RU2610942C1 - Method for optical measurement of calculating concentration of dispersed particles in liquid environments and device for its implementation - Google Patents

Method for optical measurement of calculating concentration of dispersed particles in liquid environments and device for its implementation Download PDF

Info

Publication number
RU2610942C1
RU2610942C1 RU2015151702A RU2015151702A RU2610942C1 RU 2610942 C1 RU2610942 C1 RU 2610942C1 RU 2015151702 A RU2015151702 A RU 2015151702A RU 2015151702 A RU2015151702 A RU 2015151702A RU 2610942 C1 RU2610942 C1 RU 2610942C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
particles
concentration
radiation
intensity
measuring
Prior art date
Application number
RU2015151702A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Давидович Левин
Антон Юрьевич Садагов
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ" (ФГУП "ВНИИОФИ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ" (ФГУП "ВНИИОФИ") filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ" (ФГУП "ВНИИОФИ")
Priority to RU2015151702A priority Critical patent/RU2610942C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2610942C1 publication Critical patent/RU2610942C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

FIELD: measurement technology.
SUBSTANCE: method of optical measuring of counting of concentration parties in liquid environments comprises measuring of average hydrodynamic diameter of particles by dynamic light scattering, the calculation of the measured value of the extinction efficiency of the particles, measuring of the optical density at one of wavelengths of the visible range and calculation data obtained by counting the particle concentration. Device for optical measurement of the counting concentration of dispersed particles in liquid environments comprises a laser, LED light source, the direction of emission of which coincides with the direction of the laser, rotating mirror, the guide on sample light one of these sources, located along the laser beam aperture focusing lens, a cell with sample, photodetector measuring intensity of the transmitted radiation and disposed at an angle to the laser beam scattered light collection system, including the diaphragm, the collecting lens and the photodetector, which measures the dependence on time of the intensity of the scattered radiation.
EFFECT: possibility of measuring the absolute concentrations of particles, the expansion of the range of particle diameters, for which we apply the method, improve of the accuracy of determining the concentration.
2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, точнее к оптическим методам измерения концентрации дисперсных частиц, взвешенных в жидкости. Оно может быть использовано для определения концентрации дисперсных частиц (например, наночастиц) в процессе и по результатам их синтеза, а также в жидких средах, содержащих дисперсные частицы и используемых в различных технологиях, например в биомедицинских. В перечисленных случаях знание концентрации частиц необходимо либо для контроля эффективности их синтеза, либо для подбора оптимального дисперсного состава жидкой среды для конкретной технологии. Причем во многих случаях наибольший интерес представляет счетная концентрация частиц, т.е. число частиц в единице объема, единицей измерения счетной концентрации может быть, например, см-3. Наряду со счетной измеряют также массовую концентрацию материала частиц в образце. Счетная концентрация n и массовая концентрация С связаны между собой простым соотношением:The invention relates to measuring equipment, more specifically to optical methods for measuring the concentration of dispersed particles suspended in a liquid. It can be used to determine the concentration of dispersed particles (for example, nanoparticles) in the process and according to the results of their synthesis, as well as in liquid media containing dispersed particles and used in various technologies, for example, biomedical ones. In these cases, knowledge of the particle concentration is necessary either to control the efficiency of their synthesis, or to select the optimal dispersed composition of the liquid medium for a particular technology. Moreover, in many cases, the counted concentration of particles, i.e. the number of particles per unit volume, the unit of measurement of the concentration can be, for example, cm -3 . Along with the counting, the mass concentration of the particle material in the sample is also measured. The calculated concentration n and mass concentration C are interconnected by a simple ratio:

Figure 00000001
Figure 00000001

Здесь V - единичный объем жидкости (например, 1 см3), v - объем одной частицы, ρ - плотность материала частицы, Для сферических частиц диаметром d формула (1) принимает вид:Here V is the unit volume of the liquid (for example, 1 cm 3 ), v is the volume of one particle, ρ is the density of the particle material, For spherical particles of diameter d, formula (1) takes the form:

Figure 00000002
Figure 00000002

Известны методы измерения массовой концентрации дисперсных частиц в жидких средах, основанные на измерении объема исследуемого жидкого образца, его высушивании (выпаривании), взвешивании сухого остатка и вычислении массовой концентрации по полученным данным. Недостатком такого подхода является необходимость относительно большого объема жидкости для выпаривания (не менее 100-200 мл), определенная трудоемкость и длительность всей процедуры, невозможность отслеживать изменение концентрации в реальном времени.Known methods for measuring the mass concentration of dispersed particles in liquid media, based on measuring the volume of the investigated liquid sample, drying (evaporation), weighing the dry residue and calculating the mass concentration according to the data. The disadvantage of this approach is the need for a relatively large volume of liquid for evaporation (at least 100-200 ml), a certain complexity and duration of the entire procedure, and the inability to track the change in concentration in real time.

