确定胶体中纳米粒子尺寸的改进方法

摘要

系统包括可调节光源，该可调节光源被构造为将电磁辐射束引导至样品室，当对室内的粒子进行照射时，样品室允许束的一部分散射。该束的散射部分被引导至传感器，该传感器具有帧速率和在帧之间的时间段。系统可以具有连接至传感器和光源的处理器，该处理器可以执行以下步骤：激活光源并且从传感器获得图像；如果来自传感器的图像显示粒子闪烁，则降低帧速率，将曝光时间设置为在帧之间的时间的至少60％，并且减少照射。然后，处理器获得附加图像并处理这些图像以减轻模糊。处理器根据经处理的图像确定粒子的布朗运动，并且基于所述运动确定粒子的尺寸。

权利要求

1.一种用于确定在包括可调节光源的系统中使用的粒子的尺寸的方法，所述可调节光源构造为将电磁辐射束引导至样品室，当对所述室内的粒子进行照射时，所述样品室允许所述束的一部分散射，其中，散射的部分被引导至传感器，所述传感器具有帧速率和在帧之间的时间段，所述方法包括：A.激活所述光源，并且从所述传感器获得图像；

B.如果来自所述传感器的所述图像显示粒子闪烁；

i.降低所述帧速率；

ii.将曝光时间设置为在帧之间的时间的至少60％；

iii.减少照射；

C.基于步骤(B)的新设置从所述传感器获得图像；

D.处理图像以减轻模糊；

E.根据所处理的图像确定所述粒子的布朗运动；

F.基于所述布朗运动确定所述粒子的尺寸。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：设置闪烁减少预设，并且重复步骤(B)(i)和(ii)直到已经实现所述闪烁减少预设。

3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：G.基于所确定的尺寸确定粒子尺寸分布(PSD)函数；

H.根据所述PSD确定所述粒子是否是长形的。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，系统传感器具有图像平面，并且所述系统包括电极，所述电极构造成在所述图像平面内并穿过所述样品室产生电场，所述方法进一步包括：I.在驱动所述电极以产生所述电场的同时从所述传感器获得图像；

J.根据步骤(I)的所述图像确定所述粒子的所述布朗运动；

K.将所述运动分解成与所述电场基本平行的第一分量和与所述电场基本正交的第二分量；

L.对于每个分量，确定所述粒子的尺寸。

5.一种用于确定胶体的粒子尺寸分布的系统，所述系统包括：可调节光源，其构造为将电磁辐射束引导至样品室，所述室构造为当对所述室内的粒子进行照射时允许所述束的一部分散射；

传感器，其定位成检测所述束的所述散射，所述传感器具有帧速率和在帧之间的时间段；

处理器，其连接到所述光源和所述传感器，所述处理器配置为执行以下步骤：A.激活所述光源，从所述传感器获得图像；

B.如果来自所述传感器的所述图像显示粒子闪烁；

i.降低所述帧速率；

ii.将曝光时间设置为在帧之间的时间的至少60％；

iii.减少照射；

C.基于步骤(B)的新设置从所述传感器获得图像；

D.处理图像以减轻模糊；

E.根据所处理的图像确定所述粒子的布朗运动；

F.基于所述布朗运动确定所述粒子的尺寸。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述处理器执行以下步骤：设置闪烁减少预设，并且重复步骤(B)(i)和(ii)直到已经实现所述闪烁减少预设。

7.根据权利要求5所述的系统，其中，所述处理器执行以下步骤：G.基于所确定的尺寸确定粒子尺寸分布(PSD)函数；

H.根据所述PSD确定所述粒子是否是长形的。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，系统传感器具有图像平面，并且所述系统包括电极，所述电极连接到所述处理器，并且构造成在所述图像平面内并穿过所述样品室产生电场，其中，所述处理器执行以下步骤：I.在驱动所述电极以产生所述电场的同时从所述传感器获得图像；

