CN105973769A - 一种测量悬浮亚微米颗粒物大小的装置与方法 - Google Patents
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Abstract
一种测量悬浮亚微米颗粒物大小的装置及方法，该装置包括光源、后向散射光接收透镜、前向散射光接收透镜、后向散射光探测模块、前向散射光探测模块以及处理模块，光源发出的光经过后向散射光接收透镜后入射到待测悬浮亚微米颗粒物上，产生前向散射光和后向散射光，经过前向散射光接收透镜的前向散射光的光强值由前向散射光探测模块探测，经过后向散射光接收透镜的后向散射光的光强值由后向散射光探测模块探测，处理模块计算出后向散射光与前向散射光的光强值的比值R，并根据预先确定的比值R与微球直径D之间的单调关系，确定待测悬浮亚微米颗粒物的大小。本发明尤其能够实现单个悬浮亚微米颗粒物的简便可靠的测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种测量悬浮亚微米颗粒物大小的方法。
背景技术
亚微米颗粒物对于海洋生态和大气质量非场重要。在海洋中，亚微米的浮游藻类、细菌和病毒的种类最多，丰度最大，它们形成的微生物环是海洋物质循环的重要机制，特别在大洋环境中扮演举足轻重的角色。大气中亚微米的颗粒，浓度最大，它们会被人吸收到肺部，进入人的血液，对于人民健康构成致命威胁。
与此同时，对亚微米颗粒的监测也日渐受到人们的重视，开发了多种工具来探测它们。亚微米颗粒物的大小与其沉降、输运有密切关系，是描述亚微米颗粒的重要参数。目前测量亚微米颗粒物大小方法主要依赖显微镜、电镜等实验室手段，它们需要将亚微米颗粒物固定；相对而言，悬浮状态下的亚微米颗粒物测量比较少见。光学成像方法由于分辨率的限制，只能做到1微米。动态光散射方法利用布朗运动来获得大小的信息，但它需要测量一段时间，并且只获得平均效应。流式细胞仪通过测量前向和侧向散射，最小可以做到0.5微米，但是它复杂的流体装置应用到悬浮颗粒还有困难。总之，目前针对悬浮的亚微米颗粒物的大小测量，尚没有好办法可以实现。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种测量悬浮亚微米颗粒物大小的方法，可以简便可靠测量单个悬浮亚微米颗粒物的大小。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种测量悬浮亚微米颗粒物大小的装置，包括光源、后向散射光接收透镜、前向散射光接收透镜、后向散射光探测模块、前向散射光探测模块以及处理模块，所述光源发出的光经过所述后向散射光接收透镜后入射到样品池中的待测悬浮亚微米颗粒物上，产生射向所述前向散射光接收透镜的前向散射光和射向所述后向散射光接收透镜的后向散射光，经过所述前向散射光接收透镜的所述前向散射光的光强值由所述前向散射光探测模块探测，经过所述后向散射光接收透镜的所述后向散射光的光强值由所述后向散射光探测模块探测，所述处理模块计算出所述后向散射光的光强值与所述前向散射光的光强值的比值R，并根据预先确定的比值R与微球直径D之间的单调关系，确定所述待测悬浮亚微米颗粒物的大小，其中所述比值R与微球直径D之间的单调关系是针对已知直径的多个不同大小的标准微球由所述装置测量所述比值R得到的。
进一步地：
所述后向散射光探测模块包括分束镜、后向散射光会聚透镜和第一探测器，所述分束镜位于所述光源和所述后向散射光接收透镜之间，所述光源发出的光先透射过所述分束镜再入射到所述后向散射光接收透镜，经过所述后向散射光接收透镜的所述后向散射光在所述分束镜上发生反射，反射的所述后向散射光经过后向散射光会聚透镜后会聚到所述第一探测器，所述第一探测器探测所述后向散射光的光强值。
