[发明专利]一种测量溶液中纳米颗粒粒度三维分布的方法及装置

说明书

本发明公开了一种测量溶液中纳米颗粒粒度三维分布的方法：用激光束照射纳米颗粒，形成的散射光与经过光路调制的参考光干涉形成全息干涉条纹，并记录到相机上得到纳米颗粒数字全息图；对数字全息图进行三维重建，得到纳米颗粒的聚焦图像；根据聚焦图像中的散射信号，基于动态光散射原理和纳米颗粒的粒度与扩散系数的相关关系，求得纳米颗粒的粒度。本发明还公开了一种测量溶液中纳米颗粒粒度三维分布的装置：信号发射单元，包括连续激光器和光路调整段；信号接收单元，包括相机，记录全息干涉条纹；信号处理单元，连接于信号接收单元之后，用于纳米颗粒数字全息图的处理。该方法及装置实现了原位测量样品池内三维位置瞬时的纳米颗粒粒度分布。

技术领域

本发明涉及纳米颗粒粒度测量领域，具体涉及一种用于测量溶液中纳米颗粒粒度三维分布的方法及装置。

背景技术

纳米技术是以多种现代先进科学技术为基础的新型交叉学科技术，如今已经在医学、药学、环境治理、生物检测、光学以及国防等领域成功应用。纳米技术所生产的纳米材料是被各个学科广泛关注的。例如，石墨烯、碳纳米管为代表的纳米尺寸的碳材料可以成功的应用到电容器、储能电池等；以纳米零价铁为代表的复合纳米材料因其独特的吸附性和还原性，在土壤和地下水有机物污染物和重金属修复领域表现出重要的优势；生物医学中纳米材料可以很好的应用于癌细胞的特异性识别和高灵敏度检测；纳米颗粒与火箭金属推进剂混合可以明显改善燃烧特性，提高燃烧效率与速度。

纳米颗粒发挥其特异性优点的前提是纳米颗粒材料的可控性制备，材料的粒度是决定其性能的关键性因素，目前颗粒粒度测量方式主要分为离线法和在线法。离线法主要有筛分法、沉降法和显微镜法，扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)是纳米颗粒常用的表征方法，分辨率可达到1nm甚至更小尺寸，数据直观，容易理解，但是无法实现原位实时测量，不仅取样量少而且样品制备过程会对结果产生严重影响；在线方法主要有电学法、声学法和光学法，激光粒度仪是光学中最广泛的方式，激光粒度仪测量纳米颗粒主要运用动态光散射(光子相关谱法)的原理，液体中的纳米颗粒以布朗运动为主，测量分散于液体中的纳米颗粒迁移的速率，获得相应的颗粒粒度分布。但其采样通常使用光电倍增管，测定需要1.5min左右，并且布朗运动的剧烈程度与温度、粒度和液体粘度等因素有关，测定时间长，需要温控装置，仪器结构复杂、价格昂贵，且无法获得瞬时三维空间场中的粒度分布情况。

在线数字全息技术是一种实时三维测量技术，不仅可以实现光学手段的全场、无标定、不接触的特点，还可以通过单相机同时实现颗粒三维位置的测量。激光光束入射，穿过颗粒场的光束被散射成物光，未被散射的光为参考光，物光和参考光干涉形成全息图(干涉条纹)被CCD或CMOS相机记录，所得到的信号包含振幅和相位信息，相对于传统的化学银盐干板，可以实现全息图像的数值信号输送，经过数值重建可以得到颗粒的深度，从而实现纳米颗粒在介质中粒度分布情况的测量。相对于传统单一使用CCD或CMOS记录全场的动态光散射信号，利用数字全息的方法可以通过拍摄一张图片得到全场各截面的光散射信号，大大提高了纳米颗粒粒度测量的准确性和效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量溶液中纳米颗粒粒度三维分布的方法和装置，解决了目前难以原位实时测量溶液中纳米颗粒粒度三维分布的难题。

本发明提供如下技术方案：

一种测量溶液中纳米颗粒粒度三维分布的方法，所述方法包括以下步骤：

(1)用激光束照射样品池中纳米颗粒，纳米颗粒形成的散射光与经过光路调制的参考光干涉形成全息干涉条纹，并以Δτ的时间间隔和角度θ记录到相机感光芯片上，得到测量时段内一系列做布朗运动的纳米颗粒数字全息图；

(2)对步骤(1)中记录的纳米颗粒数字全息图进行三维重建，得到样品池中纳米颗粒在任意x-y截面的聚焦图像，所述x-y截面为与入射光线垂直的截面；