CN109923396B - 在散射光模式及荧光模式中测量液体纳米颗粒的浓度、尺寸及z电位装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于在散射光模式和荧光模式下测量液体中纳米颗粒的浓度、尺寸和Z电位的装置和方法，包括以下特征：a)样品(28)从上方被激光光束通过分光器(14)和可调焦点液体透镜(9)而照射，且光的反射光束通过相同的分光器(14)和另一液体透镜(8)而被偏转至检测器(5)并被分析；b)为了观察荧光的目的，荧光滤光片(19)被连接至所述液体透镜(8)和所述检测器(5)之间的会聚光束路径中，用来增加散射光平面(31)和荧光平面(30)之间的距离；以及c)为了控制所述测量过程，使用颗粒跟踪程序、光学控制器(15)和具有触控屏幕的显示器(2)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于在散射光模式和荧光模式下测量液体中纳米颗粒的浓度、尺寸和Z电位的装置和方法。
背景技术
评估可以通过PTA(颗粒跟踪分析；即将推出的ISO TS19430)或外差DLS(动态光散射；ISO 22412)来实现。
作为分散物质***的悬浮液和乳液是液体中颗粒的常见形式。应用范围从打印机墨水到化妆品乳液和药物制剂。众所周知，分散***被归类为热力学不稳定的***。这种分散液保持稳定的持续时间对于适用性是至关重要的。可以非常频繁地观察到的不稳定性通过颗粒的凝聚而产生，这可能导致不可逆的颗粒尺寸增长或液相和颗粒相之间的完全分离。许多措施用于防止凝聚现象。这些措施的其中之一是静电稳定作用。在这点上，使用这样的事实：通过其静电排斥作用使得以相同方式充电的颗粒的接近变得更加困难。随着颗粒在其与介质的边界上的离子电荷增加，排斥作用变得更有效。
静电粒子界面电位，通常称为z电位，对此具有决定性作用。此z电位被认为是确定相邻颗粒之间的排斥程度的度量。因此，它在分散***的稳定性方面具有重要性。
有用于测量z电位的各种物理方法。在电泳测量装置中，在显微镜下，特别是在激光和显微镜轴90°排列的散射光显微镜下的常规电泳法是已知的方法。在电泳测量装置中，颗粒被带入电场。在施加电场中颗粒的速度随着颗粒的z电位的增加而增加。测量的变量是电泳迁移率μe，其仅为测量的速度v除以施加的电场E。此μe被转换为z电位。如果可以在视频中直接观察到颗粒电泳运动，则此电泳配置是普遍的，并且因此，如果可能的话，也可以识别诸如对流的干扰效应。根据颗粒的速度分布自动评估胶片。由于使用可急速聚焦的激光，较低的测量边界从1μm的粒径降低到0.02μm。这同样适用于颗粒的布朗运动，其用相同的装置观察并且可以从中得到颗粒尺寸。
关于现有技术参考DE 10 2014 007 355 B3。这涉及一种借助于散射光(PTA)进行颗粒跟踪分析的方法，以及一种用于获取和表征任何类型液体中的纳米级颗粒的装置。
与光学显微镜和电子显微镜相比，光学散射光分析是用于表征粒度的间接测量方法。使用它是因为由于衍射极限而不能直接观察到小于1μm(1000nm)的颗粒。
在DE 10 2014 007 355 B3中，还公开一种用于检测和定义单元壁内的悬浮液中纳米级颗粒的特征的装置，所述装置具有以下特征：
a)由黑色玻璃制成、具有烧结于其中的光学窗口的矩形截面的单元壁，所述单元壁在纵表面和邻近横表面上由L型加热及冷却组件占据，其中所述单元壁安置在所述横表面上的基底，所述基底通过减振器以限定的方式安装；
b)在与形成单元壁的支撑的横表面相对的横表面上，单元壁的中心由照射装置通过光学玻璃窗照射，且单元壁由观察装置通过另一个光学玻璃窗以相对于照射装置的光轴成直角观察；
c)通过控制装置，照射装置的共同焦点和观察装置的焦点可以以电动机驱动的方式移动到单元壁的空间内部区域上的任何点；
d)与来自照射装置的辐射通过其进入的光学玻璃窗相对的单元壁表面，在其中心具有另一个光学玻璃窗，单元外壳的这个表面在外面被等面积的纳米碳层覆盖；
e)通过两个热敏电阻监测单元壁表面的温度，观察装置的光轴延伸穿过的光学玻璃窗位于所述单元壁表面。
发明内容
