[发明专利]一种表征软物质粘弹性的光学微流变的装置及方法

说明书

本发明公开了一种表征软物质粘弹性的光学微流变的装置及方法，激光光源产生的相干光经透镜聚焦照射在样品池内的待测样品上，待测样品散射后的散射光所形成的动态激光强度散斑图像序列由相机收集并传输给计算机进行处理。将获取的不同时刻的待测材料散斑光强度图进行数学变换，得到散斑的伪相位图，由伪相位图可以获得光学涡旋位置信息。通过追踪光学涡旋的随机运动，计算获得不同时刻光学涡旋的在单位时间的均方位移的统计信息，通过待测材料的粘弹特性同涡旋点均方位移的对应关系，从而最终获得表征待测材料的粘弹特性信息。本发明测量系统简单，仅需微量样品，不需要追踪样品中的颗粒运动，能够获得传统流变仪无法获得的高频响应。

技术领域

本发明涉及一种表征材料粘弹性的光学微流变方法和装置，尤其涉及一种基于光学涡旋运动统计的光学微流变测量装置和方法。

背景技术

粘弹性是物质的重要力学性质。流变仪是测量物质粘弹性的仪器。传统的流变仪通过测量施加在介质上的应力和介质的形变来进行粘弹性的测量。常用的流变仪包括旋转流变仪、毛细管流变仪、转矩流变仪和界面流变仪等。

微流变方法是通过追踪介质中颗粒的布朗运动来表征介质粘弹性的方法。光学微流变是一种基于动态光散射法(DLS)或者扩散波谱法(DWS)等光学方法，通过测量被介质中的微粒散射的光的强度的时间自相关函数来表征微粒在介质中的运动，并根据广义斯托克斯-爱因斯坦方程来确定样品的流变学特性和测量材料粘弹系数的方法。根据是否需要外加激励课可分为:主动式微流变和被动式微流变。

光学涡旋是激光多重散射后形成的激光散斑中强度为0的点，由于在该点强度为0，因此该点的光场的实部和虚部也都为0，因此该点的相位没有定义，光学涡旋也常被称为相位奇点、拓扑电荷等。涡旋是散斑的重要的固有特征。涡旋的运动常被用来表征待测样品的微小运动，在本发明中利用涡旋运动来反映由介质中光散射微粒所处的微环境的粘弹性所决定的微粒的布朗运动，从而表征介质的流变学特性。

下面对传统旋转流变仪和光学微流变方法做简单介绍。常用的旋转流变仪通过旋转运动产生简单剪切来确定材料的粘弹性性能。两种基本的类型是应变控制型和应力控制型。应变控制型是1888年由Couette提出，驱动一个夹具，测量产生的力矩，即控制施加的应变，测量产生的应力。应力控制型是1912年由Searle提出，施加一定的力矩，测量产生的应变。

而光学微流变方法(如测量粘弹性流体的微流变测量装置及方法CN103776802B)通过测量流体的散射光强，并直接测量或者从光强数据中计算得出光强的时间自相关函数，并根据扩散波谱理论(DWS)计算流体中颗粒的布朗运动的均方位移，再将粒子的均方位移代入到广义斯托克斯-爱因斯坦方程(GSER)中计算介质的粘弹性模量。

常规光学微流变方法，需要根据扩散波谱理论(DWS)推算流体中颗粒的布朗运动的均方位移，再将粒子的均方位移代入到广义斯托克斯-爱因斯坦方程(GSER)中计算介质的粘弹性模量。整个过程比较复杂。

基于DLS和DWS的光学测量主要缺点是计算复杂，需要利用DLS，DWS，GSER等多个理论来进行计算。而传统的机械流变测量方法都有设计复杂，价格昂贵，费时，需要直接接触待测样品等缺点。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种表征软物质粘弹性的光学微流变的装置及方法，无需对样品稀释、不需要追踪粒子、不需要通过基于DLS、DWS和GSER理论的复杂计算，不直接接触样品，仅需微量样品，不需要外加激励。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种表征软物质粘弹性的光学微流变的装置，该装置包括：激光器、起偏器、分束器、聚焦透镜、样品池、第一成像透镜、光阑、第二成像透镜、检偏器、相机以及计算机，待测样品置于样品池内；其中：