一种基于对称电场的颗粒zeta电位测量方法及装置制造方法及图纸

一种基于对称电场的颗粒zeta电位测量装置，其包括电泳电压源、U型透明管的样品池、光学相干模块、光电信号处理模块、数据处理器；电泳电压源的正极设在U型透明管的左端内，电泳电压源的负极设在U型透明管的右端内；光电信号处理模块包括光电探测器和自相关运算模块，光电探测器和自相关运算模块的数量都为两个，第一光电探测器的输出端与第一自相关运算模块的输入端电连接，第二光电探测器的输出端与第二自相关运算模块的输入端电连接；数据处理器的输入端分别与第一自相关运算模块、第二自相关运算模块的输出端电连接；光学相干模块包括激光光源和光学频移器。本发明专利技术能够剔除杂散光与电噪声引入的频谱成分，提高Zeta电位测量的准确性与稳定性。

Method and device for measuring particle zeta potential based on symmetrical electric field

A particle zeta potential measurement device based on symmetrical electric field, including electrophoresis voltage source, U type transparent tube sample pool, optical coherence module, photoelectric signal processing module, data processor; cathode electrophoresis voltage source in U type transparent tube left in the right end of the negative voltage source in the electrophoresis of U type transparent tube the internal; photoelectric signal processing module comprises a photoelectric detector and autocorrelation module, the number of photoelectric detector and autocorrelation module is two, the input power output end of the photoelectric detector and the first autocorrelation module are connected, the input power output terminal second of photoelectric detector and second autocorrelation module connection; input data processor is respectively connected with the first autocorrelation module, second autocorrelation module is electrically connected with the output end of the optical module comprises a laser coherent; Light source and optical frequency shifter. The invention can eliminate the spectral components introduced by the stray light and the electric noise, and improve the accuracy and stability of the Zeta potential measurement.

