АНАЛИЗАТОР ТРАЕКТОРИЙ НАНОЧАСТИЦ В ОБЪЕМЕ ЖИДКОСТИ

Полезная модель относится к оптическим приборам, предназначенным для измерения размеров, концентрации и других характеристик жидких дисперсий наночастиц.
Известно устройство для анализа траекторий наночастиц, содержащее лазер для облучения наночастиц в оптической ячейке и цифровую видеокамеру с объективом микроскопа для регистрации траекторий движения частиц [1].
К недостаткам данного устройства следует отнести отсутствие возможности повторного использования образца после анализа, а также сложность и трудоемкость обслуживания прибора, обусловленные использованием встроенной в прибор специальной оптической ячейки.
Известно также устройство для анализа траекторий наночастиц, содержащее лазер для облучения наночастиц, проточную ячейку с оптическим элементом для фокусировки оптического луча, и цифровую видеокамеру с объективом микроскопа для регистрации траекторий движения частиц [2].
К недостаткам данного устройства следует также отнести сложность и трудоемкость обслуживания прибора, обусловленные использованием встроенной в прибор специальной проточной оптической ячейки.
Наиболее близким к предложенному техническому решению по технической сущности и достигаемому эффекту является инвертированный анализатор траекторий наночастиц, содержащий оптическую ячейку в виде флуориметрической кюветы с полированным дном и с находящейся в ней съемной вставкой, лазера с блоком фокусировки, устройства управления, объектива и видеокамеры [3].
К недостаткам описанного устройства следует отнести недостаточную точность измерений, обусловленную наблюдением трехмерного движения частиц только в одной плоскости.
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение точности и достоверности результатов измерений.
Это достигается в устройстве, представляющем собой анализатор траекторий наночастиц в объеме жидкости, содержащий прямоугольную кювету из оптического стекла с прозрачным дном, устанавливаемую в термостатируемое кюветное отделение, лазер, используемый для облучения образца жидкой дисперсии наночастиц в кювете, видеокамеру с объективом микроскопа, расположенную параллельно дну кюветы, компьютер, управляющий отдельными узлами прибора и осуществляющий анализ зарегистрированных траекторий движения наночастиц в объеме жидкости, отличающийся тем, что дополнительно введена вторая видеокамера с объективом микроскопа, расположенная параллельно стенке кюветы таким образом, что оптические оси видеокамер пересекаются под прямым углом в точке внутри области, подсвеченной лазерным излучением внутри кюветы, для регистрации траекторий движения частиц в объеме жидкости.
В устройстве для облучения образца жидкой дисперсии наночастиц, находящегося в кювете, используется лазер, излучение которого проходит через прямоугольную кювету по нормали к одной из ее стенок. Лазерное излучение, рассеянное наночастицами образца, регистрируется при помощи двух видеокамер с объективами микроскопа, расположенных параллельно стенкам кюветы таким образом, что их оптические оси пересекаются под прямым углом в точке внутри области, подсвеченной лазерным излучением внутри кюветы. В процессе измерения регистрируются видеозаписи броуновского движения частиц в объеме, ограниченном толщиной лазерного пучка и глубиной резкости объективов при помощи двух видеокамер.
Для фокусировки видеокамер используются устройства перемещения с шаговыми двигателями. В ходе анализа полученных видеозаписей броуновского движения частиц в известном объеме измеряется концентрация частиц в образце, а также рассчитываются коэффициенты диффузии и размеры частиц.
На фиг. 1 представлена структурная схема устройства, где:
1 - кювета;
2 - лазер;
3, 4 - объективы микроскопа;
5, 6 - видеокамеры;
7, 8 - устройства перемещения с шаговыми двигателями;
9 - контроллер шаговых двигателей;
10 - контроллер мощности лазера;
11 - управляющий компьютер.
В термостатируемой кювете из оптического стекла 1 находится исследуемый образец жидкой дисперсии наночастиц. Для облучения образца используется диодный лазер 2, излучение которого проходит через прямоугольную кювету по нормали к ее стенке. Лазерное излучение, рассеянное наночастицами образца, с помощью объективов микроскопа 3 и 4 регистрируется сенсорами высокочувствительных видеокамер 5 и 6, расположенными параллельно стенкам кюветы таким образом, что их оптические оси пересекаются под прямым углом в точке внутри области, подсвеченной лазерным излучением внутри кюветы. Для фокусировки изображения на сенсоре видеокамеры используются устройства перемещения с шаговыми двигателями 7 и 8, управляемые при помощи контроллера шаговых двигателей 9. Мощность лазера регулируется при помощи контроллера мощности лазера 10. Управление работой отдельных узлов прибора и анализ зарегистрированных траекторий движения наночастиц в объеме жидкости осуществляется при помощи управляющего компьютера 11.
Конструктивно элементы устройства связаны между собой следующим образом. Лазер при помощи соединительного кабеля соединен с контроллером мощности лазера, который, в свою очередь, подключен к управляющему компьютеру при помощи соединительного кабеля. Объективы крепятся к устройствам перемещения при помощи креплений с винтовым соединением. Устройства перемещения при помощи соединительного кабеля соединены с контроллером шаговых двигателей, который, в свою очередь, подключен к управляющему компьютеру при помощи соединительного кабеля. Камеры соединены с управляющим компьютером при помощи кабеля передачи данных. Кювета из оптического стекла помещается в термостатируемое кюветное отделение, которое обеспечивает фиксированное положение кюветы относительно лазера и двух камер, а также возможность многократной установки и извлечения кюветы с исследуемым образцом в устройство. Лазер, кюветное отделение, устройства перемещения, видеокамеры, контроллер шаговых двигателей, контроллер мощности лазера, управляющий компьютер имеют резьбовые отверстия для крепления и крепятся к каркасу устройства при помощи креплений с винтовым соединением, обеспечивая надежную фиксацию элементов относительно друг друга. Все элементы устройства находятся внутри прочного непрозрачного корпуса, обеспечивающего светозащиту оптических элементов устройства - лазера, объективов, камер, а также защиту всех элементов устройства от механического воздействия.
Описанное устройство позволяет использовать его, например, при исследовании геометрических параметров жидких дисперсий наночастиц. Для этого исследуемый образец жидкой дисперсии наночастиц помещается в кювету и облучается при помощи лазера. Лазерное излучение, рассеянное наночастицами образца, регистрируется при помощи двух видеокамер с объективами микроскопа, расположенных параллельно стенкам кюветы таким образом, что их оптические оси пересекаются под прямым углом в точке внутри области, подсвеченной лазерным излучением внутри кюветы. Регистрируются видеозаписи броуновского движения частиц в объеме, ограниченном толщиной лазерного пучка и глубиной резкости объективов при помощи двух видеокамер. В процессе анализа зарегистрированных видеозаписей с обеих камер распознаются отдельные частицы в кадре, после чего для каждой частицы в объеме вычисляется среднеквадратичное смещение частицы в трех измерениях за определенное время, а затем коэффициент диффузии частицы, который, в свою очередь, связан с гидродинамическим радиусом частицы. Таким образом, результатом анализа является распределение частиц в образце по размерам.
В анализаторе траекторий наночастиц значительно повышается точность измерений за счет наблюдения трехмерного движения частиц, поскольку, в отличие от регистрации трехмерной диффузии частиц только в одной плоскости не теряется информация о движении частиц вдоль одной из осей. Кроме того, на результаты анализа не влияют пересекающиеся траектории частиц, что также повышает точность измерений.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ:
1. Патент США №9939363
2. Патент США №7751053 В2
3. Патент РФ №174054 – прототип.