本发明是基于指明一种用于在散射光模式及荧光模式中测量液体中纳米颗粒的浓度、尺寸及Z电位的装置及方法的目的。
此目的由本发明的装置实现
一种用于在散射光模式及荧光模式中测量液体中纳米颗粒的浓度、尺寸及Z电位的装置，包括以下特征：
a)来自上方的激光光束经由分光器(14)、通过具有可调焦点的液体透镜(9)和光学保护玻璃(23)被导向具有含颗粒样品(28)的测量单元(27)，其中所述激光光束的焦点被导向空气和样品液体之间低于相位边界(21)的点，
b)被所述样品(28)和所述光学保护玻璃(23)反射的光部分地被所述分光器(14)偏斜并通过另一液体透镜(8)导向检测器(5)，所述另一液体透镜(8)具有可调焦点，其中荧光滤光片(10)可通过位移装置(24)被***所述液体透镜和所述检测器(5)之间的光束路径，
c)具有颗粒跟踪程序或动态光散射(DLS)程序的控制器(3)、光学控制器(15)和具有触摸屏的显示器(2)。
此外，请求所述液体透镜(9)用作聚焦在所述检测器(5)上的目的，以及
所述样品(28)的黏度通过温度传感器(26)的帮助而确定，以及
所述测量单元(27)包含用于产生电泳的多个电极(12)和用于测量所述z电位的多个电极(13)。
以及由本发明的方法实现
一种用于在散射光模式及荧光模式中测量液体中纳米颗粒的浓度、尺寸及Z电位的方法，包括以下特征：
a)样品(28)从上方被激光(1)通过分光器(14)和液体透镜(9)而照射，所述液体透镜(9)具有可调焦点，且所述反射光束通过相同的分光器(14)和另一液体透镜(8)而被转向至检测器(5)并被分析，
b)为了观察荧光的目的，用于增加散射光平面(31)和荧光平面(30)之间的距离的荧光滤光片(19)被***所述液体透镜(8)和所述检测器(5)之间的会聚光束路径，
c)在此，颗粒跟踪程序或外差180度DLS程序、光学控制器(15)和具有触摸屏的显示器(2)用来控制所述测量过程。
以及由以下特征实现
所述样品(28)的黏度通过温度传感器(26)的帮助而确定；以及所述测量单元(27)包含用于电泳的多个电极(12)和用于分接无干扰电场来准确确定所述z电位的多个电极(13)；以及一种具有程序代码的计算机程序，当所述程序在计算机上执行时，用于实现所述方法步骤；以及一种具有计算机程序的程序代码的机器可读介质，当所述程序在计算机上执行时，用于实现所述方法。
附图说明
本发明的装置更详细描述如下。
详细而言：
图1示出了一种传统NTA纳米颗粒跟踪方法的图示，
图2示出了一种图1所示方法的改良版本的图示，以及
图3示出了一种用于在散射光模式及荧光模式中测量纳米颗粒的浓度测定和数量级的装置的图标。
具体实施方式
图1示出了Particle Metrix专有的PTA纳米颗粒跟踪测量装置的图标。
在PTA中，成像光学单元由物镜6以及记录颗粒运动的摄像机组成，物镜6指向测量单元29中的微粒样品28。激光1，作为散射光及荧光的激发光源，通常以90度角照射。在此，经由光束路径11，通过液体透镜8或可以电动机驱动方式调整的透镜8(在沿着光束路径4通过荧光滤光片10之后具有可调焦点)，来自散射光平面31的散射光以及来自荧光平面30的光被相机5或检测器同步地记录。
散射光和荧光均由相同的颗粒同时发射，散射光总是具有高强度。由此产生的问题是，必须通过光学边缘滤光片将数量级较弱的荧光与强得多的散射光信号分离。由于必要的分辨率和高灵敏度，这里使用的是黑白相机或灰阶值测量检测器，它们无法区分荧光的颜色和散射光的颜色。滤光片的目的是阻挡来自颗粒的散射光和寄生杂散光，寄生杂散光可能由于激光与器具的意外相互作用而撞击检测器。利用根据图2的装置实现了这种滤光片(LWP＝长波长通过)的阻挡效果的增加。
图2示出了一种图1所示配置的改良版本的图标。在许多部分，此图示对应于图1中的图像。因此，在此情况中的成像光学单元也由物镜6和摄像机(或检测器)组成，物镜6指向测量单元29中的微粒样品28，摄像机记录颗粒。在此，激光1也是荧光和散射光的激发光源。在此，经由未详细表示的光束路径，通过液体透镜8或可以电动机驱动方式调整的透镜8，来自散射光平面31的散射光以及来自荧光平面30的光被相机5或检测器同步地记录。然而，两个图示的差异在于，荧光滤光片7位于液体透镜8(或可以电动机驱动方式调整的透镜8)与样品28之间的会聚光束路径上，而不是位于摄像机5正前方的平行光束路径上。这是因为在许多情况下滤光片的减弱不足以完全抑制散射光。所描述的措施改善了数量级的情况。如果荧光滤光片位于物镜和样品之间的会聚光束路径中，则散射光(例如，波长488nm)的焦点位于荧光(例如，波长510nm至560nm)的焦点之后。
