一種基于光學俘獲的顆粒粒徑檢測方法
【專利摘要】本發明提供一種基于光學俘獲的顆粒粒徑檢測方法，該方法分析被光阱俘獲顆粒位移的功率譜，該信號包括受限布朗運動對應的洛侖茲分布和受迫運動的尖峰。根據尖峰相對洛侖茲分布圍繞的面積與峰的高度，反演該光阱中微粒被位置探測器探測時的電壓比例系數，根據標準尺寸微粒粒徑，測量粘滯系數與溫度的比值。根據粘滯系數與溫度的關系，獲得光阱中的溫度。采集待測微粒在光阱中的受迫運動信號，然后使用功率譜校準探測器對該微粒的電壓比例系數。由熱噪聲的功率譜獲得擴散系數，根據標準微粒測量的溫度和粘滯系數以及Stokes-Einstein關系即可確定顆粒半徑。該方法可以檢測出實驗環境中單個顆粒的粒徑，即可原位高精度檢測粒徑。
【專利說明】一種基于光學俘獲的顆粒粒徑檢測方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于顆粒粒徑檢測、單分子測量方法和光學微操縱【技術領域】，具體涉及一 種基于光學俘獲的顆粒粒徑檢測方法。
【背景技術】
[0002] 顆粒粒徑檢測在很多領域有著廣泛應用，例如各種粉體工業中粒度測量，懸濁液 藥劑中粒徑測定，以及細胞尺寸測量。目前廣泛應用可大量測量粒徑的技術方法很多，如篩 析法、沉降天平法、電阻法和激光散射法等。
[0003] 在生物大分子力學特性研究中，利用光鑷或者其它測量工具時，其特點是通過小 球偶聯大分子達到檢測單分子力學特性的目的。而在測量中，光阱的剛度和探測器的電壓 比例系數與顆粒大小息息相關，因此手柄小球尺寸的均稱度是保證測量精度的前提。目前 除了使用標準尺寸的微粒，大部分帶有生物功能修飾的微粒，尺寸均稱度差，所以普遍采取 平均尺寸代替了實際尺寸。對于均稱度較大的小球，得到的力譜的偏差也大。即便是采用 顯微圖像邊沿檢測法，由于其受到依賴照明、軸向位置和操作者的影響，測量的顆粒粒徑與 真實值存在較大誤差，所以實驗精確也難以保證。
[0004] 基于帶有高精度快速位置探測器的光鑷系統，本發明提出一套標準操作流程和數 據分析方法，準確測量顆粒粒徑，解決在測量單分子力譜中受微粒半徑影響的問題。準確測 量光阱中每個顆粒的半徑，即可達到原位檢測每次單分子實驗操縱微粒的粒徑的精確值， 提高每次測量力譜的準確程度。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的提供一種高精度原位檢測粒徑的方法。主要檢測流程見圖1，在基于 帶有寬帶快速探測位置探測器的光鑷系統上，通過平臺控制樣品室作正弦運動，探測光阱 中被俘獲顆粒的受限運動信號。根據標準尺寸顆粒的運動信號的功率譜，包括受限熱噪聲 功率譜和受迫運動的功率譜，根據校準的平臺運動幅度和受迫運動的功率譜，校準探測器 的電壓比例系數，然后根據熱噪聲的功率譜便確定顆粒的擴散系數。由于顆粒半徑已知，由 擴散系數確定n (T)/T，其中n為粘滯系數，T為溫度，根據n-T關系確定n和T。采用光 鑷捕獲待測顆粒，同樣用位移平臺控制樣品室運動，由受迫運動功率譜校準電壓比例系數 得到擴散系數，根據已經測定的粘滯系數、溫度和Stokes-Einstein關系測量出顆粒粒徑。
[0006] 本發明具體的解決方案為：一種基于光學俘獲的顆粒粒徑檢測方法，該方法的步 驟如下：
[0007] 步驟（1)、構建一套光鑷系統作為檢測系統，包括俘獲光源、各種透鏡、高數值孔徑 物鏡、寬帶快速位置敏感探測器、照明燈、位移平臺和相機；將激光經過擴束鏡擴束后由聚 焦透鏡將光束耦合進入高數值孔徑物鏡內，位置敏感探測器放置在照明透鏡的后焦面的共 軛面上，探測光阱中顆粒的布朗運動信號，樣品室放置在位移移動平臺上，可以通過平臺控 制樣品室作正弦運動；
[0008] 步驟（2)、將標準尺寸的顆粒與待測顆粒混勻用水稀釋混勻注入樣品室，光鑷捕獲 標準尺寸顆粒，通過平臺控制樣品室做正弦運動，通過位置探測器采集標準微粒在光阱中 的布朗運動信號；分析運動信號的功率譜信號，該信號包括受限布朗運動時熱噪聲的洛侖 茲線型分布和受迫運動的尖峰；通過位置探測器采集被捕獲顆粒的布朗運動信號，其功率 譜P (f)與采用頻率f之間滿足：
[0009] P(f) = Pthermal (f)+Pforce (f) ?
