动态颗粒图像分析仪是一种基于光学成像与数字图像处理技术的颗粒表征设备，能够实时捕捉并分析颗粒的形态、尺寸、运动状态及相互作用规律。其核心优势在于实现微观颗粒动态行为的可视化观测与定量分析，广泛应用于化工、制药、材料科学、环境工程等领域。以下是其工作原理和使用细节的详细阐述。
一、工作原理
1. 光学成像系统
动态颗粒图像分析仪通过高速摄像头或显微镜系统对样品中的颗粒进行动态成像。典型配置包括：
- 光源：采用高亮度LED或激光光源，提供均匀且稳定的照明条件，减少阴影和反光干扰。
- 成像装置：高速CMOS相机或高速摄像机，可捕捉每秒数百至数千帧的颗粒运动图像。
- 样品室：透明流动池或微流控芯片，用于容纳悬浮液样品，支持颗粒在流体中的自由运动。
2. 图像采集与动态追踪
- 动态捕捉：通过高速摄像技术记录颗粒在流体中的运动轨迹，单次采样可覆盖数秒至数分钟的连续行为。
- 空间分辨率：利用显微放大系统(如10×~100×物镜)实现亚微米级颗粒的清晰成像。
- 时间分辨率：通过调节帧率(如100~10,000fps)匹配颗粒运动速度，确保轨迹连续性。
3. 图像处理与数据分析
- 颗粒识别：基于灰度阈值分割、边缘检测或机器学习算法，从背景中提取颗粒轮廓。
- 动态参数计算：
- 粒径分布：通过投影面积或等效圆直径(ECD)统计颗粒尺寸。
- 速度场分析：追踪颗粒质心位移，计算速度矢量、加速度及扩散系数。
- 形态参数：量化圆形度、长宽比、表面粗糙度等形状特征。
- 相互作用分析：识别颗粒碰撞、团聚或分离事件，评估流体力学行为。
4. 动态与静态结合分析
与传统静态激光衍射法相比，动态图像分析可同步获取颗粒的瞬时状态与时间演化规律，例如：
- 观察颗粒在剪切力下的破碎或团聚过程。
- 分析沉降、扩散或布朗运动中的动态行为。
- 研究多相流中颗粒-液体界面的相互作用。
二、使用细节
1. 样品制备
- 分散性控制：确保颗粒在载液中均匀悬浮，避免团聚(可通过超声波预处理或添加分散剂)。
- 浓度优化：颗粒浓度需适中，过高会导致成像重叠，过低则降低统计显著性(通常建议体积浓度<0.1%)。
- 折射率匹配：若颗粒与载液折射率差异大，需调整光源角度或使用浸液(如甘油)减少光晕效应。
2. 仪器参数设置
- 放大倍数选择：根据颗粒尺寸选择合适的物镜(如10μm颗粒使用20×物镜)。
- 帧率与曝光时间：高速运动颗粒需提高帧率(如1000fps)，同时缩短曝光时间以避免运动模糊。
- 视场区域：调整成像范围，平衡单个颗粒分辨率与群体统计覆盖量。
3. 操作流程
1. 校准：使用标定板或已知粒径的标准颗粒校正尺度，消除光学畸变。
2. 进样：将样品注入流动池，启动循环泵或重力驱动流动系统。
3. 动态拍摄：运行软件触发连续采图，记录指定时长内的颗粒行为。
4. 实时监控：通过预览窗口观察成像质量，及时调整光照或焦距。
4. 数据处理与结果输出
- 噪声过滤：剔除因气泡、杂质或光斑产生的伪颗粒信号。
- 统计分析：生成粒径分布直方图、速度概率密度函数、形态参数散点图等。
- 可视化呈现：输出颗粒运动轨迹动画、速度矢量场或碰撞事件时间轴。
5. 维护与注意事项
- 清洁镜头：定期用无尘纸擦拭光学元件，避免油污或指纹影响成像。
- 光源寿命管理：LED光源衰减后需及时更换，保证光照强度一致性。
- 环境控制：避免振动台或气流干扰，温度波动需控制在±1℃以内。
- 软件更新：定期升级图像处理算法，提升颗粒识别准确率。
三、应用场景
1. 纳米颗粒研究：跟踪纳米粒子在溶液中的扩散行为及团聚动力学。
2. 气溶胶分析：观测雾化颗粒的粒径分布与运动轨迹，优化喷雾工艺。
3. 悬浮液稳定性：评估颗粒沉降速率与絮凝倾向，指导配方设计。
4. 生物颗粒研究：分析细胞、微生物的形态变化及群体运动模式。
