全文摘要
本实用新型公开了一种纳米材料密度分布检测仪器。该纳米材料密度分布检测仪器包括仪器外壳和位于所述仪器外壳内的检测装置主体：检测装置主体包括沿光束传播路径依次设置的光源模块、样品架和信号采集模块；光源模块用于产生检测光束；样品架用于固定盛有检测溶液的容器；信号采集模块用于对由检测溶液和容器构成的整体进行图像采集，得到图像采集结果。本实用新型实施例提供的纳米材料密度分布检测仪器，通过将检测装置主体设置于仪器外壳内，一方面，可以利用仪器外壳形成暗室，提高检测结果的准确性，另一方面，置于仪器外壳中的检测装置主体还具有便携性，用户可以在多种工况下对纳米材料的密度分布进行检测。
主设计要求
1.一种纳米材料密度分布检测仪器，其特征在于，包括仪器外壳和位于所述仪器外壳内的检测装置主体：所述检测装置主体包括沿光束传播路径依次设置的光源模块、样品架和信号采集模块；所述光源模块用于产生检测光束；所述样品架用于固定盛有检测溶液的容器；所述信号采集模块用于对由检测溶液和容器构成的整体进行图像采集，得到图像采集结果。
设计方案
1.一种纳米材料密度分布检测仪器，其特征在于，包括仪器外壳和位于所述仪器外壳内的检测装置主体：所述检测装置主体包括沿光束传播路径依次设置的光源模块、样品架和信号采集模块；
所述光源模块用于产生检测光束；
所述样品架用于固定盛有检测溶液的容器；
所述信号采集模块用于对由检测溶液和容器构成的整体进行图像采集，得到图像采集结果。
2.根据权利要求1所述的纳米材料密度分布检测仪器，其特征在于，还包括上位机；所述上位机位于所述仪器外壳外，且与所述信号采集模块连接，用于接收所述图像采集结果并对所述图像采集结果进行分析，以获得分散于所述检测溶液中的纳米材料的密度分布状态。
3.根据权利要求1所述的纳米材料密度分布检测仪器，其特征在于，还包括匀光片；
所述匀光片位于所述光源模块和所述样品架之间的光学路径上，用于对所述检测光束进行扩束。
4.根据权利要求3所述的纳米材料密度分布检测仪器，其特征在于，还包括滤光片；
所述滤光片位于所述光源模块和所述匀光片之间的光学路径上，用于使透过所述滤光片的检测光束发生衰减。
5.根据权利要求4所述的纳米材料密度分布检测仪器，其特征在于，还包括导轨；
所述光源模块与所述导轨固定连接，且所述滤光片、所述匀光片、所述样品架和所述信号采集模块均与所述导轨可活动连接，以使所述滤光片、所述匀光片、所述样品架和所述信号采集模块均可沿所述导轨延伸方向运动。
6.根据权利要求1所述的纳米材料密度分布检测仪器，其特征在于，所述光源模块包括激光器；
所述激光器的输出功率连续可调。
7.根据权利要求1所述的纳米材料密度分布检测仪器，其特征在于，所述信号采集模块包括相机。
8.根据权利要求1所述的纳米材料密度分布检测仪器，其特征在于，所述仪器外壳包括外壳本体以及与所述外壳本体配合的外壳盖；
当所述外壳本体和所述外壳盖盖合在一起时，所述外壳本体和所述外壳盖形成密闭空间。
9.根据权利要求1所述的纳米材料密度分布检测仪器，其特征在于，所述仪器外壳的材料为金属。
设计说明书
技术领域
本实用新型实施例涉及纳米材料检测技术领域，尤其涉及一种纳米材料密度分布检测仪器。
背景技术
自从纳米材料的概念提出以来，各种新的纳米材料层出不穷，到如今，纳米材料早已家喻户晓，并广泛应用到了各个领域。
一些经典的纳米材料，如石墨烯等，已实现商业化量产。但是，市面上的商用纳米材料的质量良莠不齐，因此，纳米材料的检测工作显得尤为重要。现有的检测设备通常固定安装于室内环境，因此，只能在实验室或生产车间等环境中进行检测，这大大制约了仪器的使用范围。
实用新型内容
本实用新型提供一种纳米材料密度分布检测仪器，以提高对纳米材料的密度分布检测的准确性和便捷性。
本实用新型实施例提供了一种纳米材料密度分布检测仪器，包括仪器外壳和位于所述仪器外壳内的检测装置主体：所述检测装置主体包括沿光束传播路径依次设置的光源模块、样品架和信号采集模块；
所述光源模块用于产生检测光束；
