真理光学团队再下一城 ── 成功研发CF-PALS余弦拟合位相分析法

Zeta电位是液固分散体系中固体颗粒表面与液体的相互作用所引起的类似于带电颗粒的电势。电泳光散射法(ELS）是当前Z流行的测量Zeta电位的方法。其原理是（见右图）：在分散体系中插入两根两电极，当两电极之间有电压差时，就会在分散体系中形成电场，带电颗粒将向与其极性相反的电极方向移动（电迁移）。

电泳光散射原理示意图

激光束从右到左照射到颗粒上，移动颗粒所散射的光的频率会发生变化，称为“多普勒频移”。再引进一束来自同一光源的参考光，让散射光与参考光叠加，那么散射光的频移就会表现为叠加光束的强度随时间的周期性变化，即所谓的“差拍效应”。提取出差拍的频率，就可计算出电迁移速度及Zeta电位。当前基于ELS原理测量Zeta电位的各种方法，都是围绕如何提取电迁移数据展开的。

频谱分析法(FFT)

首先对叠加光强进行自相关运算，以消除颗粒布朗运动的随机干扰，再对自相关函数进行傅里叶变换(FFT)，得到功率谱函数，从而得到频移信息。这种方法要求在一个测量周期内，颗粒电迁移量要达到数个位相变化周期（参考附图，以为一个相位周期），因此不适宜测量较小的电迁移。

位相分析法(Phase analytical light scattering，PALS)

直接分析颗粒电迁移造成的散射光的相位变化，理论上可以测量任意小的电迁移。传统的PALS方法于1990年由J.F.Miller提出。该方法结合锁相放大技术和其独创的AWPD（振幅加权位相差）算法，从叠加光强信号中提取位相差与平均散射光强的乘积。在实际应用中，平均散射光强往往难以稳定，导致Zeta电位的重复性误差只能达到±10mV左右。

余弦拟合位相分析法（CF-PALS）原理示意图

余弦拟合位相分析法(CF-PALS)

本方法由创新提出,其要点是：从叠加光强的自相关函数（随机位相波动已自动消除）出发，通过算法提取其中的余弦变化因子，再用余弦函数模型，拟合出余弦频率。与传统的PALS方法一样，理论上颗粒只要有迁移，不论迁移量多少，都会产生频移或者位相差，都可被测量出来，但又避免了其他参数（如光强）的影响，使测量重复性显著改善（优于±2mV）。