本发明专利技术涉及一种用于借助颗粒光度学确定分散在气体和液体中的纳米和微米量级的尺寸范围的颗粒的特征参量、其数量分布和浓度的方法和装置。按照本发明专利技术这通过以下方式实现，即在光度计中针对不同数量的张角或者接收角实现散射光测量并且由所确定的散射光强度通过分析算法评估颗粒特征。在几十的尺寸范围中的颗粒特性的确定可以在不需要更换或者调整样本测量腔室的几何形状的情况下实现。按照本发明专利技术的装置包括至少一个用于产生至少一个激光束(3)的激光器(1)、至少一个用于使激光束(3)成型并且构造焦点几何形状(6)的光学输入模块(2)、有利地具有流体动力学聚焦的连续流测量单元(5)，在所述连续流测量单元中通过激光束(3)产生前向散射光束(6)和侧向散射光束(7)，处于前向散射光束(6)中的光学输出模块(8)和处于侧向散射光束(7)中的光学输出模块(9)、半透的镜子(10)、摄像机(12)、光电倍增器(11a、11b)，其中，借助光电倍增器(11a、11b)针对不同数量的张角或者接收角执行散射光测量并且由前向散射光束(6)的和侧向散射光束(7)的所确定的散射光强度通过分析算法确定颗粒特征。定的散射光强度通过分析算法确定颗粒特征。定的散射光强度通过分析算法确定颗粒特征。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于通过多参数地检测散射光和消光信号确定颗粒特征的方法和装置
[0001]本专利技术涉及一种用于借助颗粒光度学确定分散在气体或者液体中的纳米和微米量级的尺寸范围的颗粒的特征参量、其数量分布和浓度的方法和装置。
[0002]按照本专利技术这通过以下方式实现，即在光度计中针对不同数量的张角或者接收角实现颗粒级分或者单颗粒的散射光测量，由所确定的散射光强度通过分析算法确定针对每个颗粒具有表征性的特征(例如尺寸、折射率)，并且相应地对包含在测量样本中的颗粒的整体进行分类。在大于二十的尺寸范围中的颗粒特征的确定可以在不需要更换或者调整样本测量腔室或者光学器件的几何形状的情况下实现。
现有技术
[0003]存在大量用于确定胶状的粒子(例如纳米颗粒、乳浊液滴)或者粗略分散的颗粒的尺寸的方法。
[0004]已知的光学方法例如是静态和动态的散射光测量(ISO 13320，ISO 22412)和基于重力和离心力(ISO 13317
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1，ISO 13318
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2)的沉降方法。对于通过体积散射光方法或者沉降方法研究悬浮液和乳浊液常见的是，所确定的颗粒参数是普遍关于所有处于几何测量体积中的颗粒(颗粒整体)的叠加的散射行为的。在此，所得出的散射光强度或者消光取决于颗粒浓度和光学的颗粒特性(尺寸、几何形状和折射率对比度)。通过数学的方法由叠加的测量信号获得粒度分布。与所使用的算法无关地，粒度分布总是基于强度或者消光并且只可以通过换算、例如借助米氏理论在知道颗粒的光学特性的情况下(以相同的折射率和球面形状为前提)变换为评估体积或者数量的分布，所述分布实现与成像方法的比较。不利的是，这些方法的物理学在原理上不能实现关于单颗粒特征的信息。声波和X射线波与颗粒的相互作用也用于确定粒度。这些方法也只提供了平均的整体值，不提供评估数量的分布以及不提供单颗粒的特征。也能够确定的是，迄今描述的散射方法不能获得针对多分散的悬浮液和乳浊液的各个单独的尺寸级别的颗粒的浓度。
[0005]在文献中也描述了不同的、以评估数量的粒度分布为目标的测量方法。在此首先需要提到的是光学方法，所述光学方法以成像方法静态或者动态地检测颗粒并且人工地或者借助计算机辅助的图像分析方法确定每个成像的颗粒的尺寸。对于亚微米量级和纳米量级的粒子以经典方式使用静态的透射或电子显微镜方法以及比较新地使用原子力显微镜方法。
