一种多角度测量纳米粒度的检测装置及其检测方法与流程

本发明属于纳米粒度检测领域，尤其是一种多角度测量纳米粒度的检测装置及其检测方法。

背景技术：

随着科学技术的不断发展，纳米材料的制备和应用与人们的生活息息相关，在纳米材料的制备过程中，纳米粒度是最基本一项检测项目，纳米粒度是指纳米颗粒的大小，纳米颗粒一般是指粒径小于100nm的颗粒。为了满足生产制备对纳米颗粒粒度的要求，需要针对纳米颗粒粒度进行检测，现有的检测方法主要有电感应法、沉降法、显微镜法以及光散射法，其中光散射法作为众多纳米粒度检测方法的一种被广泛使用。

其中，光散射法又分为静态光散射法和动态光散射法，动态光散射法采用的检测设备为动态光散射纳米粒度仪，该粒度仪主要是利用激光作为光源，照射还有被测颗粒的液体中，颗粒在液体中受到液体分子的撞击产生布朗运动，造成散射光光强波动，分析光强的波动得到颗粒的布朗运动速度，再通过stocks-einstein方程得到颗粒的粒度。

现有技术中动态光散纳米粒度仪的激光光束仅能从固定角度照射颗粒样品溶液，该检测方法存在一定的随机性和偶然性，对于颗粒分布不均匀的样品溶液极易检测误差过大的情况。

技术实现要素：

发明目的：提供一种多角度测量纳米粒度的检测装置及其检测方法，以解决现有技术存在的上述问题。

技术方案：一种多角度测量纳米粒度的检测装置，包括：激光发射器、透镜、样品池、探测器以及计算器，所述检测装置还包括转动机构，所述转动机构包括转动部和静止部，所述激光发射器和透镜设于转动部上，所述样品池以及探测器设于静止部上，所述转动部可沿固定轴线相对于静止部转动，所述透镜位于激光发射器以及样品池之间，所述样品池设于透镜和探测器之间；

所述计算器包括用于建立颗粒散射光强自相关函数的第一模块、用于计算纳米颗粒的扩散速率的第二模块以及计算纳米粒度的第三模块，所述计算器与探测器通讯连接。

在进一步的实施例中，所述静止部包括支撑平台、垂直设于支撑平台底面的支撑轴以及设于支撑平台一侧的第一支撑板，所述支撑平台为圆形支撑平台，所述样品池设于支撑平台的顶部中心位置，所述探测器设于第一支撑壁顶面远离样品池的一端，所述转动机构包括转动平台、与转动平台底面连接的转动轴套以及设于转动平台一侧的第二支撑臂，所述转动平台为环形机构，所述转动轴套套设于支撑轴，所述激光发射器设于第二支撑臂顶面远离以及透镜，。

在进一步的实施例中，所述第一支撑臂的反向延长线和第二支撑臂之间形成有夹角，所述夹角在5°～355°之间，随着静止部和转动部的相对转动，第一支撑臂和第二支撑臂之间也发生相对转动，所述夹角的角度相对发生变化，激光发射器产生的激光从不同的角度照射样品池，探测器检测到的散射光的角度也因此发生变化，通过多次转动，逐步降低激光照射角度不同以及探测角度不同对检测结果的影响。

在进一步的实施例中，所述样品池为圆柱形试管，通过此设置能够降低样品池对激光的反射和折射，确保激光照射的强度，进一步提高检测准确率。

在进一步的实施例中，所述激光发射器采用波长为488nm的发光二极管。

在进一步的实施例中，所述检测装置还包括滤光片，所述滤光片的波长与激光发射器发射的激光波长相等，通过此设置能够确保特定波长的光照射样品池，有效避免外界杂光照射样品池，使探测器接收的光强产生偏差，进而使检测结果准确性降低。

本发明还提供了一种多角度测量纳米粒度的检测装置的检测方法，该检测方法主要包括如下步骤：

步骤1：启动激光发射器，激光发射器发射激光并穿过激光照射样品池，样品池中的粒子对激光进行散射；

步骤2：探测器探测散射光的强度，计算器根据光强变化计算得到纳米粒度d；

步骤3：将激光发射器转动设定角度，重复步骤2进行多次检测纳米粒度di，i＝1,2,3…j，根据多次测量结果，计算粒度平均值作为最终测量结果，其形式为：

在进一步的实施例中，步骤2进一步为：

第一模块根据散射光强结果得到颗粒散射光强自相关函数，其形式如下式

其中τ为延时时间，i(t)及i(t+τ)为时刻的散射光强，尖括号相对于与延时时间τ求积分平均值，将上式离散化可以得到，实际离散化形式光强自相关函数，其形式如下式：

