CN118032603A - 一种纳米颗粒浓度的测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种纳米颗粒浓度的测试方法，通过纳米颗粒浓度分析组件进行测试得到，所述纳米浓度分析组件包括样品池、设置在样品池顶部的光源和与样品池设置在同一水平线上的成像组件，所述成像组件中，由靠近样品池至远离样品池的一端依次设置有显微透镜、荧光模组、相机。本发明在样品池中注射样品，然后进行激光准直照射，然后在样品池的侧面进行成像和测试，实现多位点数据的采集；再调节光束的直径至合适的范围内，可以减少光的干扰，同时还可以消除样品池中，待测颗粒附近的粒子的散射和/或反射光的影响，进一步提高检测精度。
Description
技术领域
本发明涉及检测技术领域，尤其是一种纳米颗粒浓度的测试方法。
背景技术
传统的纳米颗粒浓度检测，是采用纳米颗粒浓度分析仪进行检测的，需要将其制备成涂片，然后放到显微镜下观察纳米颗粒的分布情况。在医学检测领域中较为常见，以血涂片中的白细胞分类检测为例，血涂片的计数检测方式为“城垛式”，如涂片涂布不均匀，会影响检测结果，因此，需要专业的检测人士制备涂片和检测，成本高，且检测效率低。
因此，需要开发一种高效、高精度的纳米颗粒浓度测试方法。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有技术中的上述缺陷，提供一种高效、高精度的纳米颗粒浓度测试方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种纳米颗粒浓度的测试方法，通过纳米颗粒浓度分析组件进行测试得到，所述纳米浓度分析组件包括样品池、设置在样品池顶部的光源和与样品池设置在同一水平线上的成像组件，所述成像组件中，由靠近样品池至远离样品池的一端依次设置有显微透镜、荧光模组、相机，测试方法包括如下步骤：
S1.待测样品加入到样品池中，光源垂直照射到样品池中，控制样品池中的垂直光束的直径≥显微透镜的直径；
S2.移动荧光模组进行成像，成像由光斑组成，使用相机采集图像，对图像进行二值化和开闭处理，记录可视区域内的纳米颗粒的粒径，并计算浓度。
本发明的检测方法，与传统的检测方法不同，具体是将光源垂直照射到样品池中，然后在样品池的侧面，在与光束方向相垂直的方向上，依次设置成像组件进行成像。激光照射到纳米颗粒光后产生的散射光将通过显微物镜后被相机采集到，通过移动电控平移台，移动系统中的部分组件将实现多位点数据的采集。这种成像方式，可以明显观察到样品溶液内部的纳米颗粒的形态和空间分布，有利于进一步精确测定纳米颗粒的浓度。
本发明通过光纤准直镜将光束垂直打到样品池中，再调节光束的直径至合适的范围内，可以减少光的干扰，同时还可以消除样品池中，待测颗粒附近的粒子的散射和/或反射光的影响，进一步提高检测精度。
优选地，所述光源为激光光源，激光的传播满足高斯光束的传播，激光器出来的光在扩束前的能量相同，光束的调控精度高。
优选地，步骤S1中，控制样品池中的垂直光束的直径为通过光阑进行控制。光束先扩束到可以包围候选区域的大小，再通过光阑限制照射光的覆盖范围，减少样品池中其它纳米颗粒对待测颗粒的影响，提高检测精度。
本发明中，所述光阑的孔径＝所述垂直光束的直径。
优选地，所述样品加入到样品池中的流量为0.0174-86.588μL/min，样品加入的流量控制在该范围内，不仅可以保证在同位点采集时进行溶液不同位置的切换，还可以清晰地捕捉到纳米颗粒的光斑，便于采集和浓度的计算。
优选地，所述光源的光照强度与垂直光束的腰半径满足如下关系：
I＝P/[πw0 2]；
其中，I为光照强度，单位为W/m2；
P为辐射通量，单位为W；
w0为垂直光束的腰半径，单位为m。
需要说明的是，垂直光束的腰半径w0是垂直光束的直径的1/2。
