視頻光學(xué)接觸角測量?jì)x的選購10問(wèn)－含接觸角測試方法對比

一、視頻光學(xué)接觸角測量?jì)x對環(huán)境是否有要求，如風(fēng)速，溫濕度，塵粒等。
溫濕度的要求取決于用戶(hù)測試要求。由于溫度不同，接觸角及表面張力值不同，因而通常情況下控制溫度是大部分用戶(hù)必需要的。有的用戶(hù)想測試不同溫度和濕度條件下的樣品接觸角值或界面張力值。因而，溫度和濕度的要求取決于用戶(hù)的測試需求。僅僅從儀器使用條件來(lái)看，常規實(shí)驗室溫、濕度條件就可以了。
（1）控溫控制系統：建議采用帕爾貼溫控系統。目前，美國科諾*提供多款帕爾貼溫控系統，溫度范圍從-50-160℃供選。帕爾貼溫控系統因其加熱或制冷速度快，控制精度高（0.05℃）而被用戶(hù)廣泛接受。價(jià)格范圍參考為-50-160℃5萬(wàn)元人民幣，0-160℃1.5萬(wàn)元人民幣；0－100℃10000人民幣，15－80℃5000人民幣。同時(shí)，我們提供德國進(jìn)口500度加熱板供選購。
（2）濕度控制系統：提供RH5%－95%，溫度室溫+5－85℃系統供選購，中國產(chǎn)的濕度控制系統7萬(wàn)元，進(jìn)口的要20萬(wàn)元左右。
風(fēng)速會(huì )影響到接觸角的測值。因而盡量避免室內空氣的大流動(dòng)。特別對于界面張力或表面張力的測值而言，風(fēng)速的影響會(huì )非常大。美國科諾的儀器采用了ADSA®-RealDrop®法（第四代基于RealDrop®法的Young-Laplace方程擬合技術(shù)（中國發(fā)明，號ZL201110244512.9）），可以減少振動(dòng)、風(fēng)速等對測值結果的影響，是目前能夠接受這樣條件的*算法。
塵粒對接觸角和表面張力的測試的影響主要體出為污染測試樣品，影響到終的測值結果。同樣的，若樣品本身的表面是清潔的且不存在化學(xué)多樣性或異構性，國科諾的儀器采用了ADSA®-RealDrop®法（第四代基于RealDrop®法的Young-Laplace方程擬合技術(shù)（中國發(fā)明，號ZL201110244512.9）），可以一次測值得到左、右兩側的接觸角值，從而為判斷是否存在塵粒提供了為方便的方法。同時(shí)，ADSA－RealDrop法可以用于測試3D接觸角值，因而，是目前為止為方便和科學(xué)的方法。

二、視頻光學(xué)接觸角測量?jì)x的恒溫部分是指檢測樣品區域還是包括進(jìn)樣器部分。
接觸角儀中接觸角測試的恒溫，通常僅僅是檢測固體樣品時(shí)對樣品進(jìn)行恒溫控制。進(jìn)樣器中裝的是液體。在測試時(shí)，液體滴到被測樣品上了，由于固體材料是恒溫控制的，所以滴出的液體就可以被控溫了?？販夭糠植捎昧伺翣栙N溫控，溫度范圍取決于用戶(hù)的要求。
同時(shí)，美國科諾提供控制進(jìn)液器溫度的帕爾貼溫控溫度范圍－10－100℃。同時(shí)，美國科諾提供高溫（450℃）注射泵供選購。

