一种基于光学干涉实时测量单微粒或微泡粒径的方法技术

本发明专利技术专利公开了一种基于光学干涉实时测量单微粒或微泡粒径的方法。该方法包括以下步骤：预先标定已知材质不同粒径的微粒或微泡粒径与加权光强及离焦距离的函数关系；记录未知微粒或微泡样品的实时光学干涉图；通过数值计算重建三维空间中每个微粒或微泡的散射光场；定位目标微粒或微泡的离焦距离；确定目标微粒或微泡的质心加权光强；利用粒径与加权光强与离焦距离的函数关系确定该微粒或微泡个体的实时粒径。本发明专利技术弥补了现有微粒或微泡粒径测量技术无法测量在空间中运动着的特定微粒或微泡实时粒径的缺点，可实时、非标记测量单个微粒或微泡的粒径，具有精确度高、测量范围大、无损的优势。无损的优势。无损的优势。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光学干涉实时测量单微粒或微泡粒径的方法


[0001]本专利技术涉及一种单微粒或微泡粒径的测量方法，具体涉及一种基于光学干涉实时测量单微粒或微泡粒径的方法。

技术介绍

[0002]目前，市面上已存在多种微粒或微泡粒径的测量方法。非图像法主要包括激光动态光散射法、多波长消光法；图像法依照所使用的显微镜的原理不同可主要分为光学显微镜法、电子显微镜法、原子力显微镜法等。然而以上方法在测量微粒或微泡粒径时皆存在局限。非图像法可表征一段时间内大量微粒或微泡的平均粒径及分布，但无法对单个目标微粒或微泡进行测量，更无法获知实时的粒径变化。对基于图像的表征方法，原子力显微镜仅适合观察表界面上的微粒形貌，无法观测分散于体相中的微粒，且受限于其较慢的扫描速度和有损伤的测量方式，因此难以观测粒径快速变化的微粒或微泡，且无法观察易受损伤的譬如微泡等脆弱的颗粒。与之类似，电子显微镜通常无法观测运动着的微粒或微泡，对制样的破坏性使其亦难以观察脆弱的颗粒体系。常见的光学显微镜法可通过调整光路的设计，灵活观察和追踪溶液或表面中运动的微粒，根据它们的运动规律获得单个微粒或多个微粒的粒径。然而，其观测精度相对上述其他粒径测量方法差。此外，它受限于物镜的成像景深和二维成像原理，无法追踪灵活、快速运动的微粒或微泡在三维中的动态运动。因此，它往往需要通过荧光标记等方式增强分辨率，但荧光标记同样受到样品的限制；而基于全内反射原理的显微镜虽然提高了分辨率，但又牺牲了三维观测的景深。
[0003]可见，目前粒径表征的一大难点是针对各类难以进行标记、易受扰动和易损伤、粒径快速变化的微粒个体的无损追踪和测量。因此，我们发展了一种基于光学干涉实时测量单微粒或微泡粒径的方法，它基于一种非标记、无损的原位三维观测技术——数字全息显微术，该方法通过收集微粒或微泡在经过设计的光学干涉光路下的散射光，依据光的传播原理，以计算的方式复原空间中的微粒或微泡的光场，从而实时获取目标个体在空间中的三维运动轨迹及形态。该方法可同时获得光学干涉图中与微粒或微泡粒径密切相关的两个参数：散射光强及离焦距离。结合对标准粒径微粒或微泡的预标定曲线，可快速准确的获取光学干涉图中各指定微粒或微泡的粒径。

