納米顆粒濃度及幾何特征量聯(lián)合分布的測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光學(xué)測量及納米材料領(lǐng)域，特別是納米顆粒光譜測量領(lǐng)域，尤其是金 屬納米顆粒濃度與幾何特征量聯(lián)合分布測量領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 金屬納米顆粒作為一種新型納米材料，在光催化、傳感、醫(yī)學(xué)成像診斷、基因及藥 物的輸運和釋放以及人工納米結(jié)構(gòu)加工有著重要和廣泛的應(yīng)用。因此，表征金屬納米顆粒 成為材料制備者和使用者的一項重要工作。金納米棒形顆粒是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的納米顆 粒，其幾何外形可由納米棒的寬度、長寬比以及帽型因子唯一確定，當(dāng)其以一定數(shù)目分散于 水等分散系時，就構(gòu)成了一定濃度的金納米棒溶膠。因此，表征金納米棒膠體就是確定體系 納米棒幾何外形的統(tǒng)計分布以及數(shù)量濃度和質(zhì)量濃度的過程。由于金屬納米顆粒的局域表 面等離激元（LSPR)共振導(dǎo)致其在光譜上產(chǎn)生明顯的吸收峰和散射峰，并且峰位和峰值大 小與納米棒幾何外形和體系濃度密切相關(guān)，利用這一特點就可以從體系的消光光譜和散射 光譜中反演表征金納米棒溶膠體系。
[0003] 當(dāng)前表征納米顆粒的儀器設(shè)備十分稀缺，在表征顆粒尺寸大小方面，使用最為廣 泛的是動態(tài)光散射儀（DLS)，但是該儀器只能較為準確地測量球形納米顆粒的等效平均直 徑，無法表征顆粒的尺寸分布函數(shù)，也無法測量非球形顆粒的形狀；TEM等成像法只能用于 實驗室研究，成本昂貴，對儀器和操作人員技術(shù)要求高，且無法進行大樣品量顆粒的統(tǒng)計測 量。因此，對金屬納米顆粒的測量和計量，目前缺乏成本和操作相對簡單、便于在一般場合 下使用、測量精度又相對較高、可以用于大批量顆粒統(tǒng)計測量的儀器。
[0004] 現(xiàn)有技術(shù)提出了一種納米顆粒關(guān)鍵幾何特征量的測量方法，然而在進行散射光譜 測量時針對納米顆粒對樣品的消光效應(yīng)只采用了近似補償?shù)姆椒ǎ矗荷⑸錅y量時，參考 樣品池放入相同的納米顆粒樣品），并沒有對消光影響進行嚴格定量計算。實際理論計算以 及實驗測試表明，原有的近似方法只適用于低濃度樣品，對于較高濃度的樣品而言散射光 譜測量產(chǎn)生顯著偏差。又由于本問題屬于病態(tài)逆問題，直接測量量的細微偏差都會導(dǎo)致待 反演量結(jié)果的巨大偏差，因此使用原方案將無法得到準確的結(jié)果。因此該方案僅適合于濃 度較低的納米顆粒（吸光度小于0. 6)，無法準確測量濃度較高如吸光度大于0. 6時的納米 顆粒的濃度和幾何特征量的分布函數(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 綜上所述，確有必要提供一種能夠同時間精確測量高濃度溶液中待測納米顆粒濃 度及幾何特征量聯(lián)合分布的測量方法。
[0006] 一種納米顆粒濃度及幾何特征量聯(lián)合分布的測量方法，包括以下步驟：步驟S10， 提供一測量系統(tǒng)，包括：光源模組，用以產(chǎn)生單色光；斬光器，用以將光源模組產(chǎn)生的單色 光分成一參考光及一測量光兩路光束；一參考樣品池及一衰減片依次設(shè)置于所述參考光的 光路上；一反射模組設(shè)置于所述測量光的出射光路依次設(shè)置，使入射到待測樣品的測量光 與從待測樣品出射的測量光形成一夾角；一測量樣品池，設(shè)置于第三反射鏡反射的測量光 的光路上，并承載待測樣品；以及光電探測及處理單元，用于探測從測量樣品池出射的測量 光以及從衰減片出射的參考光；
[0007] 步驟Sll :校準光譜測量系統(tǒng)，測量光路和參考光路中同時放入空樣品池，光電探 測及處理單元探測正入射直線透射的測量光與參考光光強比值TJ λ)作為基準；
[0008] 步驟S12,將標準納米顆粒放入測量樣品池中，參考樣品池放空，利用標準物質(zhì)對 光譜測量系統(tǒng)標定，以標定反射模組的反射率以及衰減片和透鏡的透過率對測量結(jié)果造成 的貢獻；
[0009] 步驟S13 :將測量樣品池中標準納米顆粒更換為待測納米顆粒，將參考樣品池放 入待測納米顆粒的分散溶劑，測量待測納米顆粒樣品，得到待測納米顆粒的相對透過率 然后將參考樣品池放空，測量待測納米顆粒樣品，得到待測納米顆粒的透過率 為ΤΝΡ(λ)以及90度散射光與參考光光強比值;
[0010] 步驟S14 :獲得待測納米顆粒消光光譜