其中δt表示系统采集散射光的采样时间，n(m)和n(m+l)分别表示系统第m次和第(m+l)次采样得到的散射光光子数，m为总的采样次数，光子相关结构通过延迟、相乘、累计几个环节，获得光强自相关函数；

第二模块通过光强函数和电强函数关系计算得出纳米颗粒的扩散速率：在获得光强相关函数以后，由于光强自相关函数g⁽²⁾(τ)与电场相关函数g⁽¹⁾(τ)存在如下关系：

g⁽²⁾(τ)＝α[1+β|g⁽¹⁾(τ)|]²，

其中，α是该函数在τ→∞时的极小值，也称之为基线，β是一个与实验条件相关的常数，其取值范围通常为：0<β<1，对于在稀溶液中做布朗运动的纳米颗粒，其电场自相关函数为指数衰减形式：

g⁽¹⁾(τ)＝exp(-γτ)，

其中，exp为以自然常数e为底数的指数函数，γ＝dk²称为衰减率，d为微粒在溶剂中的扩散系数，k＝(4π/λ)sin(θ/2)为散射波矢的大小，λ为照射光在溶液的波长，θ为散射角；

第三模块根据颗粒扩散速率通过stocks-einstein方程计算得出纳米颗粒的粒径，即纳米粒度，对于球形纳米颗粒，其流体力学等效直径d与扩散系数d,根据stocks-einstein方程求得纳米粒度d,其中kb是波尔兹曼常数，t为热力学绝对温度；η是溶剂的体积粘度。

有益效果：本发明采用的多角度测量纳米粒度的检测装置，包括激光发射器、透镜、样品池、探测器以及计算器以及转动机构，所述转动机构包括转动部和静止部，所述激光发射器和透镜设于转动部上，所述样品池以及探测器设于静止部上，所述转动部可沿固定轴线相对于静止部转动，随着静止部和转动部的相对转动，激光发射器照射样品池的角度发生变化，探测器检测的散射光的角度也发生变化，即探测器可以检测不同散射角的散射光强，从而使得检测装置能够实现多角度检测纳米粒度。与现有技术相比，本发明提供的多角度测量纳米粒度的检测装置，通过改变激光照射样品池的角度来检测不同散射角度下光强变化从而实现纳米粒度的检测，降低因照射角度的不同以及散射角度不同对检测结果的影响，提高纳米粒度的检测的准确性。

附图说明

图1是本发明的多角度测量纳米粒度的检测装置连接示意图。

图2是本发明的多角度测量纳米粒度的检测装置不含计算器的结构示意图。

图3是本发明的多角度测量纳米粒度的检测装置的转动机构的静止部的结构示意图。

图4是本发明的多角度测量纳米粒度的检测装置不含计算器的俯视图。

图5是本发明的多角度测量纳米粒度的检测装置的检测方法的流程图。

图1至图5各处附图标记为：激光发射器10、透镜20、样品池30、探测器40、转动机构50、静止部501、支撑平台5011、支撑轴5012、第一支撑臂5013、置物台5014、底座5015、转动部502、转动平台5021、转动轴套5022、第二支撑臂5023、计算器60、滤光片70。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

经研究人员发现在纳米材料制备过程中需要对纳米材料的颗粒度进行检测，现有的检测方法主要有电感应法、沉降法、显微镜法以及光散射法，其中光散射法被广泛使用，光散射法主要分为静态光散射法和动态光散射法，动态光散射法采用的检测设备为动态光散射纳米粒度仪，该粒度仪主要利用激光为光源照射有被测颗粒的液体，颗粒在液体中受到液体中发生布朗运动造成散射光光强波动，通过分析光强波动得到布朗运动速度，再通过stocks-einstein方程得到纳米材料颗粒的粒度。现有技术中动态光散纳米粒度仪仅能从单一角度照射样品溶液，而纳米颗粒在溶液中浓度不均匀会导致散射光光强检测结果存在一定的随机性和偶然性，使得纳米粒度检测结果误差较大。