所述前向散射光探测模块包括前向散射光会聚透镜和第二探测器，经过所述前向散射光接收透镜的所述前向散射光入射到所述前向散射光会聚透镜，经过所述前向散射光会聚透镜后会聚到所述第二探测器，所述第二探测器探测所述前向散射光的光强值。
还包括设置在所述前向散射光接收透镜与所述前向散射光探测模块之间的光阑，所述光阑遮挡前向散射角小于预定角度θ0的光以避免其被所述前向散射光探测模块接收到。
所述后向散射光接收透镜可收集光线的半角为θb，覆盖的后向散射角的范围是[180°-2*θb,180°]，所述前向散射光接收透镜可收集光线的半角为θf，覆盖的前向散射角的范围是[θ0,2*θf]。
还包括设置在所述第一探测器前的小孔光路结构，所述小孔光路结构使得处于样品池中的预定位置处的待测悬浮亚微米颗粒物对所述第一探测器探测的光强值的贡献不低于预定程度。优选地，所述小孔光路结构包括具有小孔的遮光板以及位于所述遮光板与所述第一探测器之间的小孔光线会聚透镜，所述小孔在所述遮光板上的位置与所述待测悬浮亚微米颗粒物所处的位置相对应。
还包括设置在所述第二探测器前的小孔光路结构，所述小孔光路结构使得处于样品池中的预定位置处的待测悬浮亚微米颗粒物对所述第二探测器探测的光强值的贡献不低于预定程度。优选地，所述小孔光路结构包括具有小孔的遮光板以及位于所述遮光板与所述第二探测器之间的小孔光线会聚透镜，所述小孔在所述遮光板上的位置与所述待测悬浮亚微米颗粒物所处的位置相对应。
一种测量悬浮亚微米颗粒物大小的装置，包括所述的光源、所述的后向散射光接收透镜、所述的前向散射光接收透镜、所述的后向散射光探测模块以及所述的前向散射光探测模块。
一种测量悬浮亚微米颗粒物大小的方法，使用所述的测量悬浮亚微米颗粒物大小的装置进行悬浮亚微米颗粒物大小的测量，其中所述光源发出的光经过所述后向散射光接收透镜后入射到样品池中的待测悬浮亚微米颗粒物上，产生射向所述前向散射光接收透镜的前向散射光和射向所述后向散射光接收透镜的后向散射光，经过所述前向散射光接收透镜的所述前向散射光的光强值由所述前向散射光探测模块探测，经过所述后向散射光接收透镜的所述后向散射光的光强值由所述后向散射光探测模块探测，所述处理模块计算出所述后向散射光的光强值与所述前向散射光的光强值的比值R，并根据预先确定的比值R与微球直径D之间的单调关系，确定所述待测悬浮亚微米颗粒物的大小，其中所述比值R与微球直径D之间的单调关系是针对已知直径的多个不同大小的标准微球使用所述装置测量所述比值R而得到的。
本发明的有益效果：
本发明提出的测量悬浮亚微米颗粒物大小的装置及方法，基于光散射测量技术测量单个悬浮亚微米颗粒物的大小，本发明通过后向散射光接收透镜使光线斜入射照明样品，通过具有预定的大数值孔径的后向散射光接收透镜和前向散射光接收透镜，可收集大角度范围的前向散射光和后向散射光，检测两者光强，然后计算两者之间的比值，这个比值与亚微米颗粒物的大小呈单调关系。该方法的优势在于能够实现单个悬浮亚微米颗粒物的简便可靠的测量，特别适用于悬浮状态的亚微米颗粒物。
附图说明
图1为本发明测量悬浮亚微米颗粒物大小的装置一种实施例的结构示意图。
图2为本发明优选实施例中的小孔光路结构示意图。
图3为利用图1所示的装置测量的比值R随着高分子微球直径D的关系，其中工字图案表示误差限。
图4为本发明测量亚微米颗粒大小的流程图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