[0010] 其中熱運動的功率譜為&_/(./) = ________;_________JIj，D為顆粒的擴散系數，f。為 P ( = f - f、 顆粒在光阱中的特征參數；受迫運動的功率譜為^ p(f) = f; A為平臺運動的真實振幅，平臺運動的頻率為fd，P為電壓比例系數，S為脈 沖函數；根據洛侖茲線型擬合為d/(/) = 擬合獲得山則電壓比例系數 # = 其中?=，/2(l + ./:2Z./:/)，I =lPl/rf) -, B 為擬合參數； 溫度T和粘滯系數n滿足n (T) /T = 12 JI3 P 2Brs/kB,其中kB為玻爾茲曼常數，r s為標準 尺寸微粒的半徑，根據溶液粘滯系數與溫度關系，求解確定溫度T以及在此溫度下n (T);
[0011] 步驟（3)、用光鑷捕獲待測樣品，重復步驟（2)的檢測過程，標定捕獲待測粒徑時 位置敏感探測器器件的電壓比例系數P ;在光阱激光功率較低時，步驟（2)測量的溫度就 代表了任意測量光阱中的溫度；待測顆粒功率譜信號的同樣采用洛侖茲線型擬合含擴散系 數項B，則測量半徑= kB!7(12 3P 2B)。
[0012] 進一步的，所述的方法可用于溫度檢測和粘滯系數檢測。
[0013] 進一步的，所述的方法可用于原位標定粒徑未知時光阱參數，包括光阱剛度和電 壓比例系數。
[0014] 進一步的，所述的方法適于納米到微米范圍的微粒的粒徑測量。
[0015] 本發明的優點和積極效果為：
[0016] 1)、本發明可以原位測量顆粒的粒徑，無需知道溶液溫度和粘滯系數等其他參數， 能準確測量某一個顆粒的粒徑，便于應用，尤其是在單分子力譜領域。雖然采用其它方式如 透射電鏡能準確測量顆粒粒徑，但不能預知在溶液中某個具體的微粒粒徑大小。采用圖像 測量邊沿的方式依賴操作者和很多實驗條件，本發明彌補了這一不足。
[0017] 2)、本發明可用于測量納米顆粒的粒徑。
[0018] 3)、本發明測量粒徑的方法也可以用于準確測量溶液溫度和粘滯系數。
[0019] 4)、本發明所采用的方法可以根據測量顆粒受限運動位移信號原位標定光阱剛 度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020] 圖1為本發明利用光鑷原位測量顆粒粒徑的流程圖。
[0021] 圖2為本發明激光俘獲和光電探測的光鑷系統圖。
[0022] 圖中，1為激光器；2、3、6、8、12和14為透鏡；4和5為全反射平面鏡；7為45度半 反半透平面鏡；9為高倍顯微物鏡；10為待測的壓電平臺；11為固定在壓電平臺上的樣品 室；13為反射激光透過照明光的低通濾波鏡片；15為位置敏感探測器件；16為顯微鏡照明 光源；17為視頻監控相機。
[0023] 圖3為本發明光阱中被捕獲微粒受迫運動的功率譜信號。
[0024] 圖4為本發明原位測量顆粒的粒徑分布。其中，（a)為20個顆粒的粒徑值；(b)為 顆粒粒徑分布統計直方圖。樣品為Duke Scientific公司顆粒半徑為491nm±4nm(3495A) 樣品，粒徑測量采用透射電鏡測量，標準偏差為6. 3nm(l. 3% )。原位測量20個顆粒的平均 直徑為490. 6nm，標準偏差為4. 3nm。
【具體實施方式】
[0025] 下面結合附圖及【具體實施方式】對本發明進行詳細說明，但本發明的保護范圍并不 僅限于下面實施例，應包括權利要求書中的全部內容。