Измерение массовой концентрации отдельных химических элементов, входящих в состав дисперсных частиц, взвешенных в жидкости, может быть произведено на атомно-абсорбционных или атомно-эмиссионных спектрометрах. Такие измерения также требуют разрушения образца и, соответственно, исключают отслеживание изменений концентрации в реальном времени. Кроме того, оба названных выше метода позволяют измерять только массовую концентрацию вещества - материала наночастицы. Для вычисления счетной концентрации, как видно из формул (1-2), необходимы значения геометрических параметров частиц, которые требуют дополнительных, часто трудоемких измерений, например, на электронном или атомно-силовом микроскопе.Measurement of the mass concentration of individual chemical elements that make up dispersed particles suspended in a liquid can be performed on atomic absorption or atomic emission spectrometers. Such measurements also require destruction of the sample and, accordingly, exclude tracking changes in concentration in real time. In addition, both of the above methods allow measuring only the mass concentration of a substance - a nanoparticle material. To calculate the calculated concentration, as can be seen from formulas (1-2), the values of the geometric parameters of the particles are needed, which require additional, often laborious measurements, for example, using an electron or atomic force microscope.

Известны способы измерения массовой или счетной концентрации наночастиц с помощью оптической абсорбционной спектрофотометрии. Эти способы предусматривают построение градуировочного графика (зависимости оптической плотности образца на выбранной длине волны от концентрации частиц) с помощью серии образцов с известными значениями концентрации частиц (образцов сравнения). Затем измеряют оптическую плотность анализируемого образца на той же длине волны и с помощью градуировочного графика определяют соответствующее ему значение концентрации. Для реализации любого из этих способов необходима серия образцов сравнения с заранее известными значениями концентрации.Known methods for measuring the mass or counting concentration of nanoparticles using optical absorption spectrophotometry. These methods include the construction of a calibration graph (the dependence of the optical density of the sample at the selected wavelength on the concentration of particles) using a series of samples with known values of the concentration of particles (comparison samples). Then measure the optical density of the analyzed sample at the same wavelength and using the calibration graph to determine the corresponding concentration value. To implement any of these methods, a series of comparison samples with previously known concentration values is required.

Известен также оптический способ, не требующий образцов сравнения, а использующий для определения счетной концентрации спектры экстинкции, т.е. зависимость оптической плотности от длины волны в спектральном диапазоне в окрестностях пика плазмонного резонанса. Способ предполагает расчет концентрации частиц по значению их экстинкции при длине волны, находящейся на достаточном расстоянии от пика плазмонного резонанса. Для такого расчета необходимо знать размер частиц, который определяется по положению пика плазмонного резонанса по шкале длин волн. Этот способ описан в работах [W. Haiss et al. Determination of Size and Concentration of Gold Nanoparticles from UV-Vis Spectra, Analytical Chemistry, 2007, V. 79, P.P. 4215-4221; N.G. Khlebtsov Determination of Size and Concentration of Gold Nanoparticles from Extinction Spectra, Analytical Chemistry, 2008, V. 80, P.P. 6620-6625] для золотых и [D. Parmelle et al. A rapid method to estimate the concentration of citrate capped silver nanoparticles from UV-visable light spectra, Analyst, 2014, V. 139, P.P. 4855-4861] для серебряных наночастиц. Его недостаток заключается в ограниченной применимости - он может использоваться только для частиц, имеющих пик плазмонного резонанса в доступной для наблюдения области, т.е. только для частиц из золота и серебра. Более того, даже для частиц из этих материалов метод применим лишь к монодисперсным системам, т.е. имеющим только один пик в распределении частиц по размерам. Для полидисперсных систем, в которых имеются частицы двух и более характерных размеров, сильно отличающихся друг от друга, рассматриваемый способ непригоден. Кроме того, положение пика плазмонного резонанса зависит не только от размеров частиц, но и от свойств жидкости, в которой они взвешены, и состояния поверхности частицы. Влияние этих факторов ограничивает точность определения размера частицы и, соответственно, концентрации частиц, причем относительная погрешность определения концентрации, обусловленная этим фактором, может значительно превышать погрешность измерения размера частицы. Согласно данным недавно вышедшей работы [Т. Hendel et al In Situ Determination of Colloidal Gold Concentrations with UV-Vis Spectroscopy: Limitations and Perspectives, Analytical Chemistry, 2014 V. 86, P.P. 11114-11124], эта погрешность может превышать 30%. Данный недостаток проявляется даже в той достаточно узкой области, в которой метод работает (в данном случае для монодисперсных частиц золота).An optical method is also known, which does not require comparison samples, but uses extinction spectra to determine the countable concentration, i.e. dependence of optical density on wavelength in the spectral range in the vicinity of the peak of plasmon resonance. The method involves calculating the concentration of particles according to the value of their extinction at a wavelength located at a sufficient distance from the peak of plasmon resonance. For such a calculation, it is necessary to know the particle size, which is determined by the position of the plasmon resonance peak on the wavelength scale. This method is described in [W. Haiss et al. Determination of Size and Concentration of Gold Nanoparticles from UV-Vis Spectra, Analytical Chemistry, 2007, V. 79, P.P. 4215-4221; N.G. Khlebtsov Determination of Size and Concentration of Gold Nanoparticles from Extinction Spectra, Analytical Chemistry, 2008, V. 80, P.P. 6620-6625] for gold and [D. Parmelle et al. A rapid method to estimate the concentration of citrate capped silver nanoparticles from UV-visable light spectra, Analyst, 2014, V. 139, P.P. 4855-4861] for silver nanoparticles. Its disadvantage is limited applicability - it can be used only for particles having a plasmon resonance peak in the observable region, i.e. only for particles of gold and silver. Moreover, even for particles of these materials, the method is applicable only to monodisperse systems, i.e. having only one peak in the particle size distribution. For polydisperse systems in which there are particles of two or more characteristic sizes that are very different from each other, the considered method is unsuitable. In addition, the position of the plasmon resonance peak depends not only on the size of the particles, but also on the properties of the liquid in which they are suspended and the state of the surface of the particle. The influence of these factors limits the accuracy of determining the particle size and, accordingly, the concentration of particles, and the relative error in determining the concentration due to this factor can significantly exceed the error in measuring particle size. According to recent work [T. Hendel et al In Situ Determination of Colloidal Gold Concentrations with UV-Vis Spectroscopy: Limitations and Perspectives, Analytical Chemistry, 2014 V. 86, P.P. 11114-11124], this error may exceed 30%. This disadvantage manifests itself even in the rather narrow region in which the method works (in this case, for monodisperse gold particles).