三、視頻光學(xué)接觸角測量?jì)x的進(jìn)樣器的材質(zhì)，以及進(jìn)樣量的范圍是多少？
接觸角測試儀的進(jìn)液器的材質(zhì)包括了多個(gè)部分，如針管、頂針、針頭、密封件等。通常而言，接觸角儀進(jìn)樣器的材料為玻璃和聚四氟，另外提供的一次性進(jìn)樣器為塑料。同時(shí)，我公司提供噴射進(jìn)樣器和全不銹鋼進(jìn)樣品供選購。
針頭的材質(zhì)分為聚四氟乙烯、不銹鋼、塑料等。針頭同時(shí)存在不同粗細針頭的選購問(wèn)題。美國科諾*提供全系列針頭從34號（外徑0.2mm）細到10號(外徑4mm)針頭。
進(jìn)液精度取決于進(jìn)液器的容量，通常美國科諾的0.002uL或更低。若是SL200KS加上100uL進(jìn)液器和超細針頭，可以滴出0.2uL的液滴。若是采購噴射針頭，小滴出量可達pL級，用于半導體行業(yè)的微量滴出。但通常情況下，由于采用了ADSA－RealDrop法（Young-Laplace方程計算方法）測試接觸角值，此方法自動(dòng)修正重力影響，因而，液體量在我們的儀器上不是問(wèn)題，雖然我們可以精度很高。進(jìn)液精度以及進(jìn)液量在視頻光學(xué)接觸角測量?jì)x中的重要性主要取決于有的接觸角測試方法對于液滴的形狀的假設，因而選對方法對于測試接觸角很重要。