所述样品架用于固定盛有检测溶液的容器；
所述信号采集模块用于对由检测溶液和容器构成的整体进行图像采集，得到图像采集结果。
进一步地，还包括上位机；所述上位机位于所述仪器外壳外，且与所述信号采集模块连接，用于接收所述图像采集结果并对所述图像采集结果进行分析，以获得分散于所述检测溶液中的纳米材料的密度分布状态。
进一步地，还包括匀光片；
所述匀光片位于所述光源模块和所述样品架之间的光学路径上，用于对所述检测光束进行扩束。
进一步地，还包括滤光片；
所述滤光片位于所述光源模块和所述匀光片之间的光学路径上，用于使透过所述滤光片的检测光束发生衰减。
进一步地，还包括导轨；
所述光源模块与所述导轨固定连接，且所述滤光片、所述匀光片、所述样品架和所述信号采集模块均与所述导轨可活动连接，以使所述滤光片、所述匀光片、所述样品架和所述信号采集模块均可沿所述导轨延伸方向运动。
进一步地，所述光源模块包括激光器；
所述激光器的输出功率连续可调。
进一步地，所述信号采集模块包括相机。
进一步地，所述仪器外壳包括外壳本体以及与所述外壳本体配合的外壳盖；
当所述外壳本体和所述外壳盖盖合在一起时，所述外壳本体和所述外壳盖形成密闭空间。
进一步地，所述仪器外壳的材料为金属。
本实用新型实施例提供的纳米材料密度分布检测仪器，通过将检测装置主体设置于仪器外壳内，一方面，可以利用仪器外壳形成暗室，提高检测结果的准确性，另一方面，置于仪器外壳中的检测装置主体还具有便携性，用户可以在多种工况下实现对纳米材料的密度分布进行检测。
附图说明
图1是本实用新型实施例提供的纳米材料密度分布检测仪器的结构示意图；
图2是本实用新型实施例提供的纳米材料密度分布仪器的检测纳米材料密度分布的流程图；
图3是本实用新型实施例提供的另一纳米材料密度分布检测仪器的结构示意图；
图4是本实用新型实施例提供的又一纳米材料密度分布检测仪器的结构示意图；
图5是本实用新型实施例提供的再一纳米材料密度分布检测仪器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。
密度梯度成像是一种有效的检测纳米材料密度分布的方法，通常，对于密度梯度离心或沉降后的待检测纳米材料，在有背景噪音(室内光或太阳光的干扰)的条件下，可以采用肉眼对其进行定性观察。但是，在需要进行定量分析的状态下，或者尝试探索每一层密度梯度液中样品含量与成像图像的灰度之间的数学关系时，由于背景噪音的干扰，运用上述方法得到的检测结果较为粗糙，无法满足实际的需要。
有鉴于此，本实用新型实施例提供了一种纳米材料密度分布检测仪器，在检测纳米材料的密度分布时，可以摒除其他光源的干扰，保证实验的连续性(同一性)和数据的准确性。
图1是本实用新型实施例提供的纳米材料密度分布检测仪器的结构示意图。具体地，请参考图1，该纳米材料密度分布检测仪器包括仪器外壳1和位于仪器外壳1内的检测装置主体：检测装置主体包括沿光束传播路径依次设置的光源模块101、样品架102和信号采集模块103；光源模块101用于产生检测光束；样品架102用于固定盛有检测溶液的容器；信号采集模块103用于对由检测溶液和容器构成的整体进行图像采集，得到图像采集结果。
在检测待检测纳米材料的密度时，将待检测纳米材料放置于盛有密度梯度溶液的容器中，并将容器放置于样品架102上；其中，密度梯度溶液在检测时溶液待检测纳米材料。然后，开启光源模块101，使检测光束透过放置于样品架102上的容器并到达信号采集模块103，并使信号采集模块103可以根据采集到的图像采集结果，进而分析出待检测纳米材料的密度分布。
在检测待检测纳米材料的密度分布时，需要利用检测光束，为了避免其他光源对检测结果造成干扰，可以将检测装置主体放置于暗室中。但是，由于暗室需要在特定的环境中营造，这就大大限制了纳米材料的检测仪器的应用范围。通过设置仪器外壳1，并将检测装置主体设置于仪器外壳1内，在仪器外壳1内可以形成暗室，位于仪器外壳1内的检测装置主体在检测待检测纳米材料时，可以避免外界环境中的光束对检测结果造成干扰，保证检测结果的准确可靠。另外，通过将检测装置主体设置于仪器外壳内1内，可以提高检测仪器的便携性，通过携带本实施例提供的纳米材料密度分布检测仪器，用户可以在更多种工况下实现对待检测纳米材料的密度分布的检测。