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ определения концентрации наночастиц методом динамического рассеяния света, описанный в работе [В.В. Высоцкий, О.Я. Урюпина, А.В. Гусельникова, В.И. Ролдугин. О возможности определения концентрации частиц методом динамического светорассеяния, Коллоидный журнал, 2009, том 71, №6, с. 728-733]. Этот способ включает:Closest to the claimed invention is a method for determining the concentration of nanoparticles by dynamic light scattering, described in [V.V. Vysotsky, O.Ya. Uryupina, A.V. Guselnikova, V.I. Roldugin. On the possibility of determining particle concentration by dynamic light scattering, Colloid Journal, 2009, Volume 71, No. 6, p. 728-733]. This method includes:

- измерение на приборе динамического рассеяния света среднего гидродинамического диаметра наночастиц dH для двух образцов;- measurement on the instrument of dynamic light scattering of the average hydrodynamic diameter of the nanoparticles d H for two samples;

- измерение на том же приборе дополнительной оптической характеристики - скорости счета фотонов рассеянного света для каждого из образцов;- measurement on the same device of an additional optical characteristic - the counting rate of scattered light photons for each of the samples;

- расчет относительной концентрации наночастиц в одном из образцов по отношению к другому, в предположении, что интенсивность рассеяния прямо пропорциональна шестой степени диаметра частиц, т.е. в предположении, что интенсивность рассеяния I подчиняется закону Релея- calculation of the relative concentration of nanoparticles in one of the samples with respect to the other, under the assumption that the scattering intensity is directly proportional to the sixth power of the particle diameter, i.e. under the assumption that the scattering intensity I obeys the Rayleigh law

Figure 00000003
Figure 00000003

Данному способу присущи следующие ограничения:This method has the following limitations:

- способ позволяет определять только относительную концентрацию наночастиц в образце относительно какого-то другого образца. Для большинства задач представляют интерес именно абсолютные концентрации, т.е. число частиц в единице объема. Для того, чтобы метод, принятый за прототип, использовать для измерения абсолютных концентраций, необходимо иметь хотя бы один образец сравнения - коллоидный раствор наночастиц данного типа с заранее известной концентрацией;- the method allows to determine only the relative concentration of nanoparticles in the sample relative to some other sample. For most tasks, it is the absolute concentrations that are of interest, i.e. number of particles per unit volume. In order for the method adopted for the prototype to be used for measuring absolute concentrations, it is necessary to have at least one reference sample — a colloidal solution of nanoparticles of this type with a known concentration;

- способ применим только к сферическим наночастицам достаточно малого размера (диаметр частиц не должен превышать 30-40 нм). Это ограничение обусловлено тем, что при расчетах концентрации используется закон Релея, который справедлив только для сферических частиц, диаметр которых меньше длины волны рассеиваемого излучения по крайней мере в 20 раз;- the method is applicable only to spherical nanoparticles of a sufficiently small size (particle diameter should not exceed 30-40 nm). This limitation is due to the fact that when calculating the concentration, the Rayleigh law is used, which is valid only for spherical particles whose diameter is less than the wavelength of the scattered radiation by at least 20 times;

- точность способа ограничена из-за очень резкой зависимости вычисляемого значения концентрации С от диаметра частиц dH (C~d6). Поэтому даже незначительная погрешность при измерении диаметра частиц приводит к существенно большей погрешности для концентрации.- the accuracy of the method is limited due to the very sharp dependence of the calculated concentration value C on the particle diameter d H (C ~ d 6 ). Therefore, even a slight error in measuring the particle diameter leads to a significantly larger error for the concentration.

Технической задачей настоящего изобретения является значительное увеличение возможностей способа, т.е. обеспечение измерения абсолютных значений концентрации, существенное расширение диапазона размеров частиц, для которого способ применим, и повышение его точности.An object of the present invention is to significantly increase the capabilities of the method, i.e. ensuring the measurement of absolute concentration values, a significant expansion of the range of particle sizes for which the method is applicable, and increasing its accuracy.

Техническим результатом, полученным от реализации предлагаемого способа, является возможность измерений абсолютных концентраций частиц без необходимости использовать какие-либо образцы сравнения, а также расширение верхней границы диапазона диаметров частиц с 30-40 нм до 6000 нм, т.е. до границы применимости метода динамического рассеяния света, а также повышение точности определения концентрации.The technical result obtained from the implementation of the proposed method is the ability to measure absolute particle concentrations without the need to use any comparison samples, as well as expanding the upper boundary of the range of particle diameters from 30-40 nm to 6000 nm, i.e. to the limit of applicability of the dynamic light scattering method, as well as increasing the accuracy of determining the concentration.

