)。因此，代替将光片从研究体积上引导出去，应将其反向重新定向以再次照亮样品。这可以通过单个90度镜子的简单组合或两个镜面的组合来实现，如图3所示，其中显微镜62观察到的区域位于45度镜子附近。在不背离本公开的精神的情况下，可以使用更多镜子。此外，术语镜子/反射表面和反射结构旨在涵盖背面金属化的玻璃制成的镜子、高度抛光的金属镜子和其他高度反射表面。最佳地，镜子/反射表面或反射结构构造为反射至少95％的入射电磁辐射，更佳地，至少99％的入射电磁辐射。

由于镜子散射回来的光照亮的区域仅比初始光片照亮的区域略宽，因此有效地使所谓的暗背景显微镜可用的光强度加倍。在略微吸光的颗粒的情况下，更有利的是，光片的两部分具有相反方向，因此它们倾向于加热颗粒的相对侧，从而减轻由于颗粒的温暖表面附近的水膨胀而产生的漂移。

图3示出了本发明的观察室50，所述观察室可以模制成反应杯25的构造，或替代地，可以构造成反应杯插入件28，所述反应杯插入件紧密地装配在标准尺寸的反应杯中，使得电磁能20可以穿透反应杯25的壁35并进入观察室50。观察室50包括：上观察室壁51，其从反应杯25的外壁35延伸；和下观察室壁52，其也从反应杯25的外壁延伸。上观察室壁51和下观察室壁52两者基本彼此平行，并且电磁能20在与上观察室壁51和下观察室壁52平行的第一方向56上被引导到观察室50中。观察室50还包括反射结构61，所述反射结构构造成在第二方向57上将电磁能20反射出观察室50，所述第二方向与上观察室壁51和下观察室壁52平行，但与电磁能20进入的第一方向56相反。在图3中，反射结构包括：第一反射表面55，其以45度角从上观察室壁51延伸到下观察室壁52；以及第二反射表面60，其形成在下观察室壁52的一部分中。上观察室壁51和下观察室壁52应具有非常低的反射表面或非反射表面。它们可以被涂成黑色或被涂覆有非反射材料层。

电磁能20从反应杯25的外壁35传播，在平行于室壁51、52的方向上传播到观察室50中，撞击第一反射表面55，所述第一反射表面可以是镜子，并与入射能20的方向56成45度角，并因此能量20被反射到第二反射表面60上，所述第二反射表面也可以是镜子，其包括下观察室壁52的一部分。当能量20撞击第二反射表面60时，它从第二反射表面60反射到第一反射表面55，所述第一反射表面55在方向57上将它反射出观察室50，所述方向57平行于室壁51、52但与它的入射方向56相反。因此，能量20进入观察室50，并平行于室壁51、52离开观察室50。

图3示出了反射结构61的一个可能实施例，图4A中所示的相同实施例具有单束电磁能20。在图3和图4A中，第二反射表面60形成在下观察室壁52中，使下观察室壁52比上观察室壁51长。系统10的传感器30将观察的区域62定位于远离角部但也与反射结构61相邻的位置，其中电磁能20仅平行于观察室壁51、52传播，且仅有微小程度的反向散射加宽。

图4B示出了替代实施例，其中第二反射表面60形成在上观察室壁51中，使上观察室壁51比下观察室壁51长。由传感器30观察到的区域62同样定位于远离角部但与反射结构61相邻的位置。在图4C所示的实施例中，反射结构由单个反射表面60组成，该单个反射表面将光束20反射180度(在相反方向上返回)，从上观察室壁51垂直延伸到下观察室壁52。观察到的区域62类似地在图4C中示出。如果散射表面60甚至轻微吸收激光，并因此及时变暖，从而通过其热膨胀产生流体流动，则该配置可以产生稀释剂回流。

当电磁能20的射线遇到倒圆的反射表面65时，如图4D所示，并且当电磁能20在将第一反射表面55连接到观察室壁的角部附近传播时，它可以在与平行于观察室壁51、52的方向不同的方向上散射，如由附图标记67所示(杂散光束不会返回到相同体积的观察室中，从而降低照明强度)。该问题的解决方案是使用机械加工在观察室壁中创建凹口70，其中壁表面过渡到45度反射表面55，如图4E所示。如果存在凹口70，入射光20将朝向预期方向反射，如由附图标记72所示。尽管图4E中仅示出了一个凹口，但对于本领域技术人员显而易见的是，可以在观察室壁51、52的一个或两个表面上创建凹口。换句话说，一个凹口或多个凹口70可以在第一反射表面55与上观察室壁51相遇的位置或第一反射表面55与下观察室壁52相遇的位置形成，或者在第一反射表面55与观察室壁51、52相遇的两个地方形成。在图4C的实施例中，倒圆的角部的光散射问题也可能发生，因此一个凹口或多个凹口可以在反射表面60与上观察室壁51、下观察室壁52或两者51、52相遇的位置形成。

