[发明专利]纳米颗粒追踪装置

说明书

本公开涉及一种纳米颗粒追踪装置，包括：激光器，用于发射第一激光束；光学整形单元，用于将第一激光束整形成光强均匀分布的激光束，光学整形单元包括：扫描单元和会聚单元；扫描单元，用于调整第一激光束的方向得到第二激光束，将第二激光束反射到会聚单元；会聚单元，用于将第二激光束会聚为第三激光束，并出射到样品池；图像采集单元，用于采集样品池中纳米颗粒的图像；图像处理单元，与图像采集单元连接，用于分析图像以得到样品池中样品的参数。通过在激光器的出射光路上设置光学整形单元，光学整形单元能够将激光器发射的激光束整形成光强均匀的激光束，提高了纳米颗粒测量的准确度，降低了校准过程的复杂程度。

技术领域

本公开涉及测量技术领域，尤其涉及一种纳米颗粒追踪装置。

背景技术

目前常用的分析纳米颗粒粒径分布的技术有：静态光散射法，动态光散射法，电子显微镜法，流式细胞检测技术和纳米颗粒追踪技术。

纳米颗粒追踪技术基于颗粒的布朗运动，颗粒的布朗运动程度(扩散系数)与温度、粘度和颗粒的粒径等因素有关。

纳米颗粒追踪技术直接追踪每个颗粒的运动情况，通过分析各个颗粒的相对位移，进而计算出每个颗粒的粒径。通过统计大量颗粒的粒径，再得到颗粒的粒径分布。

如图1所示，激光器6发射的激光入射到纳米颗粒样品池4中的颗粒样品5上，纳米颗粒样品池4中的每个颗粒样品5均散射激光，形成散射激光，散射激光被光路接收装置3接收并在图像传感器2上成像，在图像传感器2上可以得到每个颗粒样品5在每个时刻的位置，通过数学分析可以得到每个颗粒的扩散系数，并通过斯托克斯-爱因斯坦方程(Stokes-Einstein equation)得到各个颗粒的粒径。

如图2所示，未经整形的激光束一般为光强呈类似高斯分布的高斯光束。高斯光束照射到颗粒位置时形成照明光斑，位于照明光斑中不同位置的颗粒，因入射光的强度不同，其散射激光的强度也不同。如图3A所示，位于高斯光束边缘处的颗粒接收到的入射光强较弱，其散射激光的光强也较弱；如图3B所示，位于接近高斯光束中心位置附近的颗粒接收到的入射光强较强，其散射激光的光强相对于高斯光束边缘处的颗粒的光强要强。

因此，在纳米颗粒追踪技术后续的图像处理中，根据预设的散射激光的光强阈值对图像进行处理，识别超过上述光强阈值的纳米颗粒，得到纳米颗粒的位置分布图。例如，假设光强阈值为0.2，位于接近高斯光束中心位置的颗粒，如图3B所示的纳米颗粒的散射激光的光强的值为0.3，能够超过光强阈值，而位于高斯光束边缘处的颗粒，如图3A所示的纳米颗粒的散射激光的光强的值为0.1，不能超过光强阈值。

针对粒径相同的纳米颗粒，只有相对接近高斯光束中心位置的部分颗粒，能够通过光强阈值检测，被识别为纳米颗粒，将接近高斯光束中心位置的区域称为纳米颗粒的有效散射体积。根据纳米追踪装置分析得到的颗粒的粒径分布，可知每个颗粒的粒径，将超过阈值的颗粒个数除以有效散射体积即可得到单位体积内的颗粒浓度，再通过统计各种粒径的颗粒个数，并进而可以得到粒度分布曲线。

假设超过阈值的粒径在d1至d2之间的颗粒个数是N(d1,d2)，有效散射体积为V，从实验数据中计算粒度分布曲线ρ(d)的表达式为：

其中ρ(d)是粒径为d的粒度分布曲线，d＝(d₂-d₁)/2。

单个纳米颗粒的散射激光的强度与纳米颗粒的粒径有关，在纳米颗粒粒径较小时，纳米颗粒的散射激光的强度与纳米颗粒的粒径的关系式(瑞利散射的公式)如下：

其中，I是散射激光的强度，I₀是入射激光的强度，d是纳米颗粒的直径，λ是入射激光的波长，n是纳米颗粒的有效折射率，C是由光路几何关系决定的常数。