金属纳米颗粒平均粒径的测量系统及测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光学测量领域，尤其涉及一种利用消光数据测量纳米颗粒的测量系统 及测量方法。
【背景技术】
[0002] 纳米颗粒是指至少在一个维度上的尺寸在I nm-100nm之间的颗粒。由于金属纳 米颗粒具有纳米量级的平均粒径，使其具有很多特殊效应，如小尺寸效应、表面效应、量子 效应、以及宏观量子隧道效应等，从而使其光、电、声、热和其它物理特性表现出与传统块体 材料截然不同的特殊性质。而金属纳米颗粒的很多特性均与其平均粒径大小有密切关系， 因此对金属纳米颗粒平均粒径的测量和表征有重要的科学研究和实用意义。
[0003]目前用于金属纳米颗粒平均粒径测量的主要方法是显微成像法和散射度量法。其 中，显微成像法是应用某种显微成像技术对纳米颗粒直接成像，进而在其显微图像上直接 测量颗粒尺寸的方法，但它测量速度慢、效率低、成本高、设备投入大、需要专业人员操作 等，不便于实验室外测量和实时测量。现有散射度量法又主要有分为动态光散射法、小角度 X射线散射法、散射光谱法等。散射度量法也存在一些不足，包括：1)需要测量金属纳米颗 粒群的一种或多种光谱信息，因此要用到分光光度计、光谱仪等较昂贵的仪器；2)其核心原 理是求解逆散射问题，会由于逆问题的病态性导致反演结果的不稳定，因此对求解算法的 可靠性要求较高。在实际应用中，人们常常还需要对纳米颗粒进行快速测量，如在合成金属 纳米颗粒时，需要快速测定其平均粒径，但目前的方法还不能满足这种需求。
【发明内容】
[0004] 综上所述，确有必要提供一种成本低、操作简单、稳定且精确的能测量大样品量金 属纳米颗粒的平均直径的测量系统及测量方法。
[0005] -种金属纳米颗粒粒径的测量系统，包括：一光源模组，一样品池，一光电探 测单元以及一数据处理单元；其特征在于，所述光源模组用于依次发出的两个波长为 ^1和I2单色光；所述样品池用于承载参考样品及待测样品，光源模组输出的光经过样品池 后进入光电探测单元，经光电探测单元处理后输入数据处理单元；所述数据处理单元包括 在劣和4两个波长下，金属纳米颗粒的吸光度比值与粒径逍之间对应关系的第一数 据处理模组，包括吸光度比值及A、吸光度:?,和^^、平均消光截面与粒径D之间关 系的数据库見1和〈Qd ；以及在和.?两个波长下， 金属纳米颗粒修正后的吸光度比值与平均粒径万之间对应关系的第二数据处理模 组，包括修正后的吸光度比值、吸光度Λ和4,、平均消光截面与平均粒径 之间关系的数据库< Q (乂，d;』尽cr>)和< Cat ，a观，。
[0006] 一种采用如上所述的金属纳米颗粒粒径的测量系统测量金属纳米颗粒粒径的测 量方法，包括： 将参考样品放入样品池中，测量参考光强度S1; 将待测样品放入样品池中，获取测量光强度G1，得到待测样品的透过率f，并得到待 测样品在波长::％和名的吸光度_|,和^%..;以及 将测得的金属纳米颗粒样品的吸光度為,和為1:输入数据处理系统，得到吸光度比值 ，根据吸光度与平均粒径的关系，计算得到待测纳米颗粒样品的平均粒径:i，其中，
[0007] 与现有技术相比较，本发明提供的单光路纳米颗粒平均粒径测量系统及测量方 法，只需通过测量两个波长处的吸光度而无需测量整个光谱，并根据理论建模建立了在选 取两个合适的波长处纳米颗粒样品的吸光度比值与平均粒径之间的关系，通过软件部分快 速、稳定及精确的计算出大样品量的金属纳米颗粒群的平均粒径，解决了现有散射度量法 需要对散射逆问题进行建模求解以及需要使用较昂贵的光谱仪器的不足，降低了测量的成 本，提高了测量的速度、稳定度。
【附图说明】
[0008] 图1为本发明第一实施例提供的单光路纳米颗粒平均粒径测量系统的结构示意 图。
[0009] 图2在波长义和弋下，纳米颗粒的吸光度比值与平均粒径乃之间的关系；以 及在光源模组具有的.?和i两个波长下，纳米颗粒的吸光度比值的修正值与平均粒 径·之间的关系。
[0010] 图3为本发明第二实施例提供的单光路纳米颗粒平均粒径测量系统的结构示意 图。
[0011] 图4为本发明第三实施例提供的单光路纳米颗粒平均粒径测量系统的结构示意 图。
[0012] 主要元件符号说明
如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。
【具体实施方式】
[0013] 以下将结合附图详细说明本发明提供的金属纳米颗粒平均粒径的测量系统。