四、視頻光學(xué)接觸角測量?jì)x的方法有哪些，各自的優(yōu)勢與缺點(diǎn)有哪些？
目前而言，接觸角測試方法主要為如下3類(lèi)：
（1）簡(jiǎn)單幾何算法：量角器法和寬高法（WH法或θ/2）法。
量角器法采用一條直線(xiàn)傾斜并判斷其是否相切于液滴輪廓的方式分析接觸角值。而寬高法則假設液滴輪廓符合一個(gè)圓弧曲線(xiàn)，即假設液滴為球冠的一部分。因而，寬高法有時(shí)也被稱(chēng)為小球完法。此時(shí)，通過(guò)圓弧的寬與高，并采用反三角函數計算出接觸角值。
本方法的優(yōu)勢在于：（1）被發(fā)現并使用的時(shí)間長(cháng)；（2）測試不需要復雜的儀器，人眼觀(guān)測即可。如美國科諾早研制出來(lái)的SL100型。（3）采用軟件全自動(dòng)測試時(shí)，速度快。
本方法的缺陷包括：（1）測值誤差大，重復性不好，精度不高，量角器法通常為2度甚至更高，寬高法時(shí)為1度左右；（2）受人為因素影響較大，特別是量角器法，每個(gè)人的判斷依據均不同，因而無(wú)法形成一個(gè)可接受的共識結果。而寬高法在像素的選擇時(shí)，因判斷像素點(diǎn)少，精度很難達到很高；（3）易受噪聲點(diǎn)影響，特別是采用寬高法自動(dòng)分析時(shí)，背景的噪聲會(huì )明顯影響到測值結果；（4）受液滴體積的影響。因其小球冠的前提假設，大液滴明顯存在重力影響，測值結果存在偏差。還有一個(gè)不被重視的情況為，在接觸角大于80度或超疏水材料（150度以上）時(shí)，事實(shí)上小液滴（2uL或1uL），液滴形狀也因重力而改變。
（2）復雜的高數算法：圓擬合、橢圓擬合、切線(xiàn)法（二次曲線(xiàn)或復合曲線(xiàn)）等方程擬合法以及Spline曲線(xiàn)擬合、真實(shí)液滴法等無(wú)方程擬合法等。
本系列算法具體測試過(guò)程為：拍攝液滴輪廓圖像，采用圖像識別技術(shù)擬合圖像的邊緣（如Canny算子），提取邊緣曲線(xiàn)的坐標，將坐標曲線(xiàn)與曲線(xiàn)方程進(jìn)行小二乘擬合，從而得到終的方程曲線(xiàn)。在得到曲線(xiàn)方程后，在接觸的兩端點(diǎn)處求導并進(jìn)而得到接觸角值。
本系列算法的特征在于用曲線(xiàn)算法計算一個(gè)曲線(xiàn)的切線(xiàn)角值。因其缺少界面化學(xué)相關(guān)算法的支撐，其測值僅是計算得出液滴輪廓的表象角度值，即該輪廓的幾何意義上的角度值而并非真實(shí)的固－液－氣或固－液－液三相體系的本征接觸角值。事實(shí)上，因重力、浮力、化學(xué)多樣性、異構性的存在，接觸角體系非常復雜。
本系列算法的優(yōu)點(diǎn)在于：（1）易被理解和接受。本系列算法涉及的知識有限，只涉及簡(jiǎn)單的幾何以及高數知識，所以，易于被使用者所理解；（2）測試精度較高，通常而言，在控制液滴量的情況下，且擬合曲線(xiàn)與輪廓曲線(xiàn)重合度高時(shí)，精度可達0.5°(圓擬合或橢圓擬合)；（3）圓擬合法以及橢圓擬合法不易受背景噪聲點(diǎn)影響，自動(dòng)擬合的成功率較高。特別是圓擬合法，在5度以?xún)鹊慕佑|角測試時(shí)，是算法。
本系列算法的缺點(diǎn)在于：（1）受液滴大小或重力影響較大，特別是圓擬合法；（2）橢圓擬合法擬合10度以?xún)冉佑|角值以及特殊情況下的接觸角值（如150度以上超疏水材料的接觸角值等，此時(shí)的重力影響已經(jīng)影響到輪廓，特別是中心線(xiàn)以下的輪廓與以上部分不再對稱(chēng)時(shí)）；（3）切線(xiàn)法受接觸點(diǎn)位置的噪聲干擾較大，特別的對于增加、減少液滴法的前進(jìn)、后退測值時(shí)，成功率不高；（4）無(wú)法真實(shí)表征界面化學(xué)現象，如化學(xué)多樣性、重力的體現、界面化學(xué)的三明治效應等；（5）無(wú)法擬合非軸對稱(chēng)圖像，除橢圓能夠擬合部分非軸對稱(chēng)的圖像以及切線(xiàn)法外。
（3）Young-Laplace方程擬合法。
本算法將Young-Laplace方程引入到接觸角及界面張力（表面張力）的測試過(guò)程中，從而綜合考慮到了重力、浮力、界面張力等各個(gè)因素的影響，也更為真實(shí)的表征了固－液－氣或固－液－液三相體系的界面化學(xué)現象。相較于如上兩個(gè)類(lèi)別的算法，其測值精度、重復性均比較高。本方法的具體實(shí)施過(guò)程為：拍攝液滴輪廓圖像，采用圖像識別技術(shù)提取圖像邊緣并得到坐標點(diǎn)，用坐標點(diǎn)擬合Young-laplace方程并得到表面張力值、體積值、表面積值以及接觸角值等參數。其核心技術(shù)為邦德系數（Bond Number）的算法以及擬合Young-Laplace方程的算法兩個(gè)部分。而根據邦德系數（Bond Number）不同Young-Laplace方程擬合技術(shù)分為兩大類(lèi)：ADSA和Select Plane法兩種。
本方法為的是A.W.Neumann的ADSA算法，包括ADSA－P、ADSA－D、ADSA－CD、ADSA－NA、ADSA－RealDrop等等。ADSA算法為軸對稱(chēng)影像分析法，為Neumann教授于1983年正式提出（Rotenberg, Y., Boruvka, L. and Neumann, A.W. Determination of Surface Tension and Contact Angle from the Shapes of Axisymmetric Fluid Interfaces J. Colloid Interface Sci. 93 p.169-183），并于1987年正式公開(kāi)發(fā)表（Spelt, J.K., Rotenberg, Y., Absolom, D.R. and Neumann, A.W. Sessile Drop Contact Angle Measurements Using Axisymmetric Drop Shape Analysis (ADSA) Colloids Surfaces 24 p.127-137, 1987）,1997年Neumann團隊對ADSA算法進(jìn)行了總結并形成理論體系（O. I. del R?o and A. W. Neumann, Axisymmetric Drop Shape Analysis: Computational Methods for the Measurement of Interfacial Properties from the Shape and Dimensions of Pendant and Sessile Drops, JOURNAL OF COLLOID AND INTERFACE SCIENCE 196, P136–147 ,1997）。ADSA－RealDrop算法是在A(yíng)DSA－NA的基礎上的更新，其核心技術(shù)為邦德系數（Bond Number）的擬合采用了聯(lián)立頂點(diǎn)曲率半徑和表面張力值建立關(guān)系式，并二次擬合Young-Laplace方程的技術(shù)。相較于A(yíng)DSA－P更接近于實(shí)際液滴輪廓形狀，因而被稱(chēng)為RealDrop技術(shù)，可也稱(chēng)為非軸對影像分析法。
另外三個(gè)比較有名的算法包括如下三個(gè)。其特征為這些算法被國外的儀器廠(chǎng)商所商業(yè)化使用，因而具有一定的度。其核心的邦德系數（Bond Number）為Select Plane算法。
(1)Song Bi Hai團隊的Young-Laplace方程擬合法（BIHAI SONG AND JU¨ RGEN SPRINGER, Determination of Interfacial Tension from the Profile of a Pendant Drop Using Computer-Aided Image Processing, JOURNAL OF COLLOID AND INTERFACE SCIENCE 184, P64–76 ,1996）。
（2）Hansen團隊的Young-Laplace方程擬合法（F. K. HANSEN AND G. RODSRUD， Surface Tension by Pendant Drop I. A Fast Standard Instrument Using Computer Image Analysis，Journal of Colloid and Interface Science, Vol. 141, No. I, p1-9, January 1991）
（3）J. W. Jennings團隊的Young-Laplace方程擬合法（J. W. Jennings， N. R. Pallas，an Efficient Method for the Determination of Interfacial Tensions from Drop Profiles，Langmuir. Vol. 4, No. 4, 1988，P959-967）
本方法的缺點(diǎn)：（1）除了ADSA－NA和ADSA-RealDrop法之外，所有的算法均有軸對稱(chēng)的前提假設，即本算法認為液滴的輪廓是左、右、前、后對稱(chēng)的。因而在實(shí)際測試中，通常僅擬合以液滴輪廓中心點(diǎn)分界的單側的輪廓并將另一側的輪廓擬合曲線(xiàn)復制。但事實(shí)上，很少有一個(gè)固體表面的液滴能夠形成軸對稱(chēng)的。（2）對于小接觸角值，如低于3度以下時(shí)，因采用的擬合邊緣不夠，精度一般。
本方法的優(yōu)點(diǎn)：（1）可以修正重力、浮力對接觸角測值的影響，不受液滴體積的影響，精度高，重復性好；（2）可以用于超疏水材料的接觸角值，特別是針對大于80度以上的接觸角值測值，擬合度非常高；（3）可以真實(shí)反應固－液－氣或固－液－液三相體系的接觸角值。
其中，ADSA－RealDrop算法因其非軸對稱(chēng)性并結合Wensel-Cassie模型，其優(yōu)勢更為明顯：（1）可以用于分析3D接觸角，特別是化學(xué)多樣性、異構性、接觸角滯后等的分析，本征接觸角的計算，本算法勝任工作；（2）不受液滴量大小的影響，從0.1uL-400uL，接觸角值保持在2度之內變化；（3）可以非?？焖俚呐袛嗟玫綐悠返幕瘜W(xué)多樣性、清洗度等，無(wú)需多個(gè)液滴的判斷。