技术实现思路

[0004]本专利技术提出了一种基于光学干涉实时测量单微粒或微泡粒径的方法。本方法是一种基于光学干涉原理的图像分析方法，可实现对光学干涉图中任意指定微粒或微泡个体的实时粒径测量，适用于易受扰动、不适用于标记、粒径可发生快速变化的体系，譬如纳米颗粒和胶体、固体颗粒、微纳米气泡、微纳米液泡、乳滴和微生物的粒径测量。
[0005]本专利技术的目的至少通过如下技术方案之一实现。
[0006]一种基于光学干涉实时测量单微粒或微泡粒径的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)使用光学干涉显微光路，利用图像法及干涉图像的图像处理步骤，预先标定已知材
质不同粒径的微粒或微泡的粒径与加权光强及离焦距离的函数关系；(2)记录实测样品实时的光学干涉图；(3)通过数值重建空间中微粒或微泡的三维光场；(4)根据数值重建的三维光场的结果定位微粒或微泡的离焦距离；(5)根据数值重建的三维光场的结果结合图像处理中的降噪方法确定微粒或微泡的质心加权光强；(6)利用微粒或微泡的三维加权光强与离焦距离确定微粒或微泡粒径。
[0007]进一步地，质心加权光强、离焦距离和微泡实时粒径的等量关系由基于已知粒径、已知同等材质微粒/微泡的预先标定实验得出；对于在相同光路设计的装置中进行的实验，该步骤仅需在首次实验时进行。
[0008]进一步地，所述的光学干涉图为通过入射光照射微粒或微泡样品产生的干涉图像。
[0009]进一步地，所测量的微粒或微泡无光致发光效应，或微粒/微泡的激发光谱中不包含入射光的波长。
[0010]进一步地，所测量的微粒或微泡的分散介质为相对透明且均匀的液体或固体，分散介质有颜色，其颜色所对应的波长范围应与入射光所在波长不同。
[0011]一种基于光学干涉实时测量单微粒或微泡粒径的方法，具体包括以下步骤：
[0012]S1、预先标定已知材质不同粒径的微粒或微泡粒径与质心加权光强及离焦距离的函数关系；具体步骤见实施例1；对于在相同光路设计下的样品，该步骤仅需在首次实验时进行。
[0013]S2、记录微粒或微泡样品的实时光学干涉图；
[0014]S3、通过计算重建三维空间中每个微粒或微泡的散射光场；
[0015]S4、利用散射光场，定位目标微粒或微泡的离焦距离；
[0016]S5、利用散射光场，确定目标微粒或微泡的质心加权光强；
[0017]S6、利用微粒或微泡的质心加权光强与离焦距离确定该微粒或微泡个体的粒径。
[0018]进一步地，所述的光学干涉图为通过入射光照射微粒或微泡样品产生的干涉图像。
[0019]进一步地，对所述的光学干涉图，采用扣减平均光强的方式获得可供计算复原的物光光学干涉图。计算如下：
[0020][0021]其中，I
b
(x,y)是背景图中(x,y)位置处像素的光强值，一般会离散化为16bit灰度值，N为高速拍摄的光学干涉图的总帧数，I为特定帧数，I
i
(x,y)为第i帧原始光学干涉图像中(x,y)位置处像素的光强值。
[0022]获得背景图光强后，物光光学干涉图可按如下求出：
[0023]I
s
(x,y)＝I(x,y)
‑
I
b
(x,y)
[0024]进一步地，在空间中考虑重建光场，根据衍射光学的原理，任意离焦距离z处的光场I(r,
‑
z)皆可由转化为极坐标表示的焦面光场I
s
(r,0)与特定光场传播算子h(r,
‑
z)计算复原获得，空间中目标微粒或微泡的散射光场的计算如下：
[0025]I(r,
‑
z)＝FT
‑1(FT(I
s
(r,0)
·
H(r,
‑
z)))
[0026]进一步地，对于获得的散射光场，需进行降噪与寻峰的处理，以获取目标微粒或微泡的离焦距离和目标微粒或微泡的质心的加权光强。
[0027]进一步地，所测量的微粒或微泡的粒径范围：10nm<d<500μm。且对应光学干涉图的图像分辨率应当与微粒或微泡的粒径相适应。
[0028]进一步地，所测量的微粒或微泡的浓度范围：c<10
10
个/mL。
[0029]进一步地，所测量的微粒或微泡无光致发光效应，或者微粒或微泡的激发光谱中不包含入射光的波长，或者微粒或微泡的激发光谱和发射光谱不重叠。
[0030]进一步地，所测量的微粒或微泡的分散介质为透明且均匀的液体或固体。分散介质若有颜色，其颜色所对应的波长应与入射光的波长不同。
[0031]本专利技术基于通过入射光照射微粒本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光学干涉实时测量单微粒或微泡粒径的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)使用光学干涉显微光路，利用图像法及干涉图像的图像处理步骤，预先标定已知材质不同粒径的微粒或微泡的粒径与加权光强及离焦距离的函数关系；(2)记录实测样品实时的光学干涉图；(3)通过数值重建空间中微粒或微泡的三维光场；(4)根据数值重建的三维光场的结果定位微粒或微泡的离焦距离；(5)根据数值重建的三维光场的结果结合图像处理中的降噪方法确定微粒或微泡的质心加权光强；(6)利用微粒或微泡的三维加权光强与离焦距离确定微粒或微泡粒径。2.根据权利要求1所述一种基于光学干涉实时测量单微粒或微泡粒径的方法，其特征在于，质心加权光强、离焦距离和微泡实时粒径的等量关系由基于已知粒径、已知同等材质微粒/微泡的预先标定实验得出；对于在相同光路设计的装置中进行的实验，该步骤仅需在首次实验时进行。3.根据权利要求1所述的一种基于光学干涉实时测量单微粒或微泡粒径的方法，其特征在于，所述的光学干涉图为通过入射光照射微粒或微泡样品产生的干涉图像。4.根据权利要求1所述的一种基于光学干涉实时测量单微粒或微泡粒径的方法，其特征在于，所测量微粒或微泡的粒径d的范围：10nm<d<500μm。5.根据权利要求1所述的一种基于光学干涉实时测量单微粒或微泡粒径的方法，其特征在于，所测量的微粒或微泡密度范围为微粒或微泡不大于10
10
个/mL。6.根据权利要求1所述的一种基于光学干涉实时测量单微粒或微泡粒径的方法，其特征在于，所测量的微粒或微泡无光致发光效应，或微粒/微泡的激发光谱中不包含入射光的波长。7.根据权利要求1所述的一种基于光学干涉实时测量单微粒或微泡粒径的方法，其特征在于，所测量的微粒或微泡的分散介质为相对透明且均匀的液体或固体，分散介质有颜色，其颜色所对应的波长范围应与入射光所在波长不同。8.根据权利要求1～7任一项所述的一种基于光学干涉实时测量单微粒或微泡粒径的方法，其特征在于，具体操作步骤如...

【专利技术属性】
技术研发人员：龚湘君，张广照，梁霄，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：