如图1所示，本发明提供一种多角度测量纳米粒度的检测装置，包括：激光发射器10、透镜20、样品池30、探测器40、转动机构50以及计算器60。其中，转动机构50包括转动部502和静止部501，所述激光发射器10和透镜20设于转动部502上，所述样品池30以及探测器40设于静止部501上，转动部502可沿固定轴线相对于静止部501转动，透镜20位于激光发射器10以及样品池30之间，样品池30设于透镜20和探测器40之间；

本实施例中的计算器60包括用于建立颗粒散射光强自相关函数的第一模块、用于计算纳米颗粒的扩散速率的第二模块以及计算纳米粒度的第三模块，所述计算器60与探测器40通讯连接。

如图2和图3所示，在进一步的实施例中，静止部501包括支撑平台5011、垂直设于支撑平台5011底面的支撑轴5012以及设于支撑平台5011一侧的第一支撑臂5013。其中支撑平台5011为圆形支撑平台5011，样品池30设于支撑平台5011的顶部中心位置，支撑平台5011的顶面设有置物台5014，置物台5014的顶面向下开有一盲孔，样品池30底端部分插设于盲孔内；支撑轴5012的顶端和支撑平台5011的底面焊接固定，支撑轴5012的底面固定连接有底座5015，支撑轴5012和底座5015之间焊接固定，第一支撑臂5013和支撑平台5011的侧面焊接，第一支撑臂5013水平设置，探测器40设于第一支撑臂5013的顶面远离样品池30的一端；本实施例中的转动机构50包括转动平台5021、与转动平台5021底面连接的转动轴套5022以及设于转动平台5021一侧的第二支撑臂5023；其中转动平台5021为环形结构，转动平台5021的内径略大于支撑轴5012的直径，转动轴套5022和转动平台5021同轴连接，可以采用焊接固定或者一体成型，转动轴套5022套设于支撑轴5012，转动轴套5022的内径和转动平台5021的内径相等，第二支撑臂5023和转动平台5021的侧面固定连接，第二支撑臂5023水平设置，激光发射器10设于第二支撑臂5023顶面远离以及透镜20，本实施例中的激光发射器10、透镜20以及探测器40的中心点大致在同一水平高度。检测装置使用过程中，激光发射器10发射激光，激光透过透镜20进行聚焦后对样品池30进行照射，样品池30中的纳米颗粒在运动过程中对照射的激光产生散射，探测器40探测某一方向上散射光的光强，通过散射光的光强变化，计算得到一纳米颗粒的粒度值；当转动转动部502时，转动平台5021相对于支撑平台5011发生相对运动，第二支撑臂5023也随着转动平台5021的转动而转动，第二支撑臂5023上的激光发射器10发射的激光从另一个角度照射样品池30，探测器40的位置保持不动，继续接收散射光的光强，由于照射角度发生变化，使得探测器40探测的散射光的角度也发生变化，通过计算再次得到一纳米颗粒的粒度值；通过多次转动转动部502，使激光发射器10发出的激光照射角度不同，得到若干纳米颗粒的粒度值，这些粒度值存在一定的随机性和偶然性，对以上所测得的纳米颗粒的粒度值取平均值作为最终纳米颗粒的粒度值，此值较为准确，误差较小。

如图4所示，在进一步的实施例中，第一支撑臂5013的反向延长线和第二支撑臂5023之间形成有夹角，将该夹角设为θ，此夹角即为探测器40所在位置的测得的散射光的散射角，该夹角在5°～355°之间。随着静止部501和转动部502的相对转动，第一支撑臂5013和第二支撑臂5023之间也发生相对转动，所述夹角的角度相对发生变化，激光发射器10产生的激光从不同的角度照射样品池30，探测器40检测到的散射光的角度也因此发生变化，通过转动转动部502既能调整激光照射样品池30的角度，同时能够使探测器40测得的不同散射角的散射光的强度，因此，通过多次转动转动部502，能够逐步降低激光照射角度不同以及探测角度不同对检测结果的影响。

在进一步的实施例中，所述样品池30为圆柱形试管，采用圆柱形试管能够使得激光照射样品池30时垂直于样品池30的外壁面，降低样品池30对激光的反射和折射，确保激光照射的强度，降低激光强度的损耗，进一步提高检测准确率。