J.根据步骤(I)的所述图像确定所述粒子的所述布朗运动；

K.将所述运动分解成与所述电场基本平行的第一分量和与所述电场基本正交的第二分量；

L.对于每个分量，确定所述粒子的尺寸。

说明书

确定胶体中纳米粒子尺寸的改进方法

技术领域

[0001] 本发明涉及使用装备有数码摄像机的显微镜测量和观察液体样品中的纳米粒子。

[0002] 相关申请

[0003] 本申请要求于2019年3月23日提交的题为“确定胶体中纳米粒子尺寸的改进方法(IMPROVED METHOD FOR DETERMINING THE SIZE OF NANOPARTICLES IN A COLLOID)”的美国专利申请16/362636和于2019年4月23日提交的题为“确定胶体中纳米粒子尺寸的改进方法(IMPROVED METHOD FOR DETERMINING THE SIZE OF NANOPARTICLES IN A COLLOID)”的美国专利申请16/391870的优先权，其全部公开内容通过引用整体并入本文。

[0004] 本申请还涉及：于2016年7月1日提交的题为“用于基于纳米粒子跟踪和计数设备校准光片的研究体积的方法(METHOD FOR CALIBRATING INVESTIGATED VOLUME FOR LIGHT SHEET BASED NANOPARTICLE TRACKING AND COUNTING APPARATUS)”的美国临时专利申请第62/357777号；于2016年8月8日提交的题为“用于基于纳米粒子跟踪和计数设备校准光片的研究体积的方法(METHOD FOR CALIBRATING INVESTIGATED VOLUME FOR LIGHT SHEET BASED NANOPARTICLE TRACKING AND COUNTING APPARATUS)”的美国临时专利申请第62/372025号；于2016年11月14日提交的题为“用于基于纳米粒子跟踪和计数设备校准光片的研究体积的方法(METHOD FOR CALIBRATING INVESTIGATED VOLUME FOR LIGHT SHEET BASED NANOPARTICLE TRACKING AND COUNTING APPARATUS)”的美国临时专利申请第62/
421585号；于2015年10月14日提交的题为“用于测量胶体纳米粒子的生长或溶解动力学的设备(APPARATUS FOR MEASUREMENTS OF GROWTH OR DISSOLUTION KINETICS OF COLLOIDAL NANOPARTICLE)”的美国临时专利申请第62/241354号；于2016年10月16日提交的题为“用于测量胶体粒子的生长或溶解动力学的设备和方法(APPARATUS AND METHOD FOR MEASUREMENT OF GROWTH OR DISSOLUTION KINETICS OF COLLOIDAL PARTICLES)”的美国专利申请第15/293180号；于2016年2月8日提交的题为“用于观察胶体中粒子的微观运动和计数的多像机设备及其校准(MULTI‑CAMERA APPARATUS FOR OBSERVATION OF MICROSCOPIC MOVEMENTS AND COUNTING OF PARTICLES IN COLLOIDS AND ITS CALIBRATION)”的美国专利申请第15/018532号；于2016年6月28日提交，2017年1月10日发布为美国专利申请第9,541,490号，题为“用于液体中的纳米粒子的光学显微术的专用比色皿组件和方法(SPECIAL PURPOSE CUVETTE ASSEMBLY AND METHOD FOR OPTICAL MICROSCOPY OF NANOPARTICLES IN LIQUIDS)”的美国专利申请第15/194,823号；于2015年
6月3日提交，2017年5月9日发布为美国专利申请第9,645,070号，题为“纳米粒子分析仪(SNANOPARTICLE ANALYZER)”的美国专利申请第14/730,138号；于2017年1月5日提交的题为“用于液体中的纳米粒子的光学显微术的专用比色皿组件和方法(SPECIAL PURPOSE CUVETTE ASSEMBLY AND METHOD FOR OPTICAL MICROSCOPY OF NANOPARTICLES IN LIQUIDS)”的美国专利申请第15/399679号；于2017年5月15日提交的题为“用于液体中的纳米粒子的光学显微术的专用比色皿组件和方法(SPECIAL PURPOSE CUVETTE ASSEMBLY AND METHOD FOR OPTICAL MICROSCOPY OF NANOPARTICLES IN LIQUIDS)”的美国专利申请第
15/594967号；以及于2015年7月1日提交的题为“用于液体中的纳米粒子的光学显微术的专用比色皿组件和方法(SPECIAL PURPOSE CUVETTE ASSEMBLY AND METHOD FOR OPTICAL MICROSCOPY OF NANOPARTICLES IN LIQUIDS)”的美国专利申请第62/187391号；所有上述专利的公开内容通过引用整体并入本文。