图4F示出了特殊设计的反应杯插入件28，其具有在观察室50的一个端部处形成的镜子插槽60-1。插入件28可以制造有用形成在上观察室壁51和下观察室壁52中的凹口70和镜子插槽60-1。可插入的镜子/反射表面60-2可以单独地制造并插入镜子插槽60-1中。可插入的镜子/反射表面60-2可以是经过特殊制备的金属镜子(抛光的)，或者甚至可以是背面有金属化的玻璃镜子。这将防止吸收，并且易于制造。

在所有这些实施例中，传感器30定位为检测与反射结构61(结构的左侧)相邻的电磁能20。实验已示出，使用可见的激光(波长在400nm与700nm之间)，该区域从反射结构61延伸约0.5至2毫米(见上文讨论，其中描述了散射光的加宽)，用于由圆柱透镜f＝50mm和4x物镜系统创建的典型光片，且厚度为50至60微米。该距离在图4A中是远离45度反射表面/镜子55的方向上从顶部凹口左侧测量的，在图4B中是远离45度反射表面/镜子55的方向上从底部凹口测量的，并且在图4C中是远离正交反射表面/镜子60测量的。

之前讨论过，观察室50及其内部结构可以构造成反应杯25，或者可以构造成紧密装配在标准反应杯25内的反应杯插入件28。图5至图12示出了反应杯插入件28的实施例的其他部分，但应理解，其中描述的特征可以形成反应杯25本身。在一些应用中，反应杯插入件28是多功能的，并且具有其优点。

图5在等距前视图中示出了插入件28，其在等距俯视图的前部示出了观察室50。该三维表示图示出了上观察室壁51、下观察室壁52、从上观察室壁51延伸到下观察室壁52的第一反射表面55、第一反射表面55与观察室壁51、52相遇位置的两个凹口70，以及形成在下观察室壁52的一部分中的第二反射表面60。在图5中还可以看到安装结构85、样品引入端口90以及混合室75与观察室50之间发生流体连通80的区域。安装结构85在附图中示为带孔的凸耳，但也可以包括钩或任何其他结构，其允许插入件28容易地从反应杯25上移除，以在样品之间清洗。

图6示出了另一个顶部等距视图，所述视图提供了样品引入端口90的位置的更好视图，由此可以将样品引入反应杯插入件28中，从而引入反应杯25中。

图7呈现了反应杯插入件28的俯视图，并且图8示出了仰视图。样品引入端口90与混合室75流体连通。在混合室75与观察室50之间还存在可见流体连通80的区域。图9A至图9B示出了反应杯插入件28的该部分的侧视图和横截面图。混合室75位于下方，并且与观察室50分离。然而，在混合室75与观察室50之间存在流体连通80。混合室75可以比观察室50大，并且可以包括：混合棒95，其可以包括磁性搅拌器。混合室75的形状及其到观察室50的流体连通80使得：当混合棒95移动时，在观察室50中导致涡流或其他电流，从而允许观察到不同的小份(在记录颗粒移动之间进行混合)。

图10呈现了反应杯插入件28的前视图，从反应杯25的外壁35可以看到。图11示出了反应杯插入件28的另一个侧视图。

为了进一步帮助减少反向散射，插入件28的上观察室壁和下观察室壁以及后观察室壁51、52可以涂成黑色，或者具有施加的另一个非反射表面涂层100。传感器30将放置在与纸张平面垂直或正交的位置，并聚焦在观察室50上。此外，位于传感器30的相同平面中的插入件28的表面可以涂成黑色，或者具有施加的另一个非反射涂层100。

反应杯插入件28用于具有定义体积26的外壁35和底板40的反应杯25，其中至少一部分外壁35对电磁能105是透明的，并且其中，体积26适合包含液体和颗粒的悬浮液。插入件28包括从反应杯25的外壁35延伸的上观察室壁51以及从外壁35延伸的下观察室壁52，其中，上观察室壁51和下观察室壁52彼此平行。电磁能20在平行于上观察室壁51和下观察室壁52的第一方向56上被引导到观察室50中，并且插入件28的观察室50中的反射结构61被构造成在平行于上观察室壁51和下观察室壁52的第二方向57上将电磁能20反射出观察室50，并且第一方向56与第二方向57相反。插入件28还包括：与观察室50分离并与观察室50流体连通的混合室75、以及与混合室75流体连通的样品引入端口90。