Данный технический результат достигается предложенным способом оптического измерения счетной концентрации дисперсных частиц в жидких средах, заключающимся в том, что кювету с коллоидным раствором, содержащим исследуемые частицы, просвечивают лазерным излучением с длиной волны λ0, измеряют зависимость от времени интенсивности излучения, рассеянного под определенным углом θ - Iрасс.(τ), вычисляют характерное время флуктуаций этой интенсивности τ0,, по значению τ0 определяют гидродинамический диаметр частиц dH по формуле:

Figure 00000004
, где k - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура, η - динамическая вязкость растворителя,
Figure 00000005
- волновой вектор рассеянного излучения, n - показатель преломления растворителя, затем измеряют интенсивности излучения, прошедшего через кювету с коллоидным раствором I1 и кювету с фоном I0, вычисляют оптическую плотность частиц относительно фона по формуле:
Figure 00000006
и по полученным значениям оптической плотности, гидродинамического диаметра частиц и, вычисленной по формулам теории светорассеяния, например, Ми, эффективности экстинкции частиц Qэкст.(dH), определяют счетную концентрацию частиц по формуле:
Figure 00000007
, где h - длина оптического пути в кювете.This technical result is achieved by the proposed method of optical measurement of the counted concentration of dispersed particles in liquid media, namely, that a cuvette with a colloidal solution containing the particles to be studied is illuminated by laser radiation with a wavelength of λ 0 , and the time dependence of the radiation intensity scattered at a certain angle is measured θ - I diff. (τ), calculate the characteristic time of fluctuations of this intensity τ 0 ,, the value of τ 0 determine the hydrodynamic particle diameter d H by the formula:
Figure 00000004
where k is the Boltzmann constant, T is the absolute temperature, η is the dynamic viscosity of the solvent,
Figure 00000005
- wave vector of scattered radiation, n is the refractive index of the solvent, then measure the intensity of radiation passing through a cell with a colloidal solution I 1 and a cell with a background I 0 , calculate the optical density of the particles relative to the background by the formula:
Figure 00000006
and according to the obtained values of optical density, hydrodynamic diameter of the particles and calculated by the formulas of the theory of light scattering, for example, Mie, the extinction efficiency of particles Q ext. (d H ), determine the calculated concentration of particles according to the formula:
Figure 00000007
where h is the length of the optical path in the cell.

Предложенный способ оптического измерения счетной концентрации дисперсных частиц в жидких средах, включающий измерение среднего гидродинамического диаметра методом динамического рассеяния света и измерение оптической плотности на одной из длин волн видимого диапазона обладает следующими отличительными особенностями:The proposed method for optical measurement of the calculated concentration of dispersed particles in liquid media, including measuring the average hydrodynamic diameter by dynamic light scattering and measuring the optical density at one of the visible wavelengths, has the following distinctive features:

- использование в качестве дополнительной оптической характеристки образца оптической плотности (экстинкции) на одной из характерных длин волн, а не скорости счета фотонов рассеянного света, как в прототипе;- use as an additional optical characteristic of the sample optical density (extinction) at one of the characteristic wavelengths, and not the counting rate of scattered light photons, as in the prototype;

- расчет абсолютного значения концентрации для исследуемого образца, а не относительной счетной концентрации одного образца по отношению к другому;- calculation of the absolute concentration value for the test sample, and not the relative calculated concentration of one sample with respect to another;

- использование для расчета счетной концентрации формул для сечения экстинкции общей теории рассеяния Ми, справедливых для диаметров до 10000 нм, а не закона Релея (3) справедливого лишь для наночастиц, диаметр которых не превышает 30-40 нм.- the use for calculating the calculated concentration of formulas for the extinction cross section of the general Mie scattering theory, valid for diameters up to 10,000 nm, and not the Rayleigh law (3), valid only for nanoparticles whose diameter does not exceed 30-40 nm.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом:The proposed method is implemented as follows:

1. Измеряют гидродинамический диаметр частиц dH в исследуемом коллоидном растворе методом динамического рассеяния света. [ISO 22412-2008 Particle sizes analysis - Dynamic light scattering].1. Measure the hydrodynamic particle diameter d H in the studied colloidal solution by dynamic light scattering. [ISO 22412-2008 Particle sizes analysis - Dynamic light scattering].

2. Измеряют оптическую плотность образца Aλ относительно фона (т.е. жидкости, в которой взвешены исследуемые частицы) на одной из характерных длин волн λ.2. Measure the optical density of the sample A λ relative to the background (ie, the liquid in which the test particles are suspended) at one of the characteristic wavelengths λ.

3. Вычисляют сечение экстинкции Q(dH, m, λ) по формулам теории рассеяния Ми.3. The extinction cross section Q (d H , m, λ) is calculated by the formulas of the Mie scattering theory.