【技术实现步骤摘要】
一种基于对称电场的颗粒zeta电位测量方法及装置
本专利技术涉及颗粒溶液Zeta电位测量
，具体涉及一种基于对称电场的颗粒zeta电位测量方法及装置。
技术介绍
Zeta电位又叫电动电位，它是表征胶体颗粒分散系稳定性的重要指标，是对颗粒之间相互排斥或吸引力的强度的度量。当Zeta电位绝对值小于30mV时，溶液体系稳定性差，胶体颗粒溶液将越倾向于凝结或团聚，即吸引力超过了排斥力，分散被破坏而发生凝结或凝聚。当Zeta电位绝对值大于30mV时，溶液体系越稳定，表现为胶体颗粒可以趋向于均匀且稳定地溶解或分散在溶剂中。因此，它在水泥、油漆、粘结剂、药品、化妆品和食品制作、纸张制造和污水处理等众多行业中，是必不可少的重要测量参数。在测量技术方面，常用的方法有显微镜法和电泳法光散射法(ELS)两种。后者是被国际标准化组织(ISO)推荐为Zeta电位的标准测量方法之一，也是最适合于仪用的测量方法。ELS技术的主要原理是：让具有Zeta电位的胶体颗粒在恒定电场中会产生电泳运动，当电泳运动的颗粒经过一片入射激光的干涉区域时，因为条纹是明暗交替变化的，散射光强将会随明暗条纹的变化产生幅度上的周期变化，这个周期变化的信号与颗粒电泳速度相关。当信号的周期越小(频率越高)，表明颗粒通过干涉区域的时间越短，颗粒的电泳速度会越快，Zeta电位也就越强。反之则Zeta电位越弱。因此通过传统的傅立叶变换提取出散射光中周期变化的频谱信息，将可以得到颗粒的电泳速度，进而根据Smoluchowski和Henry公式就能够计算得到胶体颗粒的Zeta电位的数值。但是上述的测量过程中往往会存在以下两方面的问题：一方面，探测光路中无法避免的杂散光，会严重影响干涉区域明暗条纹的衬比度，使周期信号变化不明显。另一方面，探测点的电场不均匀，使探测点颗粒的电泳速度产生一定的分布，造成多普勒频移量测量时会出现较大的波动与误差，从而颗粒的Zeta电位测量结果的稳定性与准确性自然也大大降低。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供了一种基于对称电场的颗粒zeta电位测量方法，本方法在样品池中设定两个电场对称的探测点，利用电泳光散射技术，探测出颗粒电泳运动时产生的散射光信号，然后基于光子相关光谱技术对两个探测点所拾取的散射光信号分别进行相关性处理，得到两条相关性曲线，最后将两条相关曲线信号进行差分处理，从而得到信噪比增强的多普勒频移信号，利用多普勒频移量与颗粒Zeta电位的计算关系，将得到颗粒的电泳迁移率及其Zeta电位；本方法能够大大剔除杂散光与电噪声引入的频谱成分，增强颗粒电泳运动所产生的多普勒频移信号的信噪比，提高Zeta电位测量的准确性与稳定性。本专利技术还提供了一种基于对称电场的颗粒zeta电位测量装置。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种基于对称电场的颗粒zeta电位测量方法，其包括：步骤1.设有第一样品池和第二样品池，在第一样品池中设有第一探测点，在第二样品池中设有第二探测点，向第一样品池和第二样品池通入电泳电压，使得第一探测点和第二探测点的电场强度大小相同、且方向相反；步骤2.通过激光光源产生属性相同的第一光束和第二光束，基于前向小角度散射光探测的原理，第一光束以一定角度入射到第一探测点后得到第一散射光，第二光束以相同角度入射第二探测点后得到第二散射光；步骤3.将第一光束的分束经过光学频移器移频后与第一散射光相干涉形成第一干涉光，通过第一光电探测器获得第一干涉光的一组光子数的时间序列信号，将第二光束的分束经过光学频移器移频后与第二散射光相干涉形成第二干涉光，通过第二光电探测器获得第二干涉光的一组光子数的时间序列信号；步骤4.对第一干涉光的一组光子数的时间序列信号进行自相关运算得到第一组时域信号，对第二干涉光的一组光子数的时间序列信号进行自相关运算得到第二组时域信号；步骤5.对第一组时域信号和第二组时域信号分别进行傅里叶变换，从而得到第一组频域信号和第二组频域信号，将两组频域信号进行差分处理，并获得两个探测点之间多普勒频移量Δf，再将Δf代入到式(1)得到颗粒的zeta电位ξ：其中ξ是Zeta电位，η是溶液的粘滞系数，λ0是入射的激光光波长，ε是溶液的介电常数，E是电场强度，n是溶液折射率，f(kr)是亨利函数，r为球形颗粒的半径，k为常数，θ′是入射光与散射光夹角。作为本专利技术的一种改进，所述第一样品池和第二样品池设在同一U型透明管中，U型透明管的左竖段为第一样品池、右竖段为第二样品池，U型透明管的左端内设有电泳电压的正极、右端内设有电泳电压的负极，第一探测点设在U型透明管的左竖段内、且与正极相距d的位置，第二探测点设在U型透明管的右竖段内、且与负极相距d的位置，此时第一探测点和第二探测点的电场强度大小相同、且方向相反。将第一样品池和第二样品池设在同一U型透明管中，既能使得第一探测点和第二探测点的电场强度大小相同、且方向相反，又利于保证两个样品池颗粒的溶液粘滞系数、介电常数、颗粒半径等参数一致。在步骤5中，获得两个探测点之间多普勒频移量Δf的具体过程如下：将第一组频域信号和第二组频域信号在对应点的频率一一相减得到频率差值f，由频率差值f的曲线得到“谷”值f1和“峰”值f2，将f1和f2分别与固定频移量f0进行差分处理，分别得到Δf1和Δf2，其中f0为光学频移器产生的固定频移量，将Δf1和Δf2代入式(2)得到平均值：Δf＝(Δf1+Δf2)/2＝[(f1-f0)+(f2-f0)]/2(2)进一步地，所述的光电探测器可采用光电倍增管或雪崩光电二极管等光电探测器件。一种基于对称电场的颗粒zeta电位测量装置，其包括电泳电压源、U型透明管的样品池、光学相干模块、光电信号处理模块、数据处理器；电泳电压源的正极设在U型透明管的左端内，电泳电压源的负极设在U型透明管的右端内；光电信号处理模块包括光电探测器和自相关运算模块，光电探测器和自相关运算模块的数量都为两个，第一光电探测器设在U型透明管左侧的正下方，第二光电探测器设在U型透明管右侧的正下方，第一光电探测器的输出端与第一自相关运算模块的输入端电连接，第二光电探测器的输出端与第二自相关运算模块的输入端电连接；数据处理器的输入端分别与第一自相关运算模块、第二自相关运算模块的输出端电连接；光学相干模块包括激光光源和光学频移器，激光光源位于U型透明管上方，激光光源的第一光束经一倾斜设置的第一分束镜入射到U型透明管后散射在第一光电探测器上，第一光束的分束光经光学频移器后照射在第一光电探测器；激光光源的第二光束经一倾斜设置的第二分束镜入射到U型透明管后散射在第二光电探测器上，第二光束的分束光经光学频移器后照射在第二光电探测器。数据处理器内设有傅里叶变换模块、频谱差分处理模块和zeta电位计算模块，傅里叶变换模块用于将第一自相关运算模块和第二自相关运算模块的时域信号转换为频域信号；频谱差分处理模块用于将第一组频域信号和第二组频域信号对应的频率一一相减得到频率差值f，并得到频率差值f的“谷”值f1和“峰”值f2，然后将f1和f2分别与固定频移量f0进行差分处理，分别得到Δf1和Δf2，然后得到Δf1和Δf2的平均值Δf，其中f0为光学频移器产生的固定频移量；zeta电位计算模块利用Δf值求出颗粒的zeta电位ξ本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于对称电场的颗粒zeta电位测量方法，其特征在于包括：步骤1.设有第一样品池和第二样品池，在第一样品池中设有第一探测点，在第二样品池中设有第二探测点，向第一样品池和第二样品池通入电泳电压，使得第一探测点和第二探测点的电场强度大小相同、且方向相反；步骤2.通过激光光源产生属性相同的第一光束和第二光束，基于前向小角度散射光探测的原理，第一光束以一定角度入射到第一探测点后得到第一散射光，第二光束以相同角度入射第二探测点后得到第二散射光；步骤3.将第一光束的分束经过光学频移器移频后与第一散射光相干涉形成第一干涉光，通过第一光电探测器获得第一干涉光的一组光子数的时间序列信号，将第二光束的分束经过光学频移器移频后与第二散射光相干涉形成第二干涉光，通过第二光电探测器获得第二干涉光的一组光子数的时间序列信号；步骤4.对第一干涉光的一组光子数的时间序列信号进行自相关运算得到第一组时域信号，对第二干涉光的一组光子数的时间序列信号进行自相关运算得到第二组时域信号；步骤5.对第一组时域信号和第二组时域信号分别进行傅里叶变换，从而得到第一组频域信号和第二组频域信号，将两组频域信号进行差分处理，并获得两个探测点之间多普勒频移量Δf，再将Δf代入到式(1)得到颗粒的zeta电位ξ：...