[0006]在任何情况下，基于2D的记录(或者说拍摄)只能以假设3D形状的方式计算基于体积的粒度分布。对于宽的分布还需要在不同的放大图像中的记录，这明显增大了校准和计算累积分布的难度并且事实上不能实现浓度确定。这些方法也是非常耗费时间的。此外，所描述的方法只能够用于干燥的颗粒(粉末)。动态成像技术(例如Flow Cam、Bettersizer、CAMSIZER、QICPIC)的突出特点为更好的统计学(特性)。然而，动态方法限制在大于800nm的颗粒[ISO 13322]。
[0007]流式细胞计的测量原理是单粒子的散射光光度学。在现有技术中对此没有公开任
何例如能够实现通过实验同时确定纳米和微米颗粒的粒子尺寸和折射率的事实。针对微米量级颗粒的粒度的分析由于散射光强度分布曲线相对于颗粒直径的不明确性而并不是总能实现(例如参见图7)并且迄今没有公开针对这个问题的解决方案。实验经验也表明，在所描述的布置中，尤其对于具有较大颗粒质量的颗粒，由于几何尺寸或者密度导致尤其对于更大的级别明显低估了颗粒数量(分离)。然而也需要指出的是，由于粒度明显不同而具有非常不同的强度的散射光的叠加在另一方面导致对较小的粒子的低估。对于具有非常不同的折射率的粒子或者折射率对比度非常小的颗粒级分，这可能也与尺寸无关。
[0008]还已知专利文献EP 2908119 B1，其致力于基于流式原理的“用于探测纳米颗粒的方法”。针对较小粒子(优选＜100nm)的测量范围应该通过将探测区缩小而扩大。测量只针对在侧向散射中的角进行。专利文献描述了将流式细胞计的通常测量范围移动到纳米范围中并且原则上不能用于微米量级粒子的方法。
[0009]在专利文献EP 2388569 A1中公开了一种方法和设备，其具有两个按照不同物理测量方法工作的传感器，它们用于确定分散在液体中的颗粒的尺寸和数量，其称为单颗粒光学传感(SPOS)。与流式细胞计的原理在测量技术上的较大区别在于，通过不同的物理测量原理工作，以便分析(散射传感器和消光传感器)分布宽的粒度，并且由于方法导致测量腔室深度被强烈地最小化，以及激光束具有较小的焦点直径，在横截面上以高斯强度分布。针对相同颗粒同时提高消光和散射在这个专利文献中没有公开并且由技术视角也不能通过所建议的实现原理实现。没有公开针对测量样本的所有单颗粒同时确定多个颗粒特征(例如尺寸、折射率、几何形状)。
[0010]在近些年在市场上建立的颗粒跟踪分析(ISO 19430:2016)借助激光感应产生的散射光测量纳米颗粒和亚量级颗粒的随时间的移位，并且按照爱因斯坦和
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斯莫卢霍夫斯基理论由每单位时间的平均路程的平方计算粒度。这个方法没有解决的缺陷在于探测灵敏度与物理参量的相关性，其既导致在确定颗粒数量时的损失也导致颗粒分布尤其在细颗粒比例中的失真。另外不可实现的是确定有效测量体积，其取决于分散的粒子的尺寸和/或折射率。因此，对多分散的样本的粒子浓度的确定总是有错误的。这个技术同样只能用于分散在液体中的颗粒。
[0011]所有以上提到的原理和测量装置不能同时确定分散在空气或者液体中的颗粒即悬浮液、乳浊液或者气溶胶中的多个特征(例如尺寸、折射率、几何形状、数量、浓度)。
[0012]为了完整性需要提到的是，公开了一些文献，其中对于特殊情况描述了对分散体中的颗粒的尺寸和折射率的同时确定，它们在方法技术上与所要求保护的本专利技术不同并且还具有一系列限制。专利文献WO 2017/072360 A1优选地应该适用于小于入射光的波长(优选波长为405nm或者488nm)的粒子。然而，这个测量范围应该扩宽至三倍的波长。光学散射比(前向散射/侧向散射)在该范围内应该与折射率无关。尺寸可以由此确定，并且根据理论，可以由两个散射光测量之一确定折射率。
[0013]具有实验结果的公开的表只记录了针对均小于入射波长(405nm)的颗粒的结果。只说明了使用PS和SiO2颗粒的测量，其中，测量的误差数据均大于制造商数据的误差数据。
