一种基于纳米颗粒示踪技术的纳米颗粒粒径分布检测分析方法技术

本发明专利技术提供一种液体中纳米颗粒粒径分布检测分析方法，包括如下步骤：步骤1)，基于纳米颗粒示踪技术确定待测液体中某一纳米颗粒的运动轨迹；步骤2)，计算待测液体中纳米颗粒的流动位移矢量，并将流动位移矢量从纳米颗粒运动位移矢量中去除，即得布朗运动的位移矢量；步骤3)，先根据所述纳米颗粒的布朗运动的位移计算其平均扩散系数，再根据斯托克斯爱因斯坦方程计算得到纳米颗粒粒径；步骤4)，通过对液体中所有纳米颗粒的粒径进行分析，统计得到待测液体中纳米颗粒的粒径分布情况。该方法具有灵敏度高、准确度高等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于纳米颗粒示踪技术的纳米颗粒粒径分布检测分析方法
本专利技术涉及纳米粒子的光学检测分析
，具体涉及一种基于纳米颗粒示踪技术的纳米颗粒粒径分布检测分析方法。
技术介绍
纳米粒子分析是工业和生物学领域普遍存在的要求，此类分析中最重要的是粒径和浓度的测量。目前已有的检测方法包括电子显微镜、微流成像(MFI)、动态光散射(DLS)、可调电阻脉冲传感(TRPS)以及纳米颗粒跟踪技术(NTA)。NTA技术以其直观可视、分辨率高、检测速度快、特异性荧光检测等优势，成为该领域的不可取代的技术手段，得到越来越广泛的应用。纳米颗粒跟踪技术(NTA)是基于微粒在液体环境内做无规则布朗运动的原则，通过记录粒子的运动影像，解析得到粒子的平均扩散系数，再根据斯托克斯爱因斯坦方程反推得到粒径，具有直观可视、分辨率高检测速度快等优点，如图1，是粒子布朗运动轨迹示意图。此外，NTA技术还可以与荧光标记相结合，实现对特定标志物的检测。多通道NTA技术是通过设置多重照明光源和成像光路，利用滤光片组将每个通道的检测光谱分开，进而实现多通道同时成像。
技术实现思路
因此，本专利技术要解决的第一个技术问题在于克服现有技术中的NTA算法没有针对跟踪轨迹流动位移的校正，算法的准确性和适用性较低，提供一种液体中纳米颗粒粒径分布检测分析方法，该方法的准确性更高。一种液体中纳米颗粒粒径分布分析方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1)，基于纳米颗粒示踪技术确定待测液体中某一纳米颗粒的运动轨迹；步骤2)，计算待测液体中纳米颗粒的流动位移矢量，并将流动位移矢量从纳米颗粒运动位移矢量中去除，即得布朗运动的位移矢量；步骤3)，先根据所述纳米颗粒的布朗运动的位移计算其平均扩散系数，再根据斯托克斯爱因斯坦方程计算得到纳米颗粒粒径；步骤4)，通过对液体中所有纳米颗粒的粒径进行分析，统计得到待测液体中纳米颗粒的粒径分布情况。粒径分布情况可以为纳米颗粒粒径与纳米颗粒个数关系曲线，或纳米颗粒粒径-纳米颗粒浓度的关系曲线。可选的，步骤1)的具体方法包括如下步骤：步骤a：对每帧图像中的纳米颗粒进行识别与质心定位；所述图像是用暗场显微镜(优选为光片显微镜)观察含纳米颗粒的溶液得到的；步骤b：根据最小距离原则，对相邻两帧图像上的同一纳米颗粒进行匹配；步骤c：根据纳米颗粒匹配结果，将同一纳米颗粒的运动轨迹提取出来；可选的步骤a包括如下步骤：a1，对所述图像进行去噪；a2，对图像进行局部二值化处理；a3，对二值化后的图像进行连通域识别，即纳米颗粒识别，并根据设定的光强和纳米颗粒大小阈值对识别到的纳米颗粒进行筛选；a4，根据原始图像和纳米颗粒识别结果计算纳米颗粒的光强、面积和质心；a5，最后将每一帧图像中的所有纳米颗粒的编号、质心坐标、面积大小和光强信息存储下来。所述步骤b可分解为以下子步骤：b1，构建基于距离、光强变化量、面积变化量的代价函数，如下：Qij＝w1[(xi-xj)2+(yi-yj)2]+w2|Ii-Ij|+w3|Si-Sj|(1)其中[xi，yi]，Ii，Si为当前帧图像中第i个纳米颗粒的质心坐标、光强和面积，[xj，yj]，Ij，Sj为后一帧图像中第j个纳米颗粒的质心坐标、光强和面积，w1，w2和w3为权重值。