背景技术

[0005] 纳米粒子是普遍存在的，并且到目前为止是地球上自然环境中最丰富的粒子样实体，并且广泛分布在与人类活动相关的许多应用中。存在许多类型的天然存在的纳米粒子和人造(工程化)纳米粒子。纳米粒子存在于空气、水环境、雨水、饮用水、生物流体、药物、药物递送和治疗产品中，并且存在于许多工业产品中。纳米粒子通常存在于多分散组合内，其特征在于不同尺寸的粒子的共同出现。

[0006] 纳米粒子是(根据ISO定义)直径小于100nm的粒子(更精确地，三维笛卡尔坐标中的每一个小于100nm)。然而，在实际应用中，范围已经扩展到亚微米或小于1000nm直径。后者有时称为中尺度。

[0007] 考虑到纳米粒子的广泛使用，控制和准确表征其性质的能力可用于许多应用。用于测量纳米粒子性质的传统方法包括纳米粒子跟踪分析，其使用显微镜和摄像机来分析所记录的视频的帧，以跟踪由经历布朗运动的纳米粒子反射或散射的光的图像。

[0008] 对纳米粒子的布朗运动的分析允许如由A.Einstein(1905Annalen der Physik 17pp.549‑560)描述的它们的尺寸确定，并且基于这样一个简单的假设，即粒子或多或少是球形的，这意味着它们在所有方向上的随机运动的可能性都是相等的。目前使用具有合适光学器件的激光源，其允许产生非常窄的光片(light sheet)，并且以直角观察从纳米粒子散射的光。这称为暗场显微术。然而，这种类型的显微术假定纳米粒子可以连续地散射光，从而产生具有稳定强度(在时间上变化不大)的图像，以允许软件对粒子运动的不间断跟踪。上述两个假设(球形和连续光散射)通常都是不可能的。最明显的实例是，如烟草花叶病毒(TMV)的高度伸长的粒子看起来像直径为约20nm并且长度为约300nm的棒，其具有类似玉米棒的表面，如通过TEM图像看到的(参阅，例如P.Ge和Z.H.Zhou 2011PNAS 108(23),pp.9637‑0642)。

[0009] 对于这种高度伸长和粗糙的表面粒子，光散射强度随时间变化，并且很大程度上取决于给定粒子相对于光片的取向(不同的有效横截面)和粒子的旋转。实际上，为这种粒子记录的图像以几Hz的频率显示出特征性的闪烁，而它们的布朗平移运动可以被分成两个完全不同的运动，布朗转动增强闪烁是一种迪斯科球效应(覆盖着平面镜的旋转表面，其可以发出散射到各个方向的光脉冲)。

[0010] 当用于通过布朗运动跟踪来确定纳米粒子尺寸的现有仪器遇到这样的粒子时，该仪器具有限制或完全抑制精确的尺寸确定的严重问题。该仪器观察到不完整的纳米粒子轨迹，纳米粒子轨迹对于精确的尺寸确定太短，并且在以标准30fps记录视频时不可能通过连接跨越多个视频帧的轨迹来校正。

[0011] 因此，需要一个系统和方法来解决纳米粒子的闪烁问题，并且在处理图像时考虑到纳米粒子可能被伸长从而达到基于布朗运动的粒子尺寸。

发明内容

[0012] 以下给出了简化的概述以便提供对所要求保护的主题的一些方面的基本理解。本概述不是广泛的概述，并且不旨在标识关键/重要元素或描绘所要求保护的主题的范围。其目的是以简化的形式提出一些概念作为稍后提出的更详细描述的序言。