五、視頻光學(xué)接觸角測量?jì)x的進(jìn)樣器如何清洗？進(jìn)行器的針頭與針管如何清洗，是否為消耗品？
進(jìn)樣器和針頭屬于消耗品，可采用超聲波清洗機清洗。若進(jìn)液為膠水等清洗不掉的樣品，則建議一次性使用，以免交叉污染。測試接觸角值之前或測試界面張力之前，建議先用蒸餾水判斷一下進(jìn)液器以及針頭是否干凈。具體判斷方法為采用懸掛滴法（pendant drop）并采用ADSA-RealDrop法，測試水的表面張力值。如果與當時(shí)溫度條件下的蒸餾水的表面張力值是一致的（如25℃時(shí)蒸餾水的表面張力值是72mN/m），那么說(shuō)明針頭與進(jìn)液器是干凈的。目前判斷清潔度的計算方法中，唯有ADSA－RealDrop法是非常的。理由為：其他的算法如國外儀器廠(chǎng)商采用的Young-Laplace方程擬合法，其實(shí)質(zhì)為基于Select Plane算法的Young-Laplace方程擬合法，在擬合Young-Laplace方程時(shí)的邦德系數（Bond）采用了系統標定。而這個(gè)系數的標定值由標定時(shí)的針頭直徑、溫度條件、樣品的純度等決定。由于標定條件不同，因而在測值時(shí)，25號針頭等常規針頭無(wú)法測值水的表面張力值。