b2，对相邻两帧图像中的所有纳米颗粒计算代价函数值，当某两个纳米颗粒对应的代价函数值最小，则这两个纳米颗粒视为同一物理纳米颗粒，即匹配成功，记匹配矩阵A[i，j]＝1；b3，对除最后一帧图像以外的其它图像，都计算当前帧与后一帧的匹配矩阵。因此，本专利技术要解决的第二个技术问题在于克服现有技术中的NTA算法没有针对跟踪轨迹的优化和筛选因此算法的准确性和适用性较低，本专利技术中提供一种纳米颗粒粒径分布检测分析方法。步骤1)之前还包括将对纳米颗粒的运动轨迹优化和纳米颗粒运动轨迹筛选的步骤。可选的，纳米颗粒的运动轨迹具体包括：根据纳米颗粒同一运动轨迹上的步长分布，将异常节点剔除，获得优化后的纳米颗粒的运动轨迹；纳米颗粒轨迹筛选具体包括：筛选出优化后的纳米颗粒的运动轨迹大于设定阈值的运动轨迹作为最终有效运动轨迹。可选的，步骤2)具体包括如下步骤：d1，计算被测溶液的流动位移矢量；d2，将流动位移矢量从纳米颗粒的运动位移矢量中去除，得到布朗运动的位移矢量。d1包括如下步骤：用公式(3)计算颗粒在相邻帧之间的流动位移矢量其中为第i条轨迹上纳米颗粒的初始位置到最终位置之间的位移矢量；Li为第i条轨迹的长度，N表示轨迹总数；d2包括如下步骤：纳米颗粒的运动位移矢量减去流动位移矢量，得到布朗运动的位移矢量，如公式(3)所述；为相邻帧之间同一纳米颗粒的布朗运动位移矢量；其中为显微镜记录的纳米颗粒运动图像相邻帧之间同一纳米颗粒的运动位移矢量，[xa，ya]为某纳米颗粒在第a帧图像中的质心坐标，[xa+1，ya+1]为该纳米颗粒在第a+1帧图像中的质心坐标。可选的，步骤3)具体包括如下步骤：先根据纳米颗粒的布朗运动位移矢量和运动影像的采集帧率计算得到纳米颗粒的平均扩散系数，再根据斯托克斯爱因斯坦方程反推得到纳米颗粒的流体力学直径；其中D为纳米颗粒的平均扩散系数，k为玻尔兹曼常数，T为被测液体的温度，η为被测溶液的粘度系数，d为流体力学直径，为纳米颗粒的平均布朗运动位移，t为相邻帧的采集时间间隔。本专利技术解决的第三个技术问题为现有纳米颗粒粒径分布算法和分析方法只适用于单通道检测，无法满足病理性或药物筛查等所需的多通道同时检测的应用需求。本专利技术提供一种基于分析待测液体中两种或以上的纳米颗粒或者物质之间的相关关系的方法。该方法为针对多通道NTA技术的准确度和适用性更高的NTA算法，并在其中加入了多通道分析算法，能够对含有多重标志物的被测样品提供全面且准确的分析。一种分析待测液体中两种或以上的纳米颗粒或者物质之间的相关关系的方法，包括如下步骤：利用滤光片组将待测液体中每种纳米颗粒上的标志物的发射光谱分开，分别成像于对应成像模块上，实现多通道同时观测，获得液体中两种或以上的纳米颗粒的运动轨迹；具体为利用公开号为CN112255206A的专利中的粒子检测装置确定待测液体中每种纳米颗粒的运动轨迹；可选的，上述方法还包括如下步骤：采用上述方法分析各个通道内的纳米颗粒粒径分布。可选的，上述方法还包括如下步骤：通过对各个通道内的纳米颗粒轨迹进行匹配，分析任意两个通道内的纳米颗粒的轨迹重叠情况，将两种轨迹重叠的纳米颗粒个数记为M，将其中的一种纳米颗粒的总个数记为N，通过M比N的值可以确定两种粒子的关系。待测溶液为肿瘤细胞分泌的外泌体样本；所述纳米颗粒为外泌体。本专利技术提供一种液体中纳米颗粒粒径分布检测分析装置，包括纳米颗粒的运动轨迹确定单元和液体中纳米颗粒本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种液体中纳米颗粒粒径分布检测分析方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤1)，基于纳米颗粒示踪技术确定待测液体中某一纳米颗粒的运动轨迹；/n步骤2)，计算待测液体中纳米颗粒的流动位移矢量，并将流动位移矢量从纳米颗粒运动位移矢量中去除，即得布朗运动的位移矢量；/n步骤3)，先根据所述纳米颗粒的布朗运动的位移计算其平均扩散系数，再根据斯托克斯爱因斯坦方程计算得到纳米颗粒粒径；/n步骤4)，通过对液体中所有纳米颗粒的粒径进行分析，统计得到待测液体中纳米颗粒的粒径分布情况。/n