其中，1為 測量樣品池內(nèi)側(cè)邊長；
[0011] 步驟S15 :根據(jù)相對透過率Ktps 透過率為Tnp ( λ )以及90度散射光與參考 光光強比值7；獲取待測納米顆粒90度散射光譜S9。（ λ );
[0012] 步驟S16 :構(gòu)建待測納米顆粒幾何模型，設(shè)置材料屬性，獲得隨機取向單顆粒消光 截面Cext ( λ，D，AR, e)和90度微分散射截面dCsea ( λ，D，AR, e)，形成標準光譜數(shù)據(jù)庫；
[0013] 步驟S17 :創(chuàng)建逆問題求解模型，并求解逆問題，將測量得到的光譜與待表征參 數(shù)，包括數(shù)量濃度Nv與幾何特征量聯(lián)合分布函數(shù)p (D, AR, e)，和標準光譜數(shù)據(jù)聯(lián)系起來；
[0014] 步驟S18 :計算納米顆粒濃度比及幾何特征量聯(lián)合分布p (D, AR, e)，獲得待表征參 數(shù)。
[0015] 與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明提供的納米顆粒數(shù)量濃度、質(zhì)量濃度、幾何特征量聯(lián)合 分布測量方法，通過對消光影響進行嚴格定量計算，能夠更準確地測量納米顆粒消光光譜 和90度散射光譜，可以在更大的濃度范圍內(nèi)快速、穩(wěn)定、精確地表征金屬納米顆粒多個特 征參數(shù)的聯(lián)合統(tǒng)計分布以及濃度信息，是一種高效率、穩(wěn)定可靠的納米顆粒信息全面表征 方法。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明第一實施例光譜測量系統(tǒng)示意圖。
[0017] 圖2為本發(fā)明第一實施例散射樣品池內(nèi)光束消光和散射過程示意圖。
[0018] 圖3為本發(fā)明所測對象金納米棒幾何模型示意圖。
[0019] 圖4為本發(fā)明測量方法得到的標稱寬度IOnm的金納米棒消光光譜、90度散射光 譜、長寬比和寬度二維分布圖及TEM比對圖。
[0020] 圖5為本發(fā)明測量方法得到的標稱寬度20nm的金納米棒消光光譜、90度散射光 譜、長寬比和寬度二維分布圖及TEM比對圖。
[0021] 圖6為本發(fā)明測量方法得到的標稱寬度40nm的金納米棒消光光譜、90度散射光 譜、長寬比和寬度二維分布圖及TEM比對圖。
[0022] 圖7為本發(fā)明測量方法得到的標稱寬度IOnm不同濃度的金納米棒數(shù)量濃度和質(zhì) 量濃度測量結(jié)果以及與電感耦合等離子體-質(zhì)譜（ICP-MC)方法比對結(jié)果。
[0023] 圖8為本發(fā)明測量方法得到的標稱寬度20nm不同濃度的金納米棒數(shù)量濃度和質(zhì) 量濃度測量結(jié)果以及與ICP-MC方法比對結(jié)果。
[0024] 圖9為本發(fā)明測量方法得到的標稱寬度40nm不同濃度的金納米棒數(shù)量濃度和質(zhì) 量濃度測量結(jié)果以及與ICP-MC方法比對結(jié)果。
[0025] 主要元件符號說明
[0026] 光譜測量系統(tǒng) 100
[0027] 光源模組 20
[0028] 參考樣品模組 30
[0029] 測量樣品模組 40
[0030] 反射模組 50
[0031] 白光光源 1
[0032] 單色儀 2
[0033] 斬光器 3
[0034] 參考樣品支架 4
[0035] 參考樣品池 5
[0036] 測量樣品支架 6
[0037] 測量樣品池 7
[0038] 第一反射鏡 8
[0039] 第二反射鏡 9
[0040] 第三反射鏡 10
[0041] 衰減片 11
[0042] 透鏡 12
[0043] 吸收層 13
[0044] 光電探測及處理單元 14
[0045] 如下具體實施例將結(jié)合上述附圖進一步說明本發(fā)明。
【具體實施方式】
[0046] 以下將結(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明提供的納米顆粒濃度及幾何特征量聯(lián)合分布的 測量方法。為方便描述，本發(fā)明首先介紹測量納米顆粒濃度，包括數(shù)量濃度及質(zhì)量濃度，及 幾何特征量聯(lián)合分布的光譜測量系統(tǒng)。
[0047] -并參閱圖1-2,本發(fā)明第一實施例提供了一種光譜測量系統(tǒng)100。所述光譜測量 系統(tǒng)100包括一光源模組20、斬光器3、參考樣品模組30、測量樣品模組40、反射模組50、衰 減片11、透鏡12、吸收層13和光電探測及處理單元14。所述光源模組20發(fā)出的光經(jīng)