参阅图1，在一种实施例中，一种测量悬浮亚微米颗粒物大小的装置，包括光源1、后向散射光接收透镜L1、前向散射光接收透镜L2、后向散射光探测模块、前向散射光探测模块以及处理模块，所述光源1发出的光经过所述后向散射光接收透镜L1后入射到样品池5中的待测悬浮亚微米颗粒物上，产生射向所述前向散射光接收透镜L2的前向散射光和射向所述后向散射光接收透镜L1的后向散射光，经过所述前向散射光接收透镜L2的所述前向散射光的光强值由所述前向散射光探测模块探测，经过所述后向散射光接收透镜L1的所述后向散射光的光强值由所述后向散射光探测模块探测，所述处理模块计算出所述后向散射光的光强值与所述前向散射光的光强值的比值R，并根据预先确定的比值R与微球直径D之间的单调关系，确定所述待测悬浮亚微米颗粒物的大小，其中所述比值R与微球直径D之间的单调关系是针对已知直径的多个不同大小的标准微球由所述装置测量所述比值R得到的。
在一种优选实施例中，所述后向散射光探测模块包括分束镜2、后向散射光会聚透镜L3和第一探测器3，所述分束镜2位于所述光源1和所述后向散射光接收透镜L1之间，所述光源1发出的光先透射过所述分束镜2再入射到所述后向散射光接收透镜L1，经过所述后向散射光接收透镜L1的所述后向散射光在所述分束镜2上发生反射，反射的所述后向散射光经过后向散射光会聚透镜L3后会聚到所述第一探测器3，所述第一探测器3探测所述后向散射光的光强值。
在一种优选实施例中，所述前向散射光探测模块包括前向散射光会聚透镜L4和第二探测器4，经过所述前向散射光接收透镜L2的所述前向散射光入射到所述前向散射光会聚透镜L4，经过所述前向散射光会聚透镜L4后会聚到所述第二探测器4，所述第二探测器4探测所述前向散射光的光强值。
在一种优选实施例中，装置还包括设置在所述前向散射光接收透镜L2与所述前向散射光探测模块之间的光阑6，所述光阑6遮挡前向散射角小于预定角度θ0的光以避免其被所述前向散射光探测模块接收到。
在进一步的实施例中，所述后向散射光接收透镜L1可收集光线的半角为θb，覆盖的后向散射角的范围是[180°-2*θb,180°]，所述前向散射光接收透镜L2可收集光线的半角为θf，覆盖的前向散射角的范围是[θ0,2*θf]。较佳地，半角θb＝θf＝45°。
参阅图2，在一种优选实施例中，装置还包括设置在所述第一探测器3前的小孔光路结构，所述小孔光路结构使得处于样品池5中的预定位置处的待测悬浮亚微米颗粒物对所述第一探测器3探测的光强值的贡献不低于预定程度。更优选地，所述小孔光路结构包括具有小孔的遮光板以及位于所述遮光板与所述第一探测器3之间的小孔光线会聚透镜，所述小孔在所述遮光板上的位置与所述待测悬浮亚微米颗粒物所处的位置相对应。
参阅图2，在一种优选实施例中，装置还包括设置在所述第二探测器4前的小孔光路结构，所述小孔光路结构使得处于样品池5中的预定位置处的待测悬浮亚微米颗粒物对所述第二探测器4探测的光强值的贡献不低于预定程度。更优选地，所述小孔光路结构包括具有小孔的遮光板7以及位于所述遮光板7与所述第二探测器4之间的小孔光线会聚透镜L6，所述小孔在所述遮光板7上的位置与所述待测悬浮亚微米颗粒物所处的位置相对应。
所述光源1可为激光光源，所述后向散射光探测模块与所述前向散射光探测模块均可采用CCD。
在另一种实施例中，一种测量悬浮亚微米颗粒物大小的装置，包括前述任一实施例的光源1、后向散射光接收透镜L1、前向散射光接收透镜L2、后向散射光探测模块以及前向散射光探测模块。本领域技术人员容易理解，本实施例的装置可以作为一个独立的装置配合额外的处理模块进行工作。
在另一种实施例中，一种测量悬浮亚微米颗粒物大小的方法，使用所述的测量悬浮亚微米颗粒物大小的装置进行悬浮亚微米颗粒物大小的测量，其中所述光源1发出的光经过所述后向散射光接收透镜L1后入射到样品池5中的待测悬浮亚微米颗粒物上，产生射向所述前向散射光接收透镜L2的前向散射光和射向所述后向散射光接收透镜L1的后向散射光，经过所述前向散射光接收透镜L2的所述前向散射光的光强值由所述前向散射光探测模块探测，经过所述后向散射光接收透镜L1的所述后向散射光的光强值由所述后向散射光探测模块探测，所述处理模块计算出所述后向散射光的光强值与所述前向散射光的光强值的比值R，并根据预先确定的比值R与微球直径D之间的单调关系，确定所述待测悬浮亚微米颗粒物的大小，其中所述比值R与微球直径D之间的单调关系是针对已知直径的多个不同大小的标准微球使用所述装置测量所述比值R而得到的。