由于滤光片的折射特性的分散，存在两个彼此间隔很远的焦点，其中一个被分配给散射光而另一个被分配给参考光。因此，物镜的光学单元在散射光焦点或荧光焦点处“看”。如果将光学单元设置为荧光，这导致将散射光抑制几个数量级。随着荧光信号变弱，这种重要性增加。
图3：示出了一种用于在散射光模式及荧光模式中决定纳米颗粒的浓度、数量级和z电位分布的装置的图标。
与前述图示一样，在这种情况下，激光光束也从上方被导向液体表面的方向，所述液体表面位于容器(在这种情况下是测量单元27)中。
在测量之前，通过轻微的运动使此液体均匀化。在液体已经平静并且测量单元27已经朝激光光束的方向打开之后，可以开始测量。
从上方被引导的激光光束经由分光器14通过具有可调焦点的液体透镜(或以电动机驱动的方式移动的透镜)9和光学保护玻璃23被引导到液体上。光学保护玻璃23由防刮材料制成，如蓝宝石或钻石。液体透镜9或可以电动机驱动方式调整的透镜9用于最佳聚焦在空气和液体之间的相位边界下方的点上。这里，焦点必须位于液体内约0.1mm至1mm。液体透镜9的焦距或者可以电动机驱动方式调整的透镜9可以通过光学控制器15以限定的方式移动。
由液体表面22和光学保护玻璃23反射回的光通过分光器14部分地转向到检测器5上，其中另一液体透镜8或可以电动机驱动方式调整的透镜8，用于聚焦在检测器5上的目的。
分光器14没有精确地以45°角连接，使得源自光学保护玻璃23的部分反射的激光不会辐射到激光1中，从而避免对激光产生不希望的反馈效应。
根据布朗运动，位于样品28中的纳米颗粒在所有方向上散射。这种运动随时间波动被转移到散射光信号上。对应于大约180度的立体角的散射光的分量通过液体透镜9和分光器14到达检测器5。因此，在液体表面22、液体透镜9和光学保护玻璃23处部分反射的光以及来自颗粒(来自样品内部)的散射光积聚在检测器5上。
在同一检测器5上的波动散射光和部分反射激光的混合被称为外差型动态光散射DLS。这种混合由180度散射光配置引起，并且可以被认为是由部分反射的激光对弱散射光信号进行的光学放大。
通过所谓的基线测量，即，使用没有微粒含量的纯液体的测量，可以在整个信号16中确定激光分量17。关于颗粒的浓度和尺寸分布的信息被包含在散射光分量中。
使用已知的DLS方法从布朗分子运动计算粒度分布。为此，必须知道颗粒周围的液体样品的黏度。对于非常不同的液体，此黏度以表格形式存在两个温度值。为了计算超出这些温度值的值，黏度可由本领域技术人员使用简单的公式在每种情况下计算。借助于热敏电阻，在测量单元27上方的温度传感器26，相应的温度被传送到电子控制器3，以便计算黏度。
为了补充黏胶的测定，可以选择通过添加装置33以计量方式将参考颗粒添加到样品28中。这里，这些是具有一定尺寸的标准颗粒，例如100nm。这些颗粒不会收缩或膨胀。如果在测量过程中发生幅度变化，这可以用来得出关于黏度的结论。
为了确定激光光束到液体中的精确穿透深度，液体透镜9以这样的方式设置，使得液体表面的位置最初通过激光光束在液体表面22处的明亮反射以精确的方式确定。从液体透镜9的这个位置开始，液体透镜9以这样的方式设置，使得焦点在距离液体表面精确确定的距离d处停留在液体中。如果需要，可以针对不同样品优化距离d。
距离d从22和21之间的差异呈现。
成像透镜(光束路径32中的液体透镜8)利用其焦点以散射光模式在检测器5上成像，荧光滤光片10不位于光束路径中。
为了测量荧光颗粒，将荧光滤光片***检测器5前方的光束路径中。结果，荧光焦点或荧光平面30相应地位移并通过液体透镜8重新调整。由于荧光焦点和散射光焦点或散射光平面31的不同位置，滤光片效果在每种情况下根据成像光学单元的光学设计以数量级被放大。