4. По справочным или литературным данным определяют значения действительной и мнимой части комплексного показателя преломления материала взвешенных частиц и фоновой жидкости, соответственно nчаст. и kчаст., nфон. и kфон.. Вычисляют относительный комплексный показатель преломления частиц

Figure 00000008
4. By reference or literature data, the values of the real and imaginary parts of the complex refractive index of the material of suspended particles and background liquid are determined, respectively, n part. and k frequent , n background. and k background. . The relative complex refractive index of particles is calculated
Figure 00000008

5. По формулам теории рассеяния Ми, вычисляют эффективность экстинкции Qэкст(m, x), где x - безразмерный параметр,

Figure 00000009
- Формулы для вычисления эффективности экстинкции Qэкст. при заданных значениях m и x приведены в различных источниках, например, [К. Борен, Д. Хафмен Поглощение и рассеяние света малыми частицами, пер. с англ, М, «Мир», 1986]. Имеются также коды компьютерных программ, приведенные в [С. Matzler Matlab codes for Mie scattering and absorption, 2002; S. Prahl Mie Scattering (Version 2-3-3); интернет - ресурс http://omlc.org/software/mie/mie_src.pdf5. Using the formulas of the Mie scattering theory, the extinction efficiency Q ext (m, x) is calculated, where x is a dimensionless parameter,
Figure 00000009
- Formulas for calculating extinction efficiency Q ext. for given values of m and x are given in various sources, for example, [K. Boren, D. Huffman Absorption and scattering of light by small particles, trans. with English, M, Mir, 1986]. There are also codes of computer programs given in [S. Matzler Matlab codes for Mie scattering and absorption, 2002; S. Prahl Mie Scattering (Version 2-3-3); Internet resource http://omlc.org/software/mie/mie_src.pdf

По вычисленному значению Qэкст. и измеренным значениям dh и Аλ вычисляют счетную концентрацию наночастиц N по формулеAccording to the calculated value of Q ext. and the measured values of d h and A λ calculate the calculated concentration of nanoparticles N by the formula

Figure 00000010
, где
Figure 00000010
where

h - длина оптического пути в кювете.h is the optical path length in the cell.

Для реализации способа предложено устройство для оптического измерения счетной концентрации дисперсных частиц в жидких средах, содержащее лазер, светодиодный источник, направление излучения которого совпадает с направлением излучения лазера, поворотное зеркало, направляющее на образец излучение одного из этих источников, расположенные по ходу лазерного луча диафрагму, фокусирующую линзу, кювету с образцом, фотоприемник, измеряющий интенсивность проходящего излучения, и расположенную под углом к лазерному лучу систему сбора рассеянного излучения, включающую диафрагму, собирающую линзу и фотоприемник, измеряющий зависимость от времени интенсивности рассеянного излучения.To implement the method, a device for optical measurement of the counted concentration of dispersed particles in liquid media is proposed, comprising a laser, an LED source, the direction of radiation of which coincides with the direction of laser radiation, a rotary mirror directing one of these sources to the sample, located along the diaphragm along the laser beam, a focusing lens, a sample cell, a photodetector measuring the intensity of transmitted radiation, and a scattering system located at an angle to the laser beam th radiation, comprising a diaphragm, a collecting lens and a photodetector measuring the time dependence of the intensity of scattered radiation.

Отличительными особенностями предлагаемого устройства является то, что к фотоприемнику, измеряющему интенсивность рассеянного излучения, на пути излучения установлен дополнительный фотоприемник, измеряющий интенсивность излучения прошедшего через кювету, значение этой интенсивности используется для определения оптической плотности образца, а в дополнение к источнику лазерного излучения установлен дополнительный излучатель, например светодиод, направление излучения которого совпадает с направлением лазерного излучения.Distinctive features of the proposed device is that to the photodetector measuring the intensity of the scattered radiation, an additional photodetector is installed in the path of the radiation, measuring the intensity of the radiation transmitted through the cell, the value of this intensity is used to determine the optical density of the sample, and in addition to the laser source, an additional emitter is installed for example, an LED whose radiation direction coincides with the direction of the laser radiation.

Наличие этих элементов отсутствует у известных анализаторов размеров частиц методом динамического рассеяния света.The presence of these elements is absent in the known particle size analyzers by the method of dynamic light scattering.

Техническим результатом, получаемым от внедрения предлагаемого устройства, является возможность, наряду с измерением гидродинамического диаметра частиц, присутствующих в исследуемом образце, измерять также оптическую плотность этих частиц относительно фона. Измерение оптической плотности может производиться на длине волны либо лазерного, либо светодиодного источника излучения, входящих в состав предлагаемого прибора.The technical result obtained from the implementation of the proposed device is the ability, along with measuring the hydrodynamic diameter of the particles present in the test sample, to measure the optical density of these particles relative to the background. The measurement of optical density can be performed at a wavelength of either a laser or LED radiation source, which are part of the proposed device.

Предложенное устройство представляет собой усовершенствованный анализатор частиц, реализующий метод динамического рассеяния света.The proposed device is an advanced particle analyzer that implements the method of dynamic light scattering.

Схема устройства приведена на чертеже. Она включает основной источник излучения - лазер 1, поворотное зеркало 2, которое может занимать два рабочих положения, дополнительный источник излучения - светодиод 3, направление излучения которого совпадает с направлением излучения лазера 1, диафрагму 4, фокусирующую линзу 5, держатели кювет 6, в который последовательно устанавливаются кюветы с анализируемым образцом, и с фоном, фотоприемник 7, измеряющий интенсивность излучения, прошедшего через кювету, систему сбора рассеянного излучения, состоящую из диафрагмы 8, собирающей линзы 9 и фотоприемника 10.The device diagram is shown in the drawing. It includes the main radiation source - laser 1, a rotary mirror 2, which can occupy two working positions, an additional radiation source - LED 3, the radiation direction of which coincides with the direction of laser radiation 1, aperture 4, focusing lens 5, holders of the cell 6, in which cuvettes with the analyzed sample and with the background, a photodetector 7 measuring the intensity of the radiation transmitted through the cuvette, a system for collecting scattered radiation, consisting of a diaphragm 8, collecting lenses 9 and phot receiver 10.

