[發明專利]用于借助于動態光散射確定懸浮在液體和流動介質中的顆粒的平均顆粒大小的方法及其設備

有效

• 申請號: 201780041631.X
• 申請日: 2017-07-03
• 公開（公告）號: CN109477783B
• 公開（公告）日: 2021-09-14
• 發明（設計）人: 彼得·赫貝爾;邁克爾·馬斯科斯
• 申請（專利權）人: 弗勞恩霍夫應用研究促進協會
• 主分類號: G01N15/02
• 分類號: G01N15/02
• 代理公司: 北京柏杉松知識產權代理事務所(普通合伙) 11413
• 代理人: 侯麗英;劉繼富

本發明涉及借助于光散射測量確定流動樣本中的顆粒的大小。本發明基于如下構思：首先，在檢測器上以圖像的形式檢測散射光，進行對測量的圖像的標準化，以及確定兩個時間上連續的圖像相對于彼此的至少一個局部區域的偏移和轉動角度。該信息用于使這兩個圖像一致。一致的圖像被細分為各自具有特定數量的像素的多個局部區域，并且對每個單獨的局部區域的亮度值求平均。隨后，對第一圖像的局部區域的平均亮度值和在第二圖像中與相應局部區域一致的局部區域的平均亮度值求相關(圖像之間的互相關)。結果，獲得圖像的每對一致的局部區域的相關值。隨后，對所有計算的相關值求平均，其結果是每個圖像對的平均相關值。然后改變檢測器的延遲時間，以便確定散射光信號的自相關函數，并由此計算平均顆粒大小。

本發明涉及借助于光散射測量確定流動樣本中的顆粒大小。本發明基于以下事實：在檢測器上以圖像的形式檢測初始散射光，進行對測量圖像的標準化，以及確定兩個時間上連續的圖像相對于彼此的至少局部區域的偏移和轉動角度，使用該信息以使這兩個圖像一致。一致的圖像被細分為分別具有特定數量的像素的多個局部區域，并且對每個單獨的局部區域的亮度值求平均。隨后，對第一圖像的局部區域的平均亮度值和在第二圖像中與該局部區域一致的局部區域的平均亮度值求相關(圖像之間的互相關)。生成圖像的每對一致的局部區域的相關值。此后，對所有計算的相關值求平均。由此得到每個圖像對的平均相關值。然后改變檢測器的延遲時間，以便確定散射光信號的自相關函數，并由此計算平均顆粒大小。

動態光散射首先適用于確定納米范圍內的顆粒大小，即針對低于可見光的波長的大小。然而，也能夠測量更大的顆粒。如果用光照射小顆粒，該光的波長在顆粒直徑的大小范圍內，則產生瑞利散射。

如果用激光照射小顆粒，則產生相干散射光。多個顆粒的散射光被疊加并形成干涉圖案。如果顆粒是在具有例如水的懸浮液中，則它們進行布朗運動。因此，在對顆粒懸浮液照射期間產生動態干涉圖案。用動態光散射(DLS)測量該圖案的時間演化。

正如顆粒的布朗運動一樣，在足夠大量的顆粒的情況下，用檢測器檢測到的信號純粹是統計的。通過將兩個信號值與時間間隔τ相乘并隨后對多對值的乘積求平均，能夠經由相關性A_τ＝(A1_τ+A2_τ+A3_τ+...An_τ)/n.來計算針對相關時間τ的信號的相關性A_τ，其中，n＝大于0的整數。如果樣本表現為遍歷性地，即在整個測量時間(穩定溫度、顆粒數等)期間不改變其統計特性，則原則上能夠以兩種方式進行平均(遍歷假設)：

1.在長時間段內跟蹤檢測器的信號，并且對多個在時間上連續測量的值對的乘積求平均，即計算時間平均；或者

2.評估在同一條件下同時測量的大量檢測器的信號。因此，每個檢測器僅產生一對值。在遍歷假設對于實驗有效的條件下，對所有檢測器的值對的乘積求平均，即計算總體平均。

通過計算多個不同相關時間的相關值，能夠確定信號的自相關函數。為了確定自相關函數，將計算的相關值相對于相應的相關時間繪制。在最簡單的情況下，自相關函數能夠符合單指數下降。如果樣本的所有顆粒都是球形并且具有相同的大小，則會出現這種理想的情況。在這種情況下，適用：

時間常數與懸浮液中顆粒的擴散系數的倒數成比例τ_D～1/D。因此，借助于已知的散射角度、激光波長和溶劑的折射率，能夠根據τ_D來計算D。經由擴散系數D、溫度T和溶劑的粘度η，產生顆粒的流體動力學半徑R_h，并由此根據斯托克斯-愛因斯坦(Stokes-Einstein)方程計算顆粒大小。如果測量具有慢布朗運動的大顆粒，則自相關函數緩慢減小。然而，如果測量小顆粒，則自相關函數迅速減小。因此，在確定較小顆粒的大小時，與確定較大顆粒的大小相比，必須測量更短的相關時間，以便充分地確定自相關函數。