以下结合附图对本发明的具体实施例进行进一步说明。
如图1所示是本发明具体实施例的装置示意图。图中入射光经过分束镜2后，被后向散射光接收透镜L1改变角度，斜入射到样品池5中，照明颗粒物O。后向散射光被后向散射光接收透镜L1收集，经过分束镜2后被反射，然后被后向散射光会聚透镜L3聚焦到第一探测器3上记录。前向散射光被前向散射光接收透镜L2收集，由于0°散射光与未散射光在同一个方向上，为了消除未散射光的影响，我们利用一个光阑6挡住，而只有散射角大于θ0的光才会被探测器接收到。前向散射光被前向散射光会聚透镜L4聚焦，被第二探测器4记录。
若后向散射光接收透镜L1和前向散射光接收透镜L2的数值孔径足够大，以至于可以收集光线的半角为45°，那么后向散射光可以被记录的范围跨度从90°-180°，前向散射光可以被记录的范围是[θ0,90°]。我们将第一探测器3的光强值比第二探测器4的光强值，那么就得到了比值R。R与亚微米颗粒物的大小呈单调关系。
由于散射光同时被后向散射光接收透镜L1和前向散射光接收透镜L2收集，我们可以控制第一探测器3与第二探测器4同时记录后向和前向散射值，那么我们就可以测量同一个样品的R。
亚微米颗粒的散射一般比较弱，如图1所示的装置，由于可以收集较大角度范围内的散射光，所以光信号可以得到很大的加强。在这种情况下，可以到单个颗粒的散射值，计算出R。如图1的装置，颗粒物O的像会成在第一探测器3与第二探测器4的面上。
如图2所示，若在第一探测器3与第二探测器4的前段增加小孔光路结构，可以限制只有O处的颗粒会对信号有贡献，从而有利于实现单个颗粒物的测量。由于增加了一个小孔光路结构，允许光轴上的一个小孔内的光通过，而挡住了其他部分的光，相应的，来源于O处附近其他粒子的散射光可被挡掉或减少，从而只有O处的粒子的散射光被探测器接收，或者被探测器接收的散射光中，O处的粒子的散射光的贡献超过预定程度。因此，本实施例特别有利于实现单个粒子的检测。
本发明具体实施例的测量方法中所用的R与亚微米颗粒大小的关系，可由下面实例中的实验验证。
实例
利用图1所示的装置，我们搭建了实验装置，并利用0.1-0.8微米范围内的高分子微球来测试方法中提到的R与微球直径D之间的关系。图3所示即是实验图。图3表示装置测量出R随着高分子微球直径D的关系，其中蓝色部分表示误差限。从图3中可以看出，R随着D呈单调上升关系。这也预示着，通过测量R可以唯一确定D。
在应用中的流程，如图4所示。我们先用标准高分子微球测量得到如图3的R与D之间的关系，然后测量未知颗粒的R，从图3中得知相应的D值。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种测量悬浮亚微米颗粒物大小的装置，其特征在于,包括光源、后向散射光接收透镜、前向散射光接收透镜、后向散射光探测模块、前向散射光探测模块以及处理模块，所述光源发出的光经过所述后向散射光接收透镜后入射到样品池中的待测悬浮亚微米颗粒物上，产生射向所述前向散射光接收透镜的前向散射光和射向所述后向散射光接收透镜的后向散射光，经过所述前向散射光接收透镜的所述前向散射光的光强值由所述前向散射光探测模块探测，经过所述后向散射光接收透镜的所述后向散射光的光强值由所述后向散射光探测模块探测，所述处理模块计算出所述后向散射光的光强值与所述前向散射光的光强值的比值R，并根据预先确定的比值R与微球直径D之间的单调关系，确定所述待测悬浮亚微米颗粒物的大小，其中所述比值R与微球直径D之间的单调关系是针对已知直径的多个不同大小的标准微球使用所述装置测量所述比值R而得到的。