光照强度(也称为光能量)通常用辐射通量(Radiant Flux)表示，单位是瓦特(Watt，简写为W)；对于携带光能的光束，其光强(Irradiance)是单位面积上的辐射通量，单位是瓦特每平方米(W/m2)；光强可以通过以下公式计算：
I＝P/A；
其中，I是光强，P是辐射通量，A是照射面积(本发明中的照射面积按照A＝πw0 2进行计算，为照射光束的截面面积)。
对于本发明的中的激光光束，同一个激光器出来的光在扩束前的能量都是一样的，为此辐射通量都是一样的，因此，当照射面积增大，光能量将会减弱，通过光阑控制光束的腰半径，还可以调节光照强弱，使成像更加清晰，有利于提升检测精度。
优选地，所述纳米颗粒的成像光斑的直径满足如下关系：其中，Di是经相机成像后的光斑的直径；D0是待测溶液中的粒子形成的实际光斑的直径；di是相机距离显微镜的距离；d0是光斑距离显微镜的距离。
需要说明的是，在样品溶液中，纳米颗粒可以是单个存在，也有几个纳米颗粒团聚到一起形成纳米团簇，因此，光斑对应的是单个纳米颗粒或者纳米团簇的直径；如光斑中含有多个纳米颗粒，那么需要将纳米团簇的光斑直径除以对应的纳米颗粒的数量，得到的才是单个纳米颗粒的直径。
本发明中，所述光斑的大小满足透镜成像公式：其中，f为透镜的焦距；di是相机距离显微镜的距离；d0是光斑距离显微镜的距离。
优选地，所述待测样品中，纳米颗粒的浓度按照下式进行计算得到：
C＝n/V
式中，C为浓度，单位为个/mL；
n为粒子的颗粒数；
V为待测样品可视范围内的体积，单位为mL。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明在样品池中注射样品，然后进行激光准直照射，然后在样品池的侧面进行成像和测试，实现多位点数据的采集；再调节光束的直径至合适的范围内，可以减少光的干扰，同时还可以消除样品池中，待测颗粒附近的粒子的散射和/或反射光的影响，进一步提高检测精度。
附图说明
图1为本发明的实施例1的纳米颗粒浓度分析组件的结构示意图；
图2为本发明的实施例1的纳米颗粒浓度测试的光照路径(激光光束准直扩束)示意图，绿光进入到样品池后样品激发辐射后出来不同波长的光，通过荧光模组中的滤光片，进行滤波后被相机进行采集；
图3为本发明的实施例1通过相机采集得到的经相机成像后的光斑图像；
图4为本发明的实施例1经过二值化处理后的光斑图像；
图5为本发明的实施例1中，计算机处理后的光斑的轮廓，便于计数；
图6为本发明的实施例1数据处理的流程示意图；
图7为本发明的对比例1的涂片示意图；
图8为本发明的实施例1采集到的不同背景噪声的实验图样，a图中的背景噪声较小，b图中的背景噪声较大；采集到的a、b图经过灰度变换、二值化、开闭图像和连通域等传统视觉处理后的图分别对应a’、b’；
图9为图8中背景噪声较大的b图进行人工智能处理，a图为构建的AI模型，a图中的模型与原始图像(图8中的b图)进行融合后，得到b图。
具体实施方式
为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例和附图来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。除非特别说明，本发明所用试剂和材料均为市购。
实施例1
本实施例提供一种纳米颗粒浓度的测试方法，纳米颗粒浓度分析组件的结构示意图如图1所示，具体测试过程包括如下步骤：
S1.使用注射器将含有纳米颗粒的待测样品注射到样品池中，使用注射泵控制样品的注入流量为25±0.0500μL/min；同时，打开激光器的开关，经准直系统进行准直，使光束与样品池中的液面垂直(即，垂直照射到样品池中)，选择合适的光阑，控制垂直光束的直径(或者腰半径w0＝1.5mm)，保证至少一个完整的光斑可以透过显微透镜，经荧光模组成像到相机上；其中，激光的光照强度可以按照如下关系进行确定：I＝P/[πw0 2]；其中，I为光照强度，单位为W/m2；P为辐射通量，单位为W；w0为垂直光束的腰半径，单位为m；