【技术特征摘要】
1.一种液体中纳米颗粒粒径分布检测分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1)，基于纳米颗粒示踪技术确定待测液体中某一纳米颗粒的运动轨迹；
步骤2)，计算待测液体中纳米颗粒的流动位移矢量，并将流动位移矢量从纳米颗粒运动位移矢量中去除，即得布朗运动的位移矢量；
步骤3)，先根据所述纳米颗粒的布朗运动的位移计算其平均扩散系数，再根据斯托克斯爱因斯坦方程计算得到纳米颗粒粒径；
步骤4)，通过对液体中所有纳米颗粒的粒径进行分析，统计得到待测液体中纳米颗粒的粒径分布情况。


2.根据权利要求1所述的纳米颗粒粒径分布检测分析方法，其特征在于，
步骤1)之前还包括对纳米颗粒的运动轨迹优化和纳米颗粒运动轨迹筛选的步骤。


3.根据权利要求2所述的纳米颗粒粒径分布检测分析方法，其特征在于，
纳米颗粒的运动轨迹具体包括：根据纳米颗粒同一运动轨迹上的步长分布，将异常节点剔除，获得优化后的纳米颗粒的运动轨迹；
纳米颗粒轨迹筛选具体包括：筛选出优化后的纳米颗粒的运动轨迹大于设定阈值的运动轨迹作为最终有效运动轨迹。


4.根据权利要求1-3任一所述的纳米颗粒粒径分布检测分析方法，其特征在于，步骤2)具体包括如下步骤：
d1，计算被测溶液的流动位移矢量；
d2，将流动位移矢量从纳米颗粒的运动位移矢量中去除，得到布朗运动的位移矢量；
d1包括如下步骤：用公式(3)计算颗粒在相邻帧之间的流动位移矢量



其中为第i条轨迹上纳米颗粒的初始位置到最终位置之间的位移矢量；Li为第i条轨迹的长度，N表示轨迹总数；
d2包括如下步骤：纳米颗粒的运动位移矢量减去流动位移矢量，得到布朗运动的位移矢量，如公式(4)所述；




为相邻帧之间同一纳米颗粒的布朗运动位移矢量；
其中为显微镜记录的纳米颗粒运动图像相邻帧之间同一纳米颗粒的运动位移矢量，[xa，ya]为某纳米颗粒在第a帧图像中的质心坐标，[xa+1，ya+1]为该纳米颗粒在第a+1帧图像中的质心坐标。


5.根据权利要求1-4任一所述的纳米颗粒粒径分布检测分析方法，其特征在于，
步骤3)具体包括如下步骤：
先根据纳米颗粒的布朗运动...

【专利技术属性】
技术研发人员：张艳微，巩岩，郎松，胡慧杰，
申请(专利权)人：中国科学院苏州生物医学工程技术研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32