[发明专利]浑浊介质微粒运动特性的完整、高分辨测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种浑浊介质微粒运动图像的完整、高分辨测试方法。具体的说是涉及一种利用动态散斑与飞秒激光测试光路相结合，实现对浑浊介质“溶液→胶体→沉淀”过程中微粒运动特性的完整而又具有超高时空分辨特点的测试；该方法检测范围广、测量精度高，对医学、制药及化工生产等领域具有非常重要的意义。

背景技术

浑浊介质指能同时产生散射和吸收且主要由散射造成的折射率非均匀性介质；多数化学溶液、试剂中含有大量散射微粒，是典型的浑浊介质。因此，研究浑浊介质“溶液→胶体→沉淀”过程中微粒的运动特性对医学、制药及化工生产等领域具有重要的学术价值和科学意义，是现代科学研究的前沿热点。经文献检索，美国专利“浑浊介质中半透明物体的二维成像”(授权号为US5644429A，授权日为1997.07.01)，提供了一种利用4F傅里叶光学成像系统实现对浑浊介质溶液中半透明物体的成像方法，该方法能实现半透明物体的成像，缺点是不能对浑浊溶液中大量微粒的运动过程进行检测；美国专利“清澈和浑浊介质中微粒表征方法及装置”(授权号为US 7528384B2，授权日为2009.05.05)，能实现荧光微粒的尺寸、形状及浓度等的检测，但测量精度较低、不能实现实时测量，限制了其应用范围；专利“一种非接触测量溶液浓度的装置及方法”(公开号为CN101430275A，公开日为2009.05.13)，其适用对象是无散射的眼睛房水，应用范围很窄，不具有普适性；专利“浑浊介质微粒尺寸、浓度变化的动态散斑测量方法”(公开号为CN101788448A，公开日为2010.07.28)，该方法能够同时实现对浑浊介质中微粒尺寸及浓度变化的动态监视，其不足之处是没有实现对微粒运动特殊节点的高分辨分析。

分析可知，在对浑浊介质溶液微粒运动特性的检测技术中，已有技术存在的主要问题是：缺乏对浑浊介质“溶液→胶体→沉淀”过程中微粒运动特性的连续检测，没有在更小尺度(分子水平)、更短时间(飞秒量级)内，对浑浊介质微粒瞬态过程的微观动力学特性进行显微研究；没有实现对浑浊介质微粒运动特性的完整而又具有超高分辨特点的描述。

发明内容

本发明要解决的技术问题：对浑浊介质溶液“溶液→胶体→沉淀”过程中微粒的运动特性进行完整而又具有超高时空分辨特点的描述；提出一种适用范围广的检测方法。

当激光照射在动态变化的浑浊介质样品上时，由于介质中微粒对光的散射作用，在透射场形成随时间变化的动态散斑图像；利用散斑图的特征值(散斑尺寸、对比度及小波熵等)，结合微粒光散射理论对数据进行分析，可实现对浑浊介质“溶液→胶体→沉淀”过程中微粒运动特性的实时、连续、完整检测；于此同时，对感兴趣的特殊时空点的运动细节，辅以飞秒激光测试光路，进行高时空分辨的瞬态显微研究；两者结合，最终实现对浑浊介质微粒运动特性的完整而又具有高分辨特点的测量。

该发明是一种非接触、无损伤、高精度的实时测量方法，可广泛应用于医学生物学、制药及化工生产等领域。

本发明的方法，主要包括如下步骤：

(1)准备待测浑浊介质溶液：准备好需要检测的浑浊介质溶液，量取一定体积的溶液，将其置于光学比色皿中；

(2)选择合适的连续波激光器、准直扩束器、起偏器、会聚透镜、检偏器及CCD相机，布置动态散斑测试光路，其中，连续激光器的工作波长在400nm～700nm的范围内选择；CCD相机与光轴成一定夹角，以避免饱和曝光，CCD相机通过数据线与计算机连接；

(3)选择合适的飞秒激光器、偏振分束器、反射镜、检偏器、会聚透镜、KDP晶体、光阑及锁相放大器，布置飞秒激光测试光路：其中飞秒激光系统的输出波长在520-750nm范围内选择，脉冲宽度为5-100fs，重复频率为1kHz，脉冲能量为5-100nJ，反射镜的选择以不改变光线的偏振特性为依据，锁相放大器与计算机相连；

(4)打开连续波激光器的电源，激光器发出的激光束，经准直扩束器后变为平行光，然后，经过起偏器变为线偏振光，垂直照射在浑浊介质样品上，携带微粒运动信息的前向散射光经会聚透镜会聚，通过检偏器后进入CCD相机成像；

(5)同时，利用(2)中的CCD相机以不低于50fps的速率记录动态散斑图像，经图像采集卡采集后存储进计算机，进行实时分析监测；

(6)通过加热、加化学反应试剂等方法来控制浑浊介质溶液“溶液→胶体→沉淀”变化的进程；