[0013] 本文描述的设备、系统和方法很好地解决了上述问题。一种方法允许通过将高度伸长的纳米粒子排列成平行组件(所有粒子定向使得它们的最长尺寸轴平行；如果粒子具有电矩，则这通常通过施加电场来完成)或通过分析观察到的粒子尺寸分布并从分布的形状推断最大、最小和平均尺寸来确定高度伸长的纳米粒子的尺寸。该方法允许观察表现出脉动光散射的粒子并且对于经典的粒子跟踪分析(轨迹的不连续性)产生某些问题。

[0014] 该系统可以包括可调节光源，该可调节光源被构造为将电磁辐射束引导至样品室，当对室内的粒子进行照射时，样品室允许束的一部分散射。该束的散射部分被引导至传感器，该传感器具有帧速率和在帧之间的时间段。该系统可以具有连接至传感器和光源的处理器，并且该处理器可以执行以下步骤：激活光源并且从传感器获得图像；如果来自传感器的图像显示粒子闪烁，则降低帧速率，将曝光时间设置为等于在帧之间的时间的至少60％或更多，并且降低照射强度。然后，处理器获得附加图像并处理这些图像以减轻模糊。
处理器根据经处理的图像确定粒子的布朗运动并且基于所述运动确定粒子的尺寸。

[0015] 处理器可以设置闪烁减小预设，并且重复减小帧速率和设置曝光时间，直到已经实现闪烁减小预设。处理器还可以基于所计算的尺寸确定粒子尺寸分布(PSD)函数，并且根据PSD确定粒子是否是长形的。

[0016] 传感器可以具有图像平面，并且系统可以包括连接到处理器上的电极，处理器在图像平面内并且穿过样品室产生电场。然后，处理器可以在驱动电极以产生电场的同时从传感器获得图像，并根据图像确定粒子的布朗运动。处理器可以进一步将运动分解成与电场基本平行的第一分量和与电场基本正交的第二分量，并且对于每个分量确定粒子的尺寸。

[0017] 在单独的实施例中，系统包括可调节光源，该可调节光源被构造为电磁辐射束引导至样品室，当对室内的粒子进行照射时，样品室允许束的一部分散射。该束的散射部分被引导至具有图像平面的传感器。系统可以包括连接到处理器上的电极，处理器在图像平面内并且穿过样品室产生电场。处理器连接到光源、传感器和电极，并且处理器可以在驱动电极以产生电场的同时从传感器获得图像，并根据图像确定粒子的布朗运动。处理器可以进一步将所述运动分解成与电场基本平行的第一分量和与电场基本正交的第二分量，并且对于每个分量确定粒子的尺寸。

[0018] 在驱动电极以产生电场之前，处理器可以首先通过以下步骤确定粒子是否是长形的：从传感器获得图像，根据图像确定粒子的布朗运动，基于布朗运动确定粒子的尺寸，基于确定的尺寸计算粒子尺寸分布(PSD)函数，以及根据PSD确定粒子是否是长形的。如果根据PSD粒子看起来是长形的，则处理器可以驱动电极并获得粒子在电场中的图像。

[0019] 对本领域技术人员显而易见的另外的方面、替代和变化也在本文中公开，并且被具体地认为包括作为本发明的一部分。本发明仅在专利局在本申请或相关申请中允许的权利要求书中阐述，并且以下对某些实例的简要描述不以任何方式限制、限定或以其他方式确立法律保护的范围。

附图说明

[0020] 参考以下附图可以更好地理解本发明。附图中的部件不必按比例绘制，重点在于清楚地图示本发明的示例方面。在附图中，附图标记在不同的视图和/或实施例中表示相应的部分。应当理解，某些部件和细节可能不会出现在附图中，以帮助更清楚地描述本发明。

[0021] 图1是以快速的速率拍摄的一系列图像帧，其示出了纳米粒子的闪烁。

[0022] 图2A是长形的纳米粒子胶体的粒子尺寸分布。

[0023] 图2B是球形纳米粒子胶体的粒子尺寸分布。

[0024] 图3A图示了溶液中的几种长形的纳米粒子。

[0025] 图3B图示了在平行于图像平面的电场中排列的溶液中的几种长形的纳米粒子。

[0026] 图4A是确定粒子尺寸的改进方法。

[0027] 图4B是用于图像检测、处理和PSD绘图的子程序。

[0028] 图4C是减少闪烁的子程序。

[0029] 图5是仪器设置的示意图。

具体实施方式

[0030] 在此参考本发明的一些具体实施例，包括发明人考虑用于实施本发明的任何最佳方式。在附图中示出了具体实施例的示例。虽然结合具体实施例描述了本发明，但是应当理解，并不意图将本发明限制于所描述或图示的实施例。相反，其旨在涵盖可以包括在如所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内的替代、修改和等效物。