[0014]自身的理论计算证实了更大的误差范围，其中，如果之前已经提到的强度振荡进入接收角范围中，则该方法失败。因此，通常不能够将这种方法扩展到粒度>入射光波长的情况。
[0015]根据美国专利文献9,068,915 B2的一种非常复杂的测量方法通过比较两个样本的前向和侧向散射来确定颗粒类型的折射率。使用这种方法的前提是，首先两个样本具有不同的粒度，其次一个样本(批次)的粒子尺寸和折射率必须是已知的。备选地，如果颗粒的尺寸已知，则可以通过该方法确定颗粒的折射率，即在任何情况下都没有同时确定尺寸和折本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于通过多参数地检测消光和/或散射光信号确定测量样本中的微米量级和亚微米量级颗粒特性的方法，其特征在于，每个单独分散颗粒的散射光和消光信号在至少两个空间角范围中以较高的探测速率(频率)被计数并且同时被测量，模拟地或者数字地与针对不同的空间角范围通过分析或者数值的方法实现的散射光分布的模拟计算进行比较，以便由此即使针对测量样本的较高颗粒浓度(例如109颗粒/毫升)也无重合地在具有四个尺寸量级的动态粒度范围中确定个体的颗粒特征参量。2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，针对前向散射使用不同的张角或者针对散射光测量使用多个探测方向以及它们的任意组合。3.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在颗粒具有大于或者约等于20的尺寸参数k的情况下，针对前向散射使用不同的张角。4.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在颗粒具有在不同接收角中(尤其是尺寸参数k小于或者约等于20)几乎不能区分的前向散射光曲线的情况下，使用具有不同灵敏度的沿着侧向方向的多个探测方向。5.按权利要求1至4中至少一项所述的方法，其特征在于，借助米氏理论的模拟计算或者数值模拟计算与相应的光学结构协调一致地执行并且由理论与实验散射强度之间的比较消除关于粒度的不明确性并且因此也可以测量直至100μm的微米量级的颗粒。6.按权利要求1至5中至少一项所述的方法，其特征在于，通过针对不同的张角和/或空间角范围检验颗粒脉冲的模型化的并且以实验确定的强度的一致性，来确定光学的颗粒特性、例如尺寸或者折射率。7.按权利要求1至6中至少一项所述的方法，其特征在于，当在角范围中测量的散射光强度与相应颗粒的可能的理论强度矩阵不一致时，推断出非球面性并且借助非球面性指数量化。8.按权利要求1至7中至少一项所述的方法，其特征在于，在单颗粒散射的情况下，由具有已知折射率的颗粒的实验数字化脉冲形状与针对球面形颗粒针对相同空间角范围的相应模拟计算的比较，将颗粒的形状分类为球面形或者非球面形的。9.按权利要求1至8中至少一项所述的方法，其特征在于，在单颗粒散射的情况下，借助关于非球面性的理论，获得定量的结果，和/或在单颗粒散射的情况下，根据所述特征，例如根据尺寸、形状和折射率，将颗粒级分分类并且确定、显示和输出每个特征单位的颗粒数量，和/或在单颗粒散射的情况下，使用激光器，所述激光器具有可变的光束强度和非球面形的光束横截面(焦点)，所述光束横截面至少在样本流的横截面上具有恒定的光强度，或者在强度的均匀性不足的情况下，通过数学的标准化方法校正所述强度。10.按权利要求1所述的方法，其特征在于，流体动力学或者空气动力学的测量流聚焦的程度能够根据...
【专利技术属性】
技术研发人员：D勒奇，H利希滕费尔德，M胡塞尔斯，H沃莱克，E沃利克，M霍尔克，M沃尔夫，U默滕斯，
申请(专利权)人：罗姆有限责任公司，
类型：发明
国别省市：
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