该插入件28可以具有其反射结构61，该反射结构包括：以45度角从上观察室壁51延伸到下观察室壁52的第一反射表面55、以及在上观察室壁51的一部分中(图4B)或下观察室壁52的一部分中(图4A)形成的第二反射表面60。此外，插入件28可以包括：一个或多个凹口70，在其中，第一反射表面55与上观察室壁51、下观察室壁52或两个壁51、52相遇，如图4E和图5建议的。替代地，观察室内插入件的反射结构61可以包括从上观察室壁51垂直延伸到下观察室壁52的反射表面60(图4C、图4F)。此外，插入件28可以包括一个或多个凹口70，在图4C的实施例中，在其中，反射表面60与上观察室壁51、下观察室壁52或两个壁51、52相遇。上观察室壁51和下观察室壁52具有非常低的反射表面或非反射表面100。插入件28可以进一步包括：安装结构85，其适于促进插入件安装到反应杯25中和从反应杯25中移除。

反应杯插入件28可以与混合室75中的混合棒95一起使用，如图9B所示。混合室75可以比观察室50大。插入件28可以由一薄层Teflon或其他类似的减摩涂层115(见图10)覆盖，所述涂层将允许光通过，但仍以化学方式密封插入件28的所有表面，使得人们无需担心胶体，所述胶体在与金属接触时会与蛋白质和聚集物等其他材料相互作用。

图12A示出了被插入到反应杯25中的反应杯插入件28，该反应杯具有反应杯外壁35、反应杯底板40和反应杯体积26。插入件从反应杯25的顶部向下移动到其底板40，并取代一些反应杯体积26。在图12B中，插入件28完全插入并静止在反应杯25的底部处。另一查看该附图的替代方法是图5至图11中所示的结构，其示出了反应杯插入件28已集成到反应杯25中，使得它们是不可分离的结构。反应杯外壁35的一部分105可以是透明的，并且由高质量光学玻璃制成，即通过其可以观察插入件28的观察室50的反应杯外壁的部分。反应杯外壁的第二部分110可以由不同于透明部分105的材料制成，诸如更具成本效益的材料。

图13和图14确认插入件起到阻止大量液体流动的作用。图13和图14都是由300帧视频组成的合成图像，每个图示出运动中的颗粒。在图13中，未使用插入件，其示出了颗粒如何主要随大量液体流在所有颗粒共同的基本线性方向上移动。在图14中，使用了插入件，其示出了如何消除大量液体流，使得唯一的颗粒移动是通过布朗运动，没有所有颗粒共同的可辨别模式。图13与图14之间的条件和样品相同–唯一的变化是包含本文所公开的插入件。

虽然本文所述的系统、方法和结构已参考了观察和分析纳米颗粒，但这些相同的系统、方法和结构可以用于更大的颗粒尺寸，诸如微米尺寸的颗粒。

尽管本发明的示例性实施例和应用已在本文中描述，包括如上所述和在所包括的示例图中所示，但无意将本发明限制于这些示例性实施例和应用，也无意将本发明限制于示例性实施例和应用的操作方式或本文所描述的方式。事实上，对示例性实施例的许多变化和修改是可能的，这对于本领域普通技术人员来说是显而易见的。本发明可以包括任何装置、结构、方法或功能，只要所得到的装置、系统或方法落在基于本专利申请或任何相关专利申请由专利局所允许的权利要求之一的范围之内。

Claims (23)

1.一种用于观察纳米颗粒的系统，所述系统包括：

光源，所述光源用于生成被引导在反应杯处的电磁能；

传感器，所述传感器用于检测所述反应杯内的电磁能；

其中，所述反应杯包括：

限定体积的外壁和底板，其中，所述外壁的至少一部分对于所述电磁能是透明的，并且其中，所述体积适于包含悬浮液和纳米颗粒；

观察室，所述观察室包括：

从所述外壁延伸的上观察室壁以及从所述外壁延伸的下观察室壁，其中，所述上观察室壁和所述下观察室壁彼此基本平行；

其中，所述电磁能在与所述上观察室壁和所述下观察室壁平行的第一方向上被引导到所述观察室中；以及

反射结构，所述反射结构被构造成在与所述上观察室壁和所述下观察室壁平行的第二方向上将所述电磁能反射出所述观察室，其中，所述第一方向与所述第二方向相反；混合室，所述混合室与所述观察室分离并与所述观察室流体连通；以及