Для осуществления предложенного способа необходимо последовательно реализовать два режима работы устройства.To implement the proposed method, it is necessary to sequentially implement two modes of operation of the device.

Режим измерения оптической плотности в зависимости от того, на какой длине волны необходимо измерить оптическую плотность включается один из двух источников света - либо лазер 1, либо светодиод 3. С помощью фотоприемника 7 измеряются значения интенсивности излучения, прошедшего через последовательно устанавливаемые в держатель 6 кюветы с образцом (I) и с фоном (I0). По этим значениям компьютерная программа вычисляет оптическую плотность А с помощью формулы A=lg(I0/I). В известных анализаторах размера частиц методом динамического рассеяния света возможность измерения оптической плотности не предусматривается.The optical density measurement mode, depending on the wavelength of the optical density, requires one of two light sources to turn on, either laser 1 or LED 3. Using the photodetector 7, the radiation intensity transmitted through successively installed cuvettes 6 with sample (I) and with background (I 0 ). Using these values, the computer program calculates the optical density A using the formula A = log (I 0 / I). In known particle size analyzers by the method of dynamic light scattering, the possibility of measuring the optical density is not provided.

Режим измерения гидродинамического диаметра частиц The measurement mode of the hydrodynamic particle diameter

Это обычный режим, реализующий метод динамического рассеяния света. Излучение лазера 1 поворотным зеркалом 2 направляется на диафрагму 4, проходит через эту диафрагму и фокусирующей линзой 5, фокусируется в центре кюветы с образцом, помещенной в держатель 6. Излучение, рассеянное под некоторым углом (в схеме, приведенной на фигуре, этот угол равен 90°), собирается диафрагмой 8 и линзой 9 и направляется на фотоприемник 10. С помощью фотоприемника 10 измеряется зависимость от времени интенсивности рассеянного излучения Iрacc.(t). По этой зависимости компьютерной программой по алгоритму динамического рассеяния света определяется гидродинамический диаметр частиц dH.This is the usual mode that implements the method of dynamic light scattering. Laser radiation 1 is directed by a rotary mirror 2 to aperture 4, passes through this aperture and focusing lens 5, and is focused in the center of the cell with the sample placed in holder 6. Radiation scattered at a certain angle (in the diagram shown in the figure, this angle is 90 °), is collected by the diaphragm 8 and the lens 9 and sent to the photodetector 10. Using the photodetector 10, the time dependence of the intensity of the scattered radiation I pacc is measured. (t). According to this dependence, the hydrodynamic particle diameter d H is determined by a computer program using the dynamic light scattering algorithm.

Хотя настоящее изобретение описано на примере конкретных вариантов его осуществления, для специалистов будут ясны возможности многочисленных модификаций данного изобретения, не выходящие за границы объема его правовой охраны, определяемого прилагаемой формулой.Although the present invention has been described with specific embodiments, it will be apparent to those skilled in the art that numerous modifications of the invention will be possible without departing from the scope of its legal protection as defined by the appended claims.

Экспериментальные данныеExperimental data

Для проверки предложенного способа с его помощью были проведены измерения счетной концентрации наночастиц в пяти образцах жидких дисперсий - четырех дисперсиях на основе наночастиц двуокиси кремния и одной на основе наночастиц серебра. По значениям счетной концентрации, определенным предлагаемым способом, вычислялась массовая концентрация, значения которой сравнивались с исходными данными. В качестве исходных данных для частиц двуокиси кремния принимались значения концентрации в весовых процентах, сообщенные производителем, а для частиц серебра - значения массовой концентрации, определенные по спектрам плазмонного резонанса. Значения гидродинамического диаметра измерялись на анализаторе размеров частиц АРН-2, а оптической плотности - на спектрофотометре-флуориметре СФФ-2 "Флуоран» (оба прибора разработаны ФГУП «ВНИИОФИ»). Полученные данные приведены в таблице 1.To verify the proposed method, it was used to measure the calculated concentration of nanoparticles in five samples of liquid dispersions - four dispersions based on silicon dioxide nanoparticles and one based on silver nanoparticles. According to the values of the calculated concentration determined by the proposed method, the mass concentration was calculated, the values of which were compared with the initial data. The initial data for particles of silicon dioxide were the concentration values in weight percent reported by the manufacturer, and for silver particles, the mass concentration values determined from the plasmon resonance spectra were taken. The values of the hydrodynamic diameter were measured on an ARN-2 particle size analyzer, and the optical density was measured on an SFF-2 Fluoran spectrophotometer-fluorimeter (both devices were developed by FSUE VNIIOFI). The data obtained are shown in Table 1.

Figure 00000011
Figure 00000011

При расчетах Qэкст. по формулам теории Ми использовались значения для действительной (n) и мнимой (k) частей показателя преломления, приведенные в таблице 2. При этом для наночастиц из SiO2 вводились поправки, учитывающие зависимость n и k от размеров частиц.When calculating Q ext. according to the formulas of the Mie theory, we used the values for the real (n) and imaginary (k) parts of the refractive index given in Table 2. Moreover, corrections were introduced for SiO 2 nanoparticles taking into account the dependence of n and k on the particle sizes.