[0026] 本發明檢測流程見圖1，采用標準尺寸顆粒的功率譜信號測量溶液的溫度和粘滯 系數，再用測量得到的參數去檢測待測顆粒的尺寸。本發明的實驗檢測基礎需要有一套帶 有光電探測的光鑷系統，見圖2。將激光經過透鏡2和3擴束平行入射到一對反射鏡4和5， 再經過透鏡6和8擴束到物鏡9后瞳的光斑大約6_。45度半反半透平面鏡7將激光反射進 入物鏡。樣品室11放置在已校準的壓電平臺10上，樣品室內充滿混有500nm(491nm±4nm， 3495A，Duke Scientific)和 Iiim(C). 993 iim±0.021ii m，4009A，Duke Scientific)顆粒。通 過物鏡9聚焦的光束經過透鏡12重新會聚，激光經過低波通鏡片13反射到位置敏感探測 器15的靶面上。透鏡14將透鏡12后焦面的光斑共軛成像投影在位置敏感探測器15靶面 上。在照明燈16的照射下，照明光經過透鏡12聚焦對樣品照明，由相機17成像實時顯示 在計算機上。
[0027] 通過相機17監控的圖像，使用壓電平臺10移動樣品室11，使得作自由布朗運動 I U m顆粒被光阱所俘獲。將壓電平臺10驅動樣品室11作頻率為fd振幅為I y m的正弦運 動信號，采用相機17記錄顆粒的光電探測信號。
[0028] 由于光阱中顆粒受到溶液擾動不停作余弦運動，顆粒的運動信號 的功率譜信號見圖3(f d = 25Hz)。被光阱捕獲的顆粒的功率譜信號除了 熱噪聲項夕卜，包括受迫振動項，總功率譜P(f) = Pth^^fO+PtoJf)，其中
【權利要求】
1. 一種基于光學俘獲的顆粒粒徑檢測方法，其特征在于：該方法的步驟如下： 步驟（1)、構建一套光鑷系統作為檢測系統，包括俘獲光源、各種透鏡、高數值孔徑物 鏡、寬帶快速位置敏感探測器、照明燈、位移平臺和相機；將激光經過擴束鏡擴束后由聚焦 透鏡將光束耦合進入高數值孔徑物鏡內，位置敏感探測器放置在照明透鏡的后焦面的共軛 面上，探測光阱中顆粒的布朗運動信號，樣品室放置在位移移動平臺上，可以通過平臺控制 樣品室作正弦運動； 步驟（2)、將標準尺寸的顆粒與待測樣品混勻用水稀釋充滿注入樣品室，光鑷捕獲標 準尺寸顆粒，通過平臺控制樣品室做正弦運動，通過位置探測器采集標準微粒在光阱中的 布朗運動信號；分析運動信號的功率譜信號，該信號包括受限布朗運動時熱噪聲的洛侖茲 線型分布和受迫運動的尖峰；通過位置探測器采集被捕獲顆粒的布朗運動信號，其功率譜 P (f)與采用頻率f之間滿足： P(f)= Pthermal (f) +Pforce (f) ? 其中熱運動的功率譜為
D為顆粒的擴散系數，f。為顆粒在光 阱中的特征參數；受迫運動的功率譜為
A為平臺運動的真實振幅，平臺運動的頻率為fd，β為電壓比例系數，δ為脈沖函 β 數；根據洛侖茲線型擬合為d/(/) = ，擬合獲得dc/y，則電壓比例系數 β = ,其中吣=# / 2(1 十/2 / //)，?=>]4/', B 為擬合參數;溫 度T和粘滯系數η滿足η (T)/T = 12 π 3β 2Brs/kB,其中kB為玻爾茲曼常數，r s為標準尺 寸微粒的半徑，根據溶液粘滯系數與溫度關系，求解確定溫度T以及在此溫度下Ii(T); 步驟（3)、用光鑷捕獲待測樣品，重復步驟（2)的檢測過程，標定捕獲待測粒徑時位置 敏感探測器器件的電壓比例系數β ;在光阱激光功率較低時，步驟（2)測量的溫度就代表 了任意測量光阱中的溫度；待測顆粒功率譜信號的同樣采用洛侖茲線型擬合含擴散系數項 Β，則測量半徑 rmeasure = kB!7(12 π 3 β 2B)。
2. 根據權利要求1所述的一種基于光學俘獲的顆粒粒徑檢測方法，其特征在于：所述 的方法可用于溫度檢測和粘滯系數檢測。
3. 根據權利要求1所述的一種基于光學俘獲的顆粒粒徑檢測方法，其特征在于：所述 的方法可用于原位標定粒徑未知時光阱參數，包括光阱剛度和電壓比例系數。
4. 根據權利要求1所述的一種基于光學俘獲的顆粒粒徑檢測方法，其特征在于：所述 的方法適于納米到微米范圍的微粒的粒徑測量。
【文檔編號】G01N15/02GK104374676SQ201410685965
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月25日 優先權日:2014年11月25日
【發明者】周金華, 李迪, 李銀妹, 鐘敏成, 王自強 申請人:中國科學技術大學