[0031] 在以下描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。本发明的特定示例性实施例可以在没有具体细节中的一些或全部的情况下实现。在其它情况下，没有详细描述本领域技术人员公知的工艺操作，以便不必要地模糊了本发明。为了清楚起见，有时将以单数形式描述本发明的各种技术和机制。然而，应当注意，除非另外指出，否则一些实施例包括技术或多个机制的多次迭代(multiple iteraton)。类似地，本文示出和描述的方法的各个步骤不一定按指示的顺序执行，或者在某些实施例中根本不执行。因此，本文讨论的方法的一些实施方式可以包括比示出或描述的那些更多或更少的步骤。此外，本发明的技术和机制有时将描述两个或更多个实体之间的连接、关系或通信。应当注意，实体之间的连接或关系不一定意味着直接的、不受阻碍的连接，因为各种其它实体或过程可以驻留或发生在任何两个实体之间。因此，除非另外指出，否则所指示的连接不一定意味着直接的、不受阻碍的连接。

[0032] 以下示例性特征的列表与附图相对应并且是为了便于参考而提供的，其中在整个说明书和附图中相同的附图标记表示相应的特征：

[0033] 图像帧 10

[0034] 散射纳米粒子 15

[0035] 非散射纳米粒子 20

[0036] 布朗平移运动 25

[0037] 分组 30

[0038] 纳米粒子 1、2、3 35A，35B，35C

[0039] 粒子尺寸分布(PSD)(长形的纳米粒子) 40

[0040] 粒子尺寸分布(球形纳米粒子) 45

[0041] 无电场情况下的长形的纳米粒子 50

[0042] 有电场情况下的长形的纳米粒子 55

[0043] 传感器图像平面 56

[0044] 电场 60

[0045] 示例性布朗运动矢量 65

[0046] 与电场平行的运动的第一分量 70

[0047] 与电场正交的运动的第二分量 75

[0048] 确定纳米粒子尺寸的改进方法 100

[0049] 用于确定纳米粒子尺寸的改进方法的步骤 105‑160

[0050] 用于图像检测、处理和PSD绘图的子程序 200

[0051] 用于图像检测、处理和PSD绘图的子程序的步骤 205‑220

[0052] 减少闪烁的子程序 230

[0053] 减少闪烁的子程序步骤 235‑255

[0054] 仪器设置 310

[0055] 可调节光源 315

[0056] 光束 320

[0057] 光学物镜 325

[0058] 光片 330

[0059] 样品室 335

[0060] 散射光 340

[0061] 聚焦光学物镜 345

[0062] 聚焦光束 350

[0063] 传感器(例如，相机) 355

[0064] 处理器 360

[0065] 电极 365

[0066] 在本公开中解决的复杂情况涉及跟踪纳米粒子，纳米粒子由于布朗旋转运动而显示出非常强的闪烁或散射光强度的快速变化。这也可以是由结晶状材料剥落的球形粒子的情况，其通常是许多胶体，所述许多胶体是由携带大量无机材料的混浊河水中的固体岩石崩解产生的。这种粒子通常具有由原始材料的晶面产生的许多面或平坦表面。包含这种宝石状粒子的胶体几乎不可能使用标准粒子跟踪方法进行分析，因为散射光强度的快速变化(闪烁)阻止了对描绘布朗运动的连续轨迹的记录，如上所述。

[0067] 图1表示以30帧/秒(fps)拍摄的视频的6个图像帧10。纳米粒子是散射的15(实心圆)或非散射的20(虚线圆)。因此任何非散射纳米粒子20将不会被捕获这些图像帧的传感器355检测到。因为纳米粒子15、20经历平移(由箭头25示出)和旋转布朗运动，所以纳米粒子15、20可以在一帧中散射并且在下一帧中消失，之后仅在完全不同的位置中重新出现，使得不可能跟踪粒子。没有精确跟踪布朗运动，不能精确计算粒子尺寸。