Figure 00000012
Figure 00000012

Claims (2)

1. Способ оптического измерения счетной концентрации дисперсных частиц в жидких средах, заключающийся в том, что кювету с коллоидным раствором, содержащим исследуемые частицы, просвечивают лазерным излучением с длиной волны λ0, измеряют зависимость от времени интенсивности излучения, рассеянного под определенным углом θ - Iрасс.(τ), вычисляют характерное время флуктуаций этой интенсивности τ0, по значению τ0 определяют гидродинамический диаметр частиц dH по формуле:
Figure 00000013
, где k - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура, η - динамическая вязкость растворителя,
Figure 00000014
- волновой вектор рассеянного излучения, n - показатель преломления растворителя, затем измеряют интенсивности излучения, прошедшего через кювету с коллоидным раствором I1 и кювету с фоном I0, вычисляют оптическую плотность частиц относительно фона по формуле:
Figure 00000015
и по полученным значениям оптической плотности, гидродинамического диаметра частиц и вычисленной по формулам теории светорассеяния эффективности экстинкции частиц Qэкст.(dH) определяют счетную концентрацию частиц по формуле:
Figure 00000016
где h - длина оптического пути в кювете.
1. The method of optical measurement of the counted concentration of dispersed particles in liquid media, namely, that a cell with a colloidal solution containing the particles to be studied is illuminated by laser radiation with a wavelength of λ 0 , and the time dependence of the radiation intensity scattered at a certain angle θ - I is measured rass. (τ), calculating a characteristic time τ of the intensity fluctuations of 0, the value of τ 0 is determined the hydrodynamic diameter of the particle d H according to the formula:
Figure 00000013
where k is the Boltzmann constant, T is the absolute temperature, η is the dynamic viscosity of the solvent,
Figure 00000014
- wave vector of scattered radiation, n is the refractive index of the solvent, then measure the intensity of radiation passing through a cell with a colloidal solution I 1 and a cell with a background I 0 , calculate the optical density of the particles relative to the background by the formula:
Figure 00000015
and according to the obtained values of optical density, hydrodynamic diameter of the particles and the extinction efficiency of particles calculated by the formulas of the theory of light scattering Q ext. (d H ) determine the calculated concentration of particles according to the formula:
Figure 00000016
where h is the length of the optical path in the cell.
2. Устройство для оптического измерения счетной концентрации дисперсных частиц в жидких средах, содержащее лазер, светодиодный источник, направление излучения которого совпадает с направлением излучения лазера, поворотное зеркало, направляющее на образец излучение одного из этих источников, расположенные по ходу лазерного луча диафрагму, фокусирующую линзу, кювету с образцом, фотоприемник, измеряющий интенсивность проходящего излучения, и расположенную под углом к лазерному лучу систему сбора рассеянного излучения, включающую диафрагму, собирающую линзу и фотоприемник, измеряющий зависимость от времени интенсивности рассеянного излучения.2. Device for optical measurement of the counted concentration of dispersed particles in liquid media, containing a laser, an LED source, the direction of radiation of which coincides with the direction of laser radiation, a rotary mirror directing the radiation of one of these sources to the sample, located along the laser beam, aperture, focusing lens , a sample cuvette, a photodetector measuring the intensity of transmitted radiation, and a system for collecting scattered radiation at an angle to the laser beam, including a diaphragm a PMU collecting a lens and a photodetector measuring the time dependence of the intensity of the scattered radiation.
RU2015151702A 2015-12-02 2015-12-02 Method for optical measurement of calculating concentration of dispersed particles in liquid environments and device for its implementation RU2610942C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015151702A RU2610942C1 (en) 2015-12-02 2015-12-02 Method for optical measurement of calculating concentration of dispersed particles in liquid environments and device for its implementation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015151702A RU2610942C1 (en) 2015-12-02 2015-12-02 Method for optical measurement of calculating concentration of dispersed particles in liquid environments and device for its implementation

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2610942C1 true RU2610942C1 (en) 2017-02-17

Family

ID=58458803

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015151702A RU2610942C1 (en) 2015-12-02 2015-12-02 Method for optical measurement of calculating concentration of dispersed particles in liquid environments and device for its implementation

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2610942C1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU183438U1 (en) * 2018-04-05 2018-09-24 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") Device for measuring the distribution of the concentration and size of nanoparticles in liquids
RU2702659C1 (en) * 2018-12-14 2019-10-09 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева Российской академии наук (ИНХС РАН) Method for assessment of stability of iron-containing dispersion
CN111551523A (en) * 2020-05-19 2020-08-18 安徽科达新材料有限公司 Method for rapidly evaluating dispersion performance of positive and negative electrode slurry of battery
RU2816346C1 (en) * 2023-12-22 2024-03-29 Общество с ограниченной ответственностью "Торговый Дом "ХИММЕД" Method of determining nanoparticles in high-purity acids