本实施例利用密度梯度沉降法的原理对纳米材料密度分布进行处理，密度梯度沉降分离法是根据不同的沉降速率，用一个阶梯的或连续的密度梯度液分离不同密度的纳米颗粒的方法，利用该方法，可以实现纳米材料在不同密度梯度的分层。密度梯度沉降法是一种特殊的密度梯度离心分离技术，具有操作简便等优点。在利用密度梯度沉降法将纳米材料进行分层以后，利用光学检测技术分析纳米材料的理化性质。具体来说，对已实现密度梯度分离的纳米材料进行测量，基于光学成像法，通过分析图像的灰度，确定纳米材料密度分布的光学测量技术。
可选地，为进一步说明本实施例提供的纳米材料密度分布仪器的应用场景和工作流程，本实施例还提供了一种利用该纳米材料密度分布仪器检测待检测纳米材料的方法。图2是利用本实用新型实施例提供的纳米材料密度分布仪器的检测纳米材料密度分布的流程图。可选地，请参考图2，该检测流程包括：
步骤10、提供检测容器。
具体地，检测容器用于盛放密度梯度溶液以及分散在密度梯度溶液中的待检测纳米材料。
步骤20、在检测容器中注入密度梯度溶液；密度梯度溶液包括多个层叠设置的密度梯度溶液层，各密度梯度溶液层的溶质相同；沿由密度梯度溶液的自由液面指向检测容器的底面的方向，各密度梯度溶液层的溶质浓度依次增大。
具体地，密度梯度溶液中的多个密度梯度溶液层中溶质相同，但是溶质的浓度不同，由此形成浓度梯度，在将待检测纳米材料置于密度梯度溶液中时，可以使具有不同密度的待检测纳米材料分布于不同的密度梯度溶液层。另外，需要说明的是，在有必要的状态下，可以将密度梯度溶液中最上层的密度梯度溶液层设置为纯水，即形成自由液面的密度梯度溶液层中不含有溶质。一般来说，溶质的密度往往大于纯水的密度，含有溶质的溶液的密度，也会大于纯水的密度，通过设置不包括溶质的密度梯度溶液层，可以使密度梯度溶液的密度范围更广，密度梯度溶液能够检测更多不同密度的待检测纳米材料。
步骤30、将待检测纳米材料分散于密度梯度溶液中；其中，待检测纳米材料中密度最大部分的密度为ρ1，密度梯度溶液中溶质浓度最大的密度梯度溶液层的密度为ρ2，密度梯度溶液中溶质浓度最小的密度梯度溶液层的密度为ρ3，且ρ3＜ρ1＜ρ2。
具体地，在将待检测纳米材料分散于密度梯度溶液中时，可以轻放于将待检测纳米材料放置于自由液面上；由于密度梯度溶液中多个密度梯度溶液层在受到剧烈震荡时，多个密度梯度溶液层会迅速混合为密度均匀的单一溶液，因此，这里的轻放的标准是，在放置待检测纳米材料时，避免多个密度梯度溶液层因震荡而混合。应该理解，在实验中，放置待检测纳米材料时的操作越轻，对多个密度梯度溶液层造成的影响越小，多个密度梯度溶液层越能够保持相对较长时间的分层状态。
本实施例采用重力的原理使待检测纳米材料沉降并分离的原理；一般状态下，同一种纳米材料中包括多个不同密度的成分，不同密度的成分在密度梯度溶液中的沉降速率不同，如果检测纳米材料的密度越大，在密度梯度溶液中沉降的速率越快，最终在密度梯度溶液中的位置匜相对更加靠近检测容器的底部。由于待检测纳米材料不可能到达比该纳米材料密度更大的密度梯度溶液层中，因此，最终待检测纳米材料会停在比该纳米材料的密度略大的密度梯度溶液层的上一层。并且，经过一段时间的稳定以后，各个密度的待检测纳米材料都沉降并稳定在特定的密度梯度溶液层中。为了保证不使大量的待检测纳米材料的密度都大于密度梯度溶液中溶质浓度最大的密度梯度溶液层的密度，将导致大量的待检测纳米材料在溶质密度最大的密度梯度溶液层中沉积，这样很难得到准确的检测结果。因此，为保证每层密度梯度溶液层中都存在一定的待检测纳米材料，可以使密度梯度溶液中溶质浓度最小的密度梯度溶液层的密度接近但略小于待检测纳米材料中密度最小的成分，同时，使密度梯度溶液中溶质浓度最小的密度梯度溶液层的密度接近但略大于待检测纳米材料中密度最大的成分。在检测前，可以通过预估判断的方法，对待检测纳米材料的密度分布进行预估，进而确定密度梯度溶液中的每层密度梯度溶液层的密度。