在进一步的实施例中，所述激光发射器10采用波长为488nm的发光二极管，现有的激光发射器10主要有气体激光器、半导体激光器、固体激光器以及自由电器激光器，其中气体叫广汽提供的激光性能稳定，并且光束质量好，本实施例采用气体激光器中的氩离子激光器，氩离子激光器可以稳定输出从紫光到近红外的很多光谱，最主要的有3条，它们是458nm(紫)，488nm(蓝)，514nm(绿)，由于纳米颗粒较小，因此如果激光波长较大，则散射效果不明显，如果激光波长较小，会导致激光被颗粒阻挡产生反射，导致探测器40探测的散射光强度较弱，导致检测结果误差偏大，因此本实施例中的激光发射器10采用波长为488nm的发光二极管，该激光为蓝色光，通过此设置，进一步提高检测结果的准确性，降低检测误差，在实际运用中应当根据纳米材料的颗粒度选择合适波长的激光发射器10，以提高检测结果的准确性。

结合图4，在进一步的实施例中，检测装置还包括滤光片70，滤光片70的波长与激光发射器10发射的激光波长相等，本实施例中的滤光片70的波长为488nm，颜色为蓝色，滤光片70设于第一支撑臂5013上，滤光片70设于激光发射器10以及透镜20之间，采用该滤光片70能够确保488nm的特定波长的激光照射样品池30，有效避免外界杂光照射样品池30，使探测器40接收的光强产生偏差，进而使检测结果准确性降低。

结合图5，本发明还提供的多角度测量纳米粒度的检测装置的检测方法主要如下：

步骤1：启动激光发射器10，激光发射器10发射激光并穿过激光照射样品池30，样品池30中的粒子对激光进行散射；

步骤2：探测器40探测散射光的强度，计算器60根据光强变化计算得到纳米粒度d；其中步骤2具体为：

第一模块根据散射光强结果得到颗粒散射光强自相关函数，其形式如下式

其中τ为延时时间，i(t)及i(t+τ)为时刻的散射光强，尖括号相对于与延时时间τ求积分平均值，将上式离散化可以得到，实际离散化形式光强自相关函数，其形式如下式：

其中δt表示系统采集散射光的采样时间，n(m)和n(m+l)分别表示系统第m次和第(m+l)次采样得到的散射光光子数，m为总的采样次数，光子相关结构通过延迟、相乘、累计几个环节，获得光强自相关函数；

第二模块通过光强函数和电强函数关系计算得出纳米颗粒的扩散速率：在获得光强相关函数以后，由于光强自相关函数g⁽²⁾(τ)与电场相关函数g⁽¹⁾(τ)存在如下关系：

g⁽²⁾(τ)＝α[1+β|g⁽¹⁾(τ)|]²，

其中，α是该函数在τ→∞时的极小值，也称之为基线，β是一个与实验条件相关的常数，其取值范围通常为：0<β<1，对于在稀溶液中做布朗运动的纳米颗粒，其电场自相关函数为指数衰减形式：

g⁽¹⁾(τ)＝exp(-γτ)，

其中，exp为以自然常数e为底数的指数函数，γ＝dk²称为衰减率，d为微粒在溶剂中的扩散系数，k＝(4π/λ)sin(θ/2)为散射波矢的大小，λ为照射光在溶液的波长，θ为散射角，即θ为第一支撑臂5013的反向延长线和第二支撑臂5023之间的夹角；

第三模块根据颗粒扩散速率通过stocks-einstein方程计算得出纳米颗粒的粒径，即纳米粒度，对于球形纳米颗粒，其流体力学等效直径d与扩散系数d,根据stocks-einstein方程求得纳米粒度d,其中kb是波尔兹曼常数，t为热力学绝对温度；η是溶剂的体积粘度。

步骤3：将激光发射器10转动设定角度，重复步骤2进行多次检测纳米粒度di，i＝1,2,3…j，根据多次测量结果，计算粒度平均值作为最终测量结果，其形式为：

本发明采用的多角度测量纳米粒度的检测装置，包括激光发射器10、透镜20、样品池30、探测器40以及计算器60以及转动机构50，其中转动机构50包括转动部502和静止部501，激光发射器10和透镜20设于转动部502上，样品池30以及探测器40设于静止部501上，随着转动部502与静止部501的相对转动，激光发射器10照射样品池30的角度发生变化，探测器40检测的散射光的角度也发生变化，即探测器40可以检测不同散射角的散射光强。与现有技术相比，本发明提供的多角度测量纳米粒度的检测装置，通过改变激光照射样品池30的角度来检测不同散射角度下光强变化从而实现纳米粒度的检测，降低因照射角度的不同以及散射角度不同对检测结果的影响，提高纳米粒度的检测的准确性。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。