【技术特征摘要】
1.一种基于对称电场的颗粒zeta电位测量方法，其特征在于包括：步骤1.设有第一样品池和第二样品池，在第一样品池中设有第一探测点，在第二样品池中设有第二探测点，向第一样品池和第二样品池通入电泳电压，使得第一探测点和第二探测点的电场强度大小相同、且方向相反；步骤2.通过激光光源产生属性相同的第一光束和第二光束，基于前向小角度散射光探测的原理，第一光束以一定角度入射到第一探测点后得到第一散射光，第二光束以相同角度入射第二探测点后得到第二散射光；步骤3.将第一光束的分束经过光学频移器移频后与第一散射光相干涉形成第一干涉光，通过第一光电探测器获得第一干涉光的一组光子数的时间序列信号，将第二光束的分束经过光学频移器移频后与第二散射光相干涉形成第二干涉光，通过第二光电探测器获得第二干涉光的一组光子数的时间序列信号；步骤4.对第一干涉光的一组光子数的时间序列信号进行自相关运算得到第一组时域信号，对第二干涉光的一组光子数的时间序列信号进行自相关运算得到第二组时域信号；步骤5.对第一组时域信号和第二组时域信号分别进行傅里叶变换，从而得到第一组频域信号和第二组频域信号，将两组频域信号进行差分处理，并获得两个探测点之间多普勒频移量Δf，再将Δf代入到式(1)得到颗粒的zeta电位ξ：其中ξ是Zeta电位，η是溶液的粘滞系数，λ0是入射的激光光波长，ε是溶液的介电常数，E是电场强度，n是溶液折射率，f(kr)是亨利函数，r为球形颗粒的半径，k为常数，θ′是入射光与散射光夹角。2.根据权利要求1所述的基于对称电场的颗粒zeta电位测量方法，其特征在于：所述第一样品池和第二样品池设在同一U型透明管中，U型透明管的左竖段为第一样品池、右竖段为第二样品池，U型透明管的左端内设有电泳电压的正极、右端内设有电泳电压的负极，第一探测点设在U型透明管的左竖段内、且与正极相距d的位置，第二探测点设在U型透明管的右竖段内、且与负极相距d的位置，此时第一探测点和第二探测点的电场强度大小...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱健，韩鹏，骆开庆，彭力，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：广东,44