步骤40、利用检测光束对分散有待检测纳米材料的密度梯度溶液进行照射，对由检测容器和分散有待检测纳米材料的密度梯度溶液构成的整体进行第一次图像采集，得到第一次图像采集结果M1。
具体地，由于待检测纳米材料会与光发生相互作用，例如光吸收等，因此，密度梯度溶液层中的待检测纳米材料越多时，待检测纳米材料对光的吸收作用越强，透过该密度梯度溶液层的光越少。为了获得各密度梯度溶液层中的带检测纳米材料的分布，可以根据采集得到的第一次图像采集获得第一次图像采集结果M1。
步骤50、根据第一次图像采集结果，得到待检测纳米材料密度分布状态。
具体地，根据第一次图像采集结果，可以得知透过每层密度梯度溶液层的光强，进而确定每层密度梯度溶液层中的待检测纳米材料的多少，进而确定待检测纳米材料的密度分布。
本实施例提供的纳米材料密度分布状态的检测方法，通过利用密度梯度溶液分离待检测纳米材料，并采用检测光束照射由检测容器和分散有待检测纳米材料的密度梯度溶液构成的整体，进而采集并得到第一次图像采集结果，并根据第一次图像采集结果得到待检测纳米材料密度分布状态，在获取待检测纳米材料的密度分布时，操作简便，且检测结果准确，可应用于大批量的商业检测应用中。
需要说明的是，本实施例提供的纳米材料的检测方法，仅仅是为了进一步对纳米材料密度分布检测仪器进行解释说明，应该理解，这并不构成对该纳米材料密度分布检测仪器的工作场景和适用范围的限制。
图3是本实用新型实施例提供的另一纳米材料密度分布检测仪器的结构示意图。可选地，请参考图3，纳米材料密度分布检测仪器还包括上位机2；上位机2位于仪器外壳1外，且与信号采集模块103连接，用于接收图像采集结果并对图像采集结果进行分析，以获得分散于检测溶液中的纳米材料的密度分布状态。
具体地，在信号采集模块103采集到图像采集结果以后，可以将图像采集结果发送至上位机2，利用上位机2对图像采集结果进行处理，以得到纳米材料的密度分布状态。可选地，为了获得更准确的检测结果，可以将图像采集结果中的噪声信号去除掉。噪声信号可以包括信号采集模块103本身产生的第一噪声信号，以及由于检测溶液和容器对检测光束发生相互作用而产生的第二噪声信号。第一噪声信号可能来自信号采集模块103中的相机的暗电流，第二噪声信号可能来自检测溶液和容器对检测光束的吸收。
可选地，本实施例提供的纳米材料密度分布检测仪器还包括匀光片104；匀光片104位于光源模块101和样品架102之间的光学路径上，用于对检测光束进行扩束。
具体地，容器中用于溶解待检测纳米材料的密度梯度溶液，可以包括多个密度梯度溶液层，一般状态下，每层密度梯度溶液层中均会分布一定数量待检测纳米材料，为了检测每层密度梯度溶液层中的待检测纳米材料的分布，需要使检测光束能够照射每层密度梯度溶液层。因此，可以利用匀光片对检测光束进行扩束处理，以提高光源模块101产生的检测光束的横截面的尺寸；此处所说的检测光束的横截面是指，在垂直于检测光束传播方向上的截面。
可选地，本实施例提供的纳米材料密度分布检测仪器还包括滤光片105；滤光片105位于光源模块101和匀光片104之间的光学路径上，用于使透过滤光片105的检测光束发生衰减。
具体地，当透过样品架102上的容器到达信号采集模块103的光束的强度太大时，可能导致信号采集模块103中的信号采集单元，例如相机等，接收到的来自密度梯度溶液的不同区域的光束的信号，均为饱和信号，从而导致信号采集模块103无法正常采集到待检测纳米材料对光束的吸收作用。因此，当光源模块101产生的检测光束的强度太大时，可以首先使检测光束透过滤光片105，通过滤光片105，可以使检测光束衰减到合适的强度，以便进行检测。
可选地，为了满足不同程度的衰减需要，可以选择多种衰减规格的滤光片，示例性地，滤光片的OD(Optical Density，光密度)值可以为1.0、0.6或0.3等，与之(OD)对应的透过率分别为10％、25％或50％。