荧光滤光片10通过位移装置24及其驱动器25从光束路径移除或被引入光束路径。在图3的右手侧的图中，时间轴19上绘制了信号处的散射光分量16与荧光信号18之间的相应检测器信号20的强度差异。
所述装置通过触摸屏2和显示器来操作。
安装在测量单元27中的电极是用于脉冲场或调变场的电泳电极12，以及用于测量样品空间28中的有效场的场分接电极13，以便能够可靠地计算其中的z电位。因此，对电极12的干扰作用，例如气泡的形成，不会有助于确定电场。
组件符号列表
1 激光
2 具有触摸屏的显示器
3 具有颗粒跟踪程序的控制器
4 液体透镜8与检测器5之间的光束路径
5 检测器或摄像机
6 物镜
7 液体透镜8和样品28之间的荧光滤光片
8 具有可调焦点的液体透镜
9 具有可调焦点的液体透镜(激光)
10 检测器5和透镜8之间的荧光滤光片
11 透镜8和样品28之间的光束路径
12 用于脉冲或调变场的电泳电极
13 场-分接电极
14 分光器
15 光学控制器
16 信号的散射光分量(SS)
17 信号的激光分量(LS)
18 荧光信号
19 时间线
20 检测器信号
21 空气和液体之间的空气/相位边界(LF)
22 样品表面(液体表面)
23 光学保护玻璃
24 用于荧光滤光片10的位移装置
25 用于位移装置24的驱动器
26 温度传感器
27 测量单元(微量离心管)
28 样品
29 测量单元
30 荧光平面(FL)
31 散射光平面
32 分光器14和透镜8之间的光束路径
33 在黏胶测量的情况下用于试验颗粒的添加装置
Claims (3)
1.一种用于在散射光模式及荧光模式中测量液体中纳米颗粒的浓度、尺寸及Z电位的装置，其中所述装置包括激光(1)、分光器(14)、具有可调焦点的第一液体透镜(9)、具有可调焦点的第二液体透镜(8)、光学保护玻璃(23)、测量单元(27)、检测器(5)、荧光滤光片(10)和位移装置(24)，其中：
a)激光光束经由所述分光器(14)从上方通过所述具有可调焦点的第一液体透镜(9)和所述光学保护玻璃(23)被导向具有含纳米颗粒样品(28)的所述测量单元(27)，其中所述激光光束的焦点被导向空气和样品液体之间低于相位边界(21)的点，
b)被所述含纳米颗粒样品(28)和所述光学保护玻璃(23)反射的光部分地被所述分光器(14)偏斜并通过所述具有可调焦点的第二液体透镜(8)导向所述检测器(5)，其中所述第二液体透镜(8)用作聚焦在所述检测器(5)上，且其中所述荧光滤光片(10)可通过所述位移装置(24)被***所述第二液体透镜(8)和所述检测器(5)之间的光束路径，
c)所述测量单元(27)包含用于产生电泳的多个电极(12)和用于测量所述z电位的多个电极(13)，
其中所述装置还包括：
d)具有颗粒跟踪程序或动态光散射程序的控制器(3)、用于以限定方式移动所述第一液体透镜(9)的焦距的光学控制器(15)和具有触摸屏的显示器(2)，以及
e)温度传感器(26)，所述含纳米颗粒样品(28)的黏度通过所述温度传感器(26)而被确定。
2.一种用于在散射光模式及荧光模式中测量液体中纳米颗粒的浓度、尺寸及Z电位的方法，包括以下特征：
a)含纳米颗粒样品(28)从上方被激光光束通过分光器(14)和具有可调焦点的第一液体透镜(9)而照射，且反射光束通过所述分光器(14)和第二液体透镜(8)而被转向至检测器(5)并被分析，
b)为了观察荧光的目的，用于增加散射光平面(31)和荧光平面(30)之间的距离的荧光滤光片(19)被***所述第二液体透镜(8)和所述检测器(5)之间的会聚光束路径，
c)测量单元(27)包含用于产生电泳的多个电极(12)和用于分接无干扰电场来确定所述z电位的多个电极(13)，
d)颗粒跟踪程序或外差180度动态光散射程序、用于以限定方式移动所述第一液体透镜(9)的焦距的光学控制器(15)和具有触摸屏的显示器(2)用来控制测量过程，以及
e)所述含纳米颗粒样品(28)的黏度通过温度传感器(26)而被确定。
3.一种具有计算机程序的程序代码的机器可读介质，当所述程序在计算机上执行时，用于实现根据权利要求2所述的方法。
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