2.如权利要求1所述的测量悬浮亚微米颗粒物大小的装置，其特征在于,所述后向散射光探测模块包括分束镜、后向散射光会聚透镜和第一探测器，所述分束镜位于所述光源和所述后向散射光接收透镜之间，所述光源发出的光先透射过所述分束镜再入射到所述后向散射光接收透镜，经过所述后向散射光接收透镜的所述后向散射光在所述分束镜上发生反射，反射的所述后向散射光经过后向散射光会聚透镜后会聚到所述第一探测器，所述第一探测器探测所述后向散射光的光强值。
3.如权利要求1所述的测量悬浮亚微米颗粒物大小的装置，其特征在于,所述前向散射光探测模块包括前向散射光会聚透镜和第二探测器，经过所述前向散射光接收透镜的所述前向散射光入射到所述前向散射光会聚透镜，经过所述前向散射光会聚透镜后会聚到所述第二探测器，所述第二探测器探测所述前向散射光的光强值。
4.如权利要求1至3任一项所述的测量悬浮亚微米颗粒物大小的装置，其特征在于,还包括设置在所述前向散射光接收透镜与所述前向散射光探测模块之间的光阑，所述光阑遮挡前向散射角小于预定角度θ0的光以避免其被所述前向散射光探测模块接收到。
5.如权利要求4所述的测量悬浮亚微米颗粒物大小的装置，其特征在于,所述后向散射光接收透镜可收集光线的半角为θb，覆盖的后向散射角的范围是[180°-2*θb,180°]，所述前向散射光接收透镜可收集光线的半角为θf，覆盖的前向散射角的范围是[θ0,2*θf]。
6.如权利要求2所述的测量悬浮亚微米颗粒物大小的装置，其特征在于,还包括设置在所述第一探测器前的小孔光路结构，所述小孔光路结构使得处于样品池中的预定位置处的待测悬浮亚微米颗粒物对所述第一探测器探测的光强值的贡献不低于预定程度，优选地，所述小孔光路结构包括具有小孔的遮光板以及位于所述遮光板与所述第一探测器之间的小孔光线会聚透镜，所述小孔在所述遮光板上的位置与所述待测悬浮亚微米颗粒物所处的位置相对应。
7.如权利要求3所述的测量悬浮亚微米颗粒物大小的装置，其特征在于,还包括设置在所述第二探测器前的小孔光路结构，所述小孔光路结构使得处于样品池中的预定位置处的待测悬浮亚微米颗粒物对所述第二探测器探测的光强值的贡献不低于预定程度，优选地，所述小孔光路结构包括具有小孔的遮光板以及位于所述遮光板与所述第二探测器之间的小孔光线会聚透镜，所述小孔在所述遮光板上的位置与所述待测悬浮亚微米颗粒物所处的位置相对应。
8.一种测量悬浮亚微米颗粒物大小的装置，其特征在于,包括如权利要求1-7任一项中所述的光源、所述的后向散射光接收透镜、所述的前向散射光接收透镜、所述的后向散射光探测模块以及所述的前向散射光探测模块。
9.一种测量悬浮亚微米颗粒物大小的方法，其特征在于,使用如权利要求1-7任一项中所述的测量悬浮亚微米颗粒物大小的装置进行悬浮亚微米颗粒物大小的测量，其中所述光源发出的光经过所述后向散射光接收透镜后入射到样品池中的待测悬浮亚微米颗粒物上，产生射向所述前向散射光接收透镜的前向散射光和射向所述后向散射光接收透镜的后向散射光，经过所述前向散射光接收透镜的所述前向散射光的光强值由所述前向散射光探测模块探测，经过所述后向散射光接收透镜的所述后向散射光的光强值由所述后向散射光探测模块探测，所述处理模块计算出所述后向散射光的光强值与所述前向散射光的光强值的比值R，并根据预先确定的比值R与微球直径D之间的单调关系，确定所述待测悬浮亚微米颗粒物的大小，其中所述比值R与微球直径D之间的单调关系是针对已知直径的多个不同大小的标准微球使用所述装置测量所述比值R而得到的。
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