可选地，本实施例提供的纳米材料密度分布检测仪器还包括导轨106；光源模块101与导轨106固定连接，且滤光片105、匀光片104、样品架102和信号采集模块103均与导轨106可活动连接，以使滤光片105、匀光片104、样品架102和信号采集模块103均可沿导轨106延伸方向运动。可选地，为了精确调整上述各个部件之间的距离，还可以在导轨106上设置精度为0.1mm的刻度，并将导轨106的长度设置为大于或等于350mm。
具体地，通过设置导轨106，可以根据需要调整光源模块101、滤光片105、匀光片104、样品架102和信号采集模块103之间的距离，可以到达更好的检测效果。
可选地，光源模块101包括激光器；激光器的输出功率连续可调。
具体地，可选地，激光具有激光高亮度、高方向性、高单色性和高相干性等优点，可以广泛应用于纳米材料的检测中。此外，由于不同的纳米材料对光的吸收吸收作用有所不同，在检测不同的纳米材料时，需要的检测光束的强度也会有所不同，除了可以利用滤光片105调节检测光束的衰减以外，还可以设置输出功率可调的激光器。相比滤光片104，通过选择合适的输出功率，在得到检测所需要的强度的检测光束的同时，还能够避免激光器的输出功率过大而造成激光能量的浪费，达到节省检测成本的效果。需要说明的是，在通常状态下，可以通过同时使用输出功率连续可调的激光器和滤光片105，二者配合使用，可以达到更好的检测效果。
示例性地，如果待检测纳米材料为石墨烯，可以选择氟化铯作为密度梯度溶液的溶质，可以选择波长为633nm的可见光作为检测光束，以最大程度地减小待检测纳米材料对检测光束的吸收。此时，激光器的输出波长可以为633nm的红光。
可选地，信号采集模块103包括相机。
具体地，利用相机可以对透过有检测光束的容器进行拍照，容器中包括密度梯度溶液和溶于密度梯度溶液的待检测纳米材料，通过对相机拍摄的照片进行分析，可以得到待检测纳米材料的密度分布。
图4是本实用新型实施例提供的又一纳米材料密度分布检测仪器的结构示意图，图5是本实用新型实施例提供的再一纳米材料密度分布检测仪器的结构示意图。可选地，请参考图4和图5，纳米材料密度分布检测仪器的仪器外壳1包括外壳本体3以及与外壳本体3配合的外壳盖4；当外壳本体3和外壳盖4盖合在一起时，外壳本体和外壳盖形成密闭空间。
具体地，在外壳本体3和外壳盖4形成的封闭空间内，可以形成暗室，在检测待检测纳米材料的密度分布时，只有光源模块101提供的检测光束，可以避免其他光束的干扰。此外，为了提高纳米材料密度分布检测仪器的便携性，还可以在仪器外壳上设置把手。
可选地，仪器外壳1的材料为金属。
具体地，在选择仪器外壳1的材料时，可以选择具有质地轻、耐磨性好以及强度大等优点的材料，可以单一的金属，也可以是合金。或者，仪器外壳的材料也可以选择塑料等非金属材料，本实施例对此不作具体限制。
注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。
设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201920033331.3
申请日:2019-01-09
公开号:公开日:国家:CN
国家/省市:11(北京)
授权编号:CN209342564U
授权时间:20190903
主分类号:G01N 15/02
专利分类号:G01N15/02
范畴分类:31E;
申请人:国家纳米科学中心
第一申请人:国家纳米科学中心
申请人地址:100190 北京市海淀区中关村北一条11号
发明人:陈岚;葛广路;翟兆毅;潘乐;祁明群
第一发明人:陈岚
当前权利人:国家纳米科学中心
代理人:孟金喆
代理机构:11332
代理机构编号:北京品源专利代理有限公司
优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计