[0068] 图1的帧4、5和6中的分组30图示了三个纳米粒子35A、35B和35C的“闪烁”和运动。在该分组30内，处理器360可能会错误地确定：纳米粒子35B(帧4)移动并且是相同的纳米粒子35C(帧5)，而实际上纳米粒子35B的移动与由处理器360确定的完全不同。

[0069] 在这种情况下提出的解决方案是每秒使用极低数量的记录帧。代替典型的30fps，应当使用每秒帧数减少10倍的帧数，同时应用增加的曝光时间。举例来说，当使用30fps时，人们通常采用约15msec或在帧之间的约一半时间(在此情况下为33msec)的曝光时间。对于4fps或250msec的帧长度，应使用至少200msec的曝光时间，这当然需要这样一种仪器：不仅允许相机增益改变，而且允许降低照射激光器的功率，以防止成像粒子的过度曝光。

[0070] 但长时间曝光会引入其自身的问题。由于曝光期间的布朗运动，后续帧上的图像变得模糊。合适的统计方法可以解决对粒子尺寸确定的精确性有害的这种模糊性，参阅，例如，X.Michalet和A.J.Berglund 2012Phys Rev E85,pp.061916‑1–061916‑14。这种低的fps测量是可能的，并且它们可以给出所观察到的粒子的精确尺寸，因为持续许多秒的更长的轨迹能够由现代处理器自动地记录和处理。

[0071] 图4A公开了减轻纳米粒子“闪烁”效应的方法。如果纳米粒子正在闪烁(步骤105)，则子程序230被启动。首先，系统确定图像中闪烁事件的原始计数(步骤235)，然后减小帧速率并将曝光时间增加到等于在帧之间的时间的至少60％(步骤240)。由于每帧的曝光时间增加，所以需要减少照射；否则，纳米粒子将散射太多的光，并将相邻粒子淹没，使得这些相邻粒子对于传感器不可见(步骤245)。然后，系统在步骤250检查闪烁事件的数量是否已经充分减少，如果没有，则再次降低帧速率(步骤255)。虽然未示出，但是如果再次降低帧速率，则将增加曝光时间，并且可能需要再次减少照射。系统在帧速率降低之后继续检查，直到闪烁事件已经降低到预设值。该值可以被设置为优化处理器对图像进行去模糊以实现精确的粒子跟踪的能力。

[0072] 代替启动子程序230，系统可以仅将帧速率减小到4fps，且每一帧具有至少200msec的曝光。

[0073] 在已经解决闪烁之后，系统可以执行子程序200，其需要以新的帧速率、帧曝光长度和照射来记录图像(步骤205)。然后，系统在步骤210中检测粒子位置，并在步骤215中处理图像以校正模糊运动，从而实现对移动距离的精确跟踪。根据该运动，可以在步骤220中确定和绘制粒子尺寸。

[0074] 图4A所示方法的剩余部分涉及与长形的粒子相关的问题，现在将对其进行讨论。长形的粒子的布朗运动自然地分为两个分量：沿着较长轴线的运动更加剧烈，而在垂直于该轴线的方向上的运动由于稀释剂的粘度而更加受到限制。这意味着从每个方向上的布朗运动推断的尺寸将是不同的。期望的是，沿较长轴线的运动将表示每个粒子的小直径(运动将更剧烈)，而垂直于较长轴线的运动将对应于大得多的尺寸或长度(运动将更小)。如果垂直于被跟踪的粒子的较长轴线的布朗旋转与观察时间(数秒)相比是缓慢的，人们将注意到棒状粒子的直径与其长度之间的表观尺寸的分布。实际上，这意味着非常宽的尺寸分布，最可能的尺寸是两个维度的平均值：粒子的直径和长度。在引言中提及的TMV的实例的情况下，由于分布的自然加宽(跟踪过程中有限数目的跟踪步骤)，这大约是160nm，其分布范围是从几乎为零延伸到300nm甚至更大的直径。