样品引入端口，所述样品引入端口与所述混合室流体连通；

并且其中，所述传感器定位为检测与所述反射结构相邻的区域中的电磁能，并且检测到的电磁能垂直于所述第一方向传播。

2.如权利要求1所述的系统，其中，所述反射结构包括：

第一反射表面，所述第一反射表面以45度角从所述上观察室壁延伸到所述下观察室壁；以及

第二反射表面，所述第二反射表面形成在所述上观察室壁的一部分中或所述下观察室壁的一部分中。

3.如权利要求2所述的系统，还包括：一个凹口或多个凹口，在所述一个凹口或多个凹口处，所述第一反射表面与所述上观察室壁、所述下观察室壁或所述上观察室壁和所述下观察室壁两者相遇。

4.如权利要求1所述的系统，其中，所述反射结构包括：

反射表面，所述反射表面从所述上观察室壁垂直延伸到所述下观察室壁。

5.如权利要求4所述的系统，还包括：一个凹口或多个凹口，在所述一个凹口或多个凹口处，所述反射表面与所述上观察室壁、所述下观察室壁或所述上观察室壁和所述下观察室壁两者相遇。

6.如权利要求1所述的系统，其中，所述反射结构包括可插入的反射表面，并且其中，所述观察室包括镜子插槽，所述镜子插槽构造成接收所述可插入的反射表面。

7.如权利要求6所述的系统，其中，所述镜子插槽形成在所述上观察室壁和所述下观察室壁中。

8.如权利要求1所述的系统，其中，所述混合室包括混合棒。

9.如权利要求1所述的系统，其中，所述上观察室壁和所述下观察室壁具有极低反射表面或非反射表面。

10.如权利要求1所述的系统，其中，所述混合室比所述观察室大。

11.如权利要求1所述的系统，其中，所述外壁的透明部分由高质量光学玻璃制成。

12.如权利要求1所述的系统，其中，所述外壁的第二部分由与所述透明部分不同的材料制成。

13.一种用于反应杯的插入件，其中，所述反应杯包括外壁和底板，所述外壁和所述底板一起限定体积，其中，所述外壁的至少一部分对于电磁能是透明的，并且其中，所述体积适于包含悬浮液和颗粒，所述插入件包括：

从所述外壁延伸的上观察室壁以及从所述外壁延伸的下观察室壁，其中，所述上观察室壁和所述下观察室壁彼此基本平行；

其中，所述电磁能在与所述上观察室壁和所述下观察室壁平行的第一方向上被引导到所述观察室中；

反射结构，所述反射结构被构造成在与所述上观察室壁和所述下观察室壁平行的第二方向上将所述电磁能反射出所述观察室，其中，所述第一方向与所述第二方向相反；

混合室，所述混合室与所述观察室分离并与所述观察室流体连通；以及

样品引入端口，所述样品引入端口与所述混合室流体连通。

14.如权利要求13所述的插入件，其中，所述反射结构包括：

第一反射表面，所述第一反射表面以45度角从所述上观察室壁延伸到所述下观察室壁；以及

第二反射表面，所述第二反射表面形成在所述上观察室壁的一部分中或所述下观察室壁的一部分中。

15.如权利要求14所述的插入件，还包括：一个凹口或多个凹口，在所述一个凹口或多个凹口处，所述第一反射表面与所述上观察室壁、所述下观察室壁或所述上观察室壁和所述下观察室壁两者相遇。

16.如权利要求13所述的插入件，其中，所述反射结构包括：

反射表面，所述反射表面从所述上观察室壁垂直延伸到所述下观察室壁。

17.如权利要求16所述的插入件，还包括：一个凹口或多个凹口，在所述一个凹口或多个凹口处，所述反射表面与所述上观察室壁、所述下观察室壁或所述上观察室壁和所述下观察室壁两者相遇。

18.如权利要求13所述的插入件，其中，所述反射结构包括可插入的反射表面，并且其中，所述观察室包括镜子插槽，所述镜子插槽构造成接收所述可插入的反射表面。

19.如权利要求18所述的插入件，其中，所述镜子插槽形成在所述上观察室壁和所述下观察室壁中。

20.如权利要求13所述的插入件，其中，所述上观察室壁和所述下观察室壁具有极低反射表面或非反射表面。

21.如权利要求13所述的插入件，其中，所述混合室比所述观察室大。

22.如权利要求13所述的插入件，还包括安装结构，所述安装结构适于促进所述插入件安装到所述反应杯中和从所述反应杯中移除。

23.如权利要求13所述的插入件，其中，所述插入件的表面被薄的涂层覆盖，所述薄的涂层化学密封所述表面。

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