[0014] 请参阅图1，本发明第一实施例提供一种金属纳米颗粒平均粒径的测量系统100， 包括一光源模组10,样品池3, 一光电探测单元4及一数据处理系统8。所述光源模组10发 出的单色光经过样品池3后进入光电探测单元4,经过光电探测单元4处理将数据输入数据 处理系统8,数据处理系统8对数据进行处理，得到金属纳米颗粒的平均粒径。
[0015] 所述光源模组10用以产生两个特定波长％和^的单色光，本实施例中，所述光源 模组10包括一宽带光源1以及一单色仪2,由宽带光源1产生的光经单色仪2产生单色光。 所述宽带光源1发出的光的波长的范围为380纳米至780纳米。本实施例中，所述的待测 样品为20nm-105nm的金纳米球形颗粒，选取的两个特定波长为Λ = 532ηιη__:'，弋=573nrru_。
[0016] 所述样品池3用以承载参考样品和待测样品，具体的，所述样品池3中可包括一比 色皿（图未示）用以承载参考样品和待测样品，其具体形状可根据参考样品的具体形态进行 选择。所述样品池3设置于所述光源模组10输出的单色光的光路上。当测量参考样品时， 用以承载参考样品；当测量待测样品时，用以承载待测样品。
[0017] 所述光电探测单元4设置于从样品池3出射光的光路上，用于探测从所述样品池 3出射的光，并将探测到的光信号进行处理，转换为电信号。具体的，当测量参考样品时，此 处射光为参考光；当测量待测样品时，此出射光为测量光。最终光电探测单元4得到的测量 光及参考光经过电路的放大和处理后转换为电信号，输入所述数据处理单元8。
[0018] 所述数据处理单元8用于接收所述光电探测单元4输入的电信号，转换为数 据，并对数据进行处理，进而得到两个波长A和，处纳米颗粒样品的吸光度碑,、和I: 。具体的，所述数据处理单元8包括在,和_两个波长下，金属纳米颗粒的吸光度比 值与粒径忽:之间的一一对应关系的第一数据处理模组，包括吸光度比值冬^、吸 光度為i和^、平均消光截面〈C^与粒径D之间关系的数据库<：C isf (4 D，CT)；) 和尽CT)> ;以及在4和4两个波长下，金属纳米颗粒的吸光度比值的 修正值与平均粒径万之间的一一对应关系的第二数据处理模组，包括修正后的吸 光度比值吸光度和、平均消光截面与平均粒径g:之间关系的数据库 \?(Λ，和〈Qd认』兄J)〉。通过光电探测单元 4及数据处理单元 8获取金属纳米颗粒的吸光度..和，得到金属纳米颗粒在不同波长下的吸光度的比值 ，从而得到待测纳米颗粒样品的平均粒径。
[0019] 本发明进一步提供一种利用所述金属纳米颗粒平均粒径的测量系统100测量纳 米颗粒平均粒径的方法，包括以下步骤： 步骤S10,测量参考光强度/f。
[0020] 在步骤SlO中，由于待测样品自身无法在样品池 3中分散，因此可将所述待测样品 分散于一溶剂中或悬浮于一气体中。本实施例中，所述待测样品分布于一溶剂中，并且基本 不溶于所述溶剂，形成混合液。将所述溶剂作为参考样品放入样品池 3,进行测量。此时所 述光电探测单元4探测到经过样品池3出射的光为参考光，即if为所述光电探测单元4探 测到的参考光强度。
[0021] 步骤S20,获取测量光强度G1，得到待测样品的透过率S，并得到待测样品在波 长罐和I 2的吸光度电和4。
[0022] 将含有待测样品的混合液放入样品池 3,进行测量。此时所述光电探测单元4探测 到经过样品池3出射的光为测量光，即！i1为所述光电探测单元4探测到的测量光强度。
[0023] 所述待测样品的透过率%可以表述如下：
再利用公式Λ =-1呢$计算得到金属纳米颗粒样品的吸光度或和.?:。本实施例中， 可得到金纳米球形颗粒在两个波长为4 = 532nffi」，毛=的吸光度和4；ri。
[0024] 步骤S30,金属纳米颗粒样品的吸光度斗和-^输入数据处理系统8,根据吸光度 与平均粒径的关系，计算得到待测纳米颗粒样品的平均粒径^。
[0025] 将获得的金属纳米颗粒样品的吸光度為i 输送到数据处理系统8,首先计算 得到吸光度比值式:
[0026] 金属纳米赖粒具有特有的局域表面等离子体共振效应（LSPR)。因此，通过测量有 两个特定波长点的消光数据，就可以确定该光谱的特征，进而建立起消光数据与金属纳米 颗粒的粒径的关系。本实施例中，以球形金纳米颗粒作为模型初始模型。实际测得的吸光 度碑,及為 < 与金属纳米颗粒平均消光截面之间的关系为：
其中为金纳米颗粒样品的光学厚度，是颗粒的数量浓度，即单位体积内的颗粒 数量，y为金属纳米颗粒样品的厚度。因此可以通过对纳米颗粒群的平均消光截面<&>的 计算，建立起纳米颗粒在选取两个合适的波长^和居处的吸光度比值与粒径泡:与之 间的关系。由于此操作是针对完美球形颗粒建模，可以采用精确、快速的Mie理论算法进行 严格的