[0075] 图2A示出了这样的分布40，其是在专门用于被授予专利权的方法的特殊记录条件下通过实验测量的，用于减轻闪烁。为了比较，图2B示出了球形纳米粒子的粒子尺寸分布函数(PSD)45。长形的纳米粒子的基底比球形纳米粒子的尖锐且窄的基底宽得多。因此，通过PSD分析，系统可以确定观测到的纳米粒子是长形的，并可以采取步骤提高布朗跟踪的精确性，从而提高尺寸计算的精确性。

[0076] 图3A示出了随机悬浮在胶体中的几个长形的纳米粒子50。当粒子具有电偶极矩时，即，它们可以通过将它们的轴线与场对准而与静电场相互作用时，这样的场能够用于精确地确定两个投影中粒子的尺寸。图3B示出了在传感器355的图像平面56内施加电场60，其对准长形的纳米粒子55。如果纳米粒子55全部对准，那么在相机传感器355的表面上作为投影观察到的布朗运动距离将给出两个不同的尺寸，这取决于跟踪的方向(沿着所施加的场的方向70或垂直于所施加的场的方向75)。在这种情况下，为了获得存在于胶体中的长形的纳米粒子的尺寸，仅需要执行均方距离的标准布朗分析，但在两个垂直分量70、75中分开进行所述分析。具体地，如果纳米粒子布朗运动由矢量65表示，则可以将其分解为与电场平行的第一分量70和与电场正交的第二分量75。为了简单起见，电场60可以被构造成沿着传感器像素的行或列与纳米粒子55对准。

[0077] 返回到图4A，系统可以根据PSD 45确定是否存在宽基三角形(步骤110‑“宽基三角形”表示PSD 45的形状，其类似于具有水平边的三角形，该水平边从大约10nm的非常小的尺寸延伸到长形的粒子的最大期望长度，例如，在MTV的情况下是300nm，应当理解，PSD 45的尾部可以由于粒子的聚集而延伸到甚至更大的值，并且在胶体中总是存在少量杂质)，并且如果这样，则将样品体积暴露于传感器图像平面56内的电场60(步骤120)。在步骤125‑130中，系统记录图像，检测图像中纳米粒子的位置，并且使图像去模糊以到达移动的距离和方向。然后，在步骤140中，运动被分解为第一分量和第二分量(70，75)。基于平行于电场60的第一分量70，确定并绘制纳米粒子55的尺寸(步骤145)，由此确定纳米粒子55的尺寸，代表第一纳米粒子尺寸(步骤150)。基于与第一分量70正交的第二分量75进行同样的操作，如步骤155和步骤160所示。

[0078] 图5示出了使用在此公开的方法和装置的系统。系统包括可调节光源315和光学物镜325，可调节光源315产生穿过柱面透镜的光束320，光学物镜325形成指向样品室335的光片330。室335将纳米粒子容纳在由稀释剂制成的胶体中。当被驱动时，电极365在样品室335上产生电场60。

[0079] 室335中的纳米粒子散射光340，散射光340被引导通过聚焦光学物镜345，其还可以包括放大光学物镜，即显微镜，产生聚焦光束350到传感器(例如，相机)355上。处理器360可以连接到传感器355、光源315和电极365以控制它们。设置310使得能够用精确形成的窄光片330对任何液体照射，并观察来自纳米粒子的散射光340，通常相对于光片平面成90度角。换言之，观察方向垂直于照射平面的方向。处理器360可以配置为执行本文公开的方法。

[0080] 尽管本文已经描述了本发明的示例性实施例和应用，包括如上所述并在所包括的示例性附图中示出的实施例和应用，但是本发明并不限于示例性实施例和应用，也不限于本文描述的示例性实施例和应用的操作方式。实际上，对示例性实施例的许多变化和修改是可能的，这对于本领域的普通技术人员是显而易见的。本发明可以包括任何装置、结构、方法或功能，只要所得到的装置、系统或方法落入专利局基于专利申请或任何相关专利申请所允许的权利要求之一的范围内。