[發(fā)明專(zhuān)利]一種表征軟物質(zhì)粘彈性的光學(xué)微流變的裝置及方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011577998.3
• 申請(qǐng)日: 2020-12-28
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112748042A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-05-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王敬;李琪;龔佳星;張暉;張耀文
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 華中科技大學(xué);深圳華中科技大學(xué)研究院
• 主分類(lèi)號(hào): G01N11/00
• 分類(lèi)號(hào): G01N11/00
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專(zhuān)利代理有限公司 42102
• 代理人: 喬宇

本發(fā)明公開(kāi)了一種表征軟物質(zhì)粘彈性的光學(xué)微流變的裝置及方法，激光光源產(chǎn)生的相干光經(jīng)透鏡聚焦照射在樣品池內(nèi)的待測(cè)樣品上，待測(cè)樣品散射后的散射光所形成的動(dòng)態(tài)激光強(qiáng)度散斑圖像序列由相機(jī)收集并傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。將獲取的不同時(shí)刻的待測(cè)材料散斑光強(qiáng)度圖進(jìn)行數(shù)學(xué)變換，得到散斑的偽相位圖，由偽相位圖可以獲得光學(xué)渦旋位置信息。通過(guò)追蹤光學(xué)渦旋的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，計(jì)算獲得不同時(shí)刻光學(xué)渦旋的在單位時(shí)間的均方位移的統(tǒng)計(jì)信息，通過(guò)待測(cè)材料的粘彈特性同渦旋點(diǎn)均方位移的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而最終獲得表征待測(cè)材料的粘彈特性信息。本發(fā)明測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)單，僅需微量樣品，不需要追蹤樣品中的顆粒運(yùn)動(dòng)，能夠獲得傳統(tǒng)流變儀無(wú)法獲得的高頻響應(yīng)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種表征材料粘彈性的光學(xué)微流變方法和裝置，尤其涉及一種基于光學(xué)渦旋運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)的光學(xué)微流變測(cè)量裝置和方法。

背景技術(shù)

粘彈性是物質(zhì)的重要力學(xué)性質(zhì)。流變儀是測(cè)量物質(zhì)粘彈性的儀器。傳統(tǒng)的流變儀通過(guò)測(cè)量施加在介質(zhì)上的應(yīng)力和介質(zhì)的形變來(lái)進(jìn)行粘彈性的測(cè)量。常用的流變儀包括旋轉(zhuǎn)流變儀、毛細(xì)管流變儀、轉(zhuǎn)矩流變儀和界面流變儀等。

微流變方法是通過(guò)追蹤介質(zhì)中顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)來(lái)表征介質(zhì)粘彈性的方法。光學(xué)微流變是一種基于動(dòng)態(tài)光散射法(DLS)或者擴(kuò)散波譜法(DWS)等光學(xué)方法，通過(guò)測(cè)量被介質(zhì)中的微粒散射的光的強(qiáng)度的時(shí)間自相關(guān)函數(shù)來(lái)表征微粒在介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)，并根據(jù)廣義斯托克斯-愛(ài)因斯坦方程來(lái)確定樣品的流變學(xué)特性和測(cè)量材料粘彈系數(shù)的方法。根據(jù)是否需要外加激勵(lì)課可分為:主動(dòng)式微流變和被動(dòng)式微流變。

光學(xué)渦旋是激光多重散射后形成的激光散斑中強(qiáng)度為0的點(diǎn)，由于在該點(diǎn)強(qiáng)度為0，因此該點(diǎn)的光場(chǎng)的實(shí)部和虛部也都為0，因此該點(diǎn)的相位沒(méi)有定義，光學(xué)渦旋也常被稱(chēng)為相位奇點(diǎn)、拓?fù)潆姾傻取u旋是散斑的重要的固有特征。渦旋的運(yùn)動(dòng)常被用來(lái)表征待測(cè)樣品的微小運(yùn)動(dòng)，在本發(fā)明中利用渦旋運(yùn)動(dòng)來(lái)反映由介質(zhì)中光散射微粒所處的微環(huán)境的粘彈性所決定的微粒的布朗運(yùn)動(dòng)，從而表征介質(zhì)的流變學(xué)特性。

下面對(duì)傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)流變儀和光學(xué)微流變方法做簡(jiǎn)單介紹。常用的旋轉(zhuǎn)流變儀通過(guò)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生簡(jiǎn)單剪切來(lái)確定材料的粘彈性性能。兩種基本的類(lèi)型是應(yīng)變控制型和應(yīng)力控制型。應(yīng)變控制型是1888年由Couette提出，驅(qū)動(dòng)一個(gè)夾具，測(cè)量產(chǎn)生的力矩，即控制施加的應(yīng)變，測(cè)量產(chǎn)生的應(yīng)力。應(yīng)力控制型是1912年由Searle提出，施加一定的力矩，測(cè)量產(chǎn)生的應(yīng)變。

而光學(xué)微流變方法(如測(cè)量粘彈性流體的微流變測(cè)量裝置及方法CN103776802B)通過(guò)測(cè)量流體的散射光強(qiáng)，并直接測(cè)量或者從光強(qiáng)數(shù)據(jù)中計(jì)算得出光強(qiáng)的時(shí)間自相關(guān)函數(shù)，并根據(jù)擴(kuò)散波譜理論(DWS)計(jì)算流體中顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)的均方位移，再將粒子的均方位移代入到廣義斯托克斯-愛(ài)因斯坦方程(GSER)中計(jì)算介質(zhì)的粘彈性模量。

常規(guī)光學(xué)微流變方法，需要根據(jù)擴(kuò)散波譜理論(DWS)推算流體中顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)的均方位移，再將粒子的均方位移代入到廣義斯托克斯-愛(ài)因斯坦方程(GSER)中計(jì)算介質(zhì)的粘彈性模量。整個(gè)過(guò)程比較復(fù)雜。

基于DLS和DWS的光學(xué)測(cè)量主要缺點(diǎn)是計(jì)算復(fù)雜，需要利用DLS，DWS，GSER等多個(gè)理論來(lái)進(jìn)行計(jì)算。而傳統(tǒng)的機(jī)械流變測(cè)量方法都有設(shè)計(jì)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，費(fèi)時(shí)，需要直接接觸待測(cè)樣品等缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，提供一種表征軟物質(zhì)粘彈性的光學(xué)微流變的裝置及方法，無(wú)需對(duì)樣品稀釋、不需要追蹤粒子、不需要通過(guò)基于DLS、DWS和GSER理論的復(fù)雜計(jì)算，不直接接觸樣品，僅需微量樣品，不需要外加激勵(lì)。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：

本發(fā)明提供一種表征軟物質(zhì)粘彈性的光學(xué)微流變的裝置，該裝置包括：激光器、起偏器、分束器、聚焦透鏡、樣品池、第一成像透鏡、光闌、第二成像透鏡、檢偏器、相機(jī)以及計(jì)算機(jī)，待測(cè)樣品置于樣品池內(nèi)；其中：