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU739376A1 (en) * 1977-12-28 1980-06-05 Предприятие П/Я Г-4671 Device for measuring size and count of aerosol particles
SU987474A1 (en) * 1981-07-10 1983-01-07 Киевский Ордена Трудового Красного Знамени Институт Инженеров Гражданской Авиации Aerosol dispersion composition laser analyzer
RU46099U1 (en) * 2005-03-14 2005-06-10 Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Российская Экономическая Академия Имени Г.В. Плеханова" DEVICE FOR DETERMINING DIMENSIONS AND CONCENTRATION OF PARTICLES OF COLLOID-DISPERSED SYSTEMS
RU81575U1 (en) * 2008-10-09 2009-03-20 Общество С Ограниченной Ответственностью "Новые Энергетические Технологии" DEVICE FOR MEASURING THE DISTRIBUTION OF THE SIZES AND CONCENTRATIONS OF NANOPARTICLES IN LIQUIDS AND GASES
CN102636422A (en) * 2012-05-09 2012-08-15 上海理工大学 Nanoparticle solution concentration measuring device and measuring method thereof
RU2525605C2 (en) * 2012-10-26 2014-08-20 Вячеслав Геннадьевич Певгов Method and apparatus for optical measurement of distribution of size and concentration of dispersed particles in liquids and gases using single-element and matrix laser radiation photodetectors

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU739376A1 (en) * 1977-12-28 1980-06-05 Предприятие П/Я Г-4671 Device for measuring size and count of aerosol particles
SU987474A1 (en) * 1981-07-10 1983-01-07 Киевский Ордена Трудового Красного Знамени Институт Инженеров Гражданской Авиации Aerosol dispersion composition laser analyzer
RU46099U1 (en) * 2005-03-14 2005-06-10 Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Российская Экономическая Академия Имени Г.В. Плеханова" DEVICE FOR DETERMINING DIMENSIONS AND CONCENTRATION OF PARTICLES OF COLLOID-DISPERSED SYSTEMS
RU81575U1 (en) * 2008-10-09 2009-03-20 Общество С Ограниченной Ответственностью "Новые Энергетические Технологии" DEVICE FOR MEASURING THE DISTRIBUTION OF THE SIZES AND CONCENTRATIONS OF NANOPARTICLES IN LIQUIDS AND GASES
CN102636422A (en) * 2012-05-09 2012-08-15 上海理工大学 Nanoparticle solution concentration measuring device and measuring method thereof
RU2525605C2 (en) * 2012-10-26 2014-08-20 Вячеслав Геннадьевич Певгов Method and apparatus for optical measurement of distribution of size and concentration of dispersed particles in liquids and gases using single-element and matrix laser radiation photodetectors

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU183438U1 (en) * 2018-04-05 2018-09-24 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") Device for measuring the distribution of the concentration and size of nanoparticles in liquids
RU2702659C1 (en) * 2018-12-14 2019-10-09 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева Российской академии наук (ИНХС РАН) Method for assessment of stability of iron-containing dispersion
CN111551523A (en) * 2020-05-19 2020-08-18 安徽科达新材料有限公司 Method for rapidly evaluating dispersion performance of positive and negative electrode slurry of battery
RU2816346C1 (en) * 2023-12-22 2024-03-29 Общество с ограниченной ответственностью "Торговый Дом "ХИММЕД" Method of determining nanoparticles in high-purity acids

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Maaß et al. Experimental comparison of measurement techniques for drop size distributions in liquid/liquid dispersions
JP5325679B2 (en) Dynamic light scattering measuring apparatus and light scattering intensity measuring method using low coherence light source
US9366612B2 (en) Methods and apparatus to obtain suspended particle information
US7719682B2 (en) Methods and systems for computing a particle size distribution of small particles in a process
JP2014503195A5 (en)
JP5841475B2 (en) Dynamic light scattering measurement method and dynamic light scattering measurement device using low coherence light source
CN103890561A (en) Optical detection and analysis of particles
Wishard et al. Dynamic light scattering–an all-purpose guide for the supramolecular chemist
Lieberherr et al. Assessment of real-time bioaerosol particle counters using reference chamber experiments
US20190086314A1 (en) Method and apparatus of ultrafast particle dynamics measurement based on photon ensemble correlation spectroscopy
RU2610942C1 (en) Method for optical measurement of calculating concentration of dispersed particles in liquid environments and device for its implementation
Sartor Dynamic light scattering
CN101122555A (en) High concentration super fine granule measuring device and method based on backward photon related spectrum
Nakagawa et al. Design and characterization of a novel single-particle polar nephelometer
WO2009067043A1 (en) Method for measuring particle size in a liquid and device for carrying out said method
CN107677573A (en) A kind of multi-peak particle swarm particle diameter distribution detection method
JP2009210584A (en) Method and system for computing particle size distribution of small particles in process
JP2010060544A (en) Method and device for measuring viscosity and particle size distribution using brown particle
US9594011B2 (en) Method and instrumentation for determining a physical property of a particle
CN102507500B (en) Laser environment scattering power measuring device
RU2441218C1 (en) Method of determining dispersity and concentration of particles in aerosol cloud
Urquidi et al. Toward time resolved dynamic light scattering microscopy: Retrieving particle size distributions at high temporal resolutions
US10139329B2 (en) Particle size determination using Raman spectroscopy
Levin et al. Determination of number density of particles together with measurement of their sizes by dynamic light scattering
JP2012177679A (en) Granularity representative value estimation device and granularity representative value estimation method

Legal Events

Date Code Title Description
QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20180511

Effective date: 20180511