S2.移动荧光模组进行成像，然后使用相机拍摄、采集得到所述光斑(见图3)，并对采集到的光斑图像进行二值化(二值化后的图像如图4，从图中可以看出，二值化处理后，光斑的边界轮廓更加清晰)和开闭处理，然后使用计算机测量采集到的光斑的粒径Di，纳米颗粒的粒径和浓度按照如下步骤计算得到(流程图见图6)：
1)纳米颗粒的粒径
使用计算机测量采集到的得到相机上的光斑的直径，记为Di，纳米颗粒的直径D0满足如下关系式：
式中，di是相机距离显微镜的距离；d0是光斑距离显微镜的距离；di和d0可通过标尺测量得到；
使用计算机对单个光斑中的纳米颗粒的数量i进行统计(经过计算机处理后的光斑轮廓见图5)：如颗粒的形貌为圆形时可以统计圆的面积是否一半以上在采集区域内，如果有统计加1，如果不足则舍弃；
纳米颗粒的粒径d＝D0/i。
2)待测样品中纳米颗粒的浓度计算：
C＝n/V
式中，C为浓度，单位为；
n为粒子的颗粒数；
V为待测样品可视范围内的体积，单位为cm3；
其中，对于颗粒数的计算，本实施例中，需要根据测试图像的背景噪声大小(见图8中a，b图)选择传统视觉处理(灰度变换、二值化、开闭图像和连通域，处理后见图8中的a’、b’，可以看出图8的b’中，无法清楚的对光斑数量进行统计)和人工智能(构建模型，见图9)的方式对图像进行处理。
对比例1
本对比例提供一种纳米颗粒浓度的计算方法，采用“堆垛法”进行检测，具体操作步骤如下：将待测样品溶液涂覆到涂片上(示意图见图7)，盖上盖玻片后，放入电子显微镜下进行检测。
表1样品中纳米颗粒浓度测试结果
注：表1中，对相同的待测样品溶液，分别使用对应的测试方法进行5次测试，使用该5次测试结果来计算标准差，评价测试结果的稳定性。
从上述结果对比中可以看出，使用本发明的方法测试得到的精确度更高，且测试结果更加稳定。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (7)
1.一种纳米颗粒浓度的测试方法，通过纳米颗粒浓度分析组件进行测试得到，其特征在于，所述纳米浓度分析组件包括样品池、设置在样品池顶部的光源和与样品池设置在同一水平线上的成像组件，所述成像组件中，由靠近样品池至远离样品池的一端依次设置有显微透镜、荧光模组、相机，测试方法包括如下步骤：
S1.待测样品加入到样品池中，光源垂直照射到样品池中，控制样品池中的垂直光束的直径≥显微透镜的直径；
S2.移动荧光模组进行成像，成像由光斑组成，使用相机采集图像，对图像进行二值化和开闭处理，记录可视区域内的纳米颗粒的粒径，并计算浓度。
2.根据权利要求1所述的纳米颗粒浓度的测试方法，其特征在于，所述光源为激光光源。
3.根据权利要求1所述的纳米颗粒浓度的测试方法，其特征在于，步骤S1中，控制样品池中的垂直光束的直径为通过光阑进行控制，所述光阑的孔径＝所述垂直光束的直径。
4.根据权利要求1所述的纳米颗粒浓度的测试方法，其特征在于，所述样品加入到样品池中的流量为0.0174-86.588μL/min。
5.根据权利要求1所述的纳米颗粒浓度的测试方法，其特征在于，所述光源的光照强度与垂直光束的腰半径满足如下关系：
I＝P/[πw0 2]；
其中，I为光照强度，单位为W/m2；
P为辐射通量，单位为W；
w0为垂直光束的腰半径，单位为m。
6.根据权利要求1所述的纳米颗粒浓度的测试方法，其特征在于，所述光斑满足如下关系：
其中，Di是经相机成像后的光斑的直径；
D0是待测溶液中的粒子形成的实际光斑的直径；
di是相机距离显微镜的距离；
d0是光斑距离显微镜的距离。
7.根据权利要求1所述的纳米颗粒浓度的测试方法，其特征在于，所述待测样品中，纳米颗粒的浓度按照下式进行计算得到：
C＝nV
式中，C为浓度，单位为个/mL；
n为粒子的颗粒数；
V为待测样品可视范围内的体积，单位为mL。
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