六、視頻光學(xué)接觸角測量?jì)x的檢測樣品臺上是否需要薄膜等輔助耗材？
在樣品臺保持干凈的條件下，不需要輔助耗材。但是，如果樣品臺無(wú)法保持干凈或對測試要求較高時(shí)，建議采用載玻片等玻璃或薄膜等耗材進(jìn)行保護，以免二次污染而影響測值。
六、視頻光學(xué)接觸角測量?jì)x的表面張力或界面張力的測定原理？
采用懸滴法，液滴在針頭下面形成一個(gè)懸著(zhù)的液滴。這個(gè)液滴的形狀符合Young-Laplace方程。擬合方法即可得到表面張力值。目前我們的算法為第四代算法，精度與敏感度均非常高。而國外的均是第二代算法，國內是*代算法。
具體可參考
http://v.youku.com/v_show/id_XOTAxNTQxNjYw.html
 

七、視頻光學(xué)接觸角測量?jì)x的相機是自動(dòng)調焦不是手動(dòng)？有無(wú)彩色相機？
目前通常標配的相機是手動(dòng)對焦，我們同時(shí)提供自動(dòng)對焦的鏡頭供選購。但由于在機械結構中，美國科諾的接觸角儀提供了調整精度可達0.01mm的對焦機構，同時(shí)鏡頭中提供了焦距調整光學(xué)鏡頭（6mm），所以在一次對焦后不再需要對焦。因為視頻光學(xué)接觸角測量?jì)x采用的是顯微鏡，所以這些調整功能非常關(guān)鍵。由于采用了近平行光鏡頭，形成了一個(gè)非常大的景深，因而可視為固定焦。我們提供精度0.01mm的焦距調整部件。
美國科諾可提供彩色相機，且我們的軟件CAST®3是*可分析彩色圖像的視頻光學(xué)接觸角測量?jì)x軟件。彩色相機因其采用了RGB格式，所以無(wú)論在圖像的濃度以及成像質(zhì)量上均遠優(yōu)于黑白的相機，也遠優(yōu)于國外視頻光學(xué)接觸角測量?jì)x的8位灰度圖像的質(zhì)量。在發(fā)表文章時(shí)，照片的質(zhì)量會(huì )影響到文章的出彩程度，因而彩色相機是的選擇。
http://v.youku.com/v_show/id_XMTM3NDE1MzM2OA==.html
 

八、視頻光學(xué)接觸角測量?jì)x是否針對客戶(hù)樣品選定合適的像素？
視頻光學(xué)接觸角測量?jì)x的像素問(wèn)題請參考如下視頻：
http://v.youku.com/v_show/id_XMTY2MzM0MjI4MA==.html
我們的終方案為：建議采購200萬(wàn)像素的彩色高速攝像機（160－3100幀/秒，USB3.0）。這樣可以滿(mǎn)足測試吸水材料、動(dòng)態(tài)界面張力測試、動(dòng)態(tài)接觸角測試、滾動(dòng)角測試等各種復雜要求。
 

九、視頻光學(xué)接觸角測量?jì)x的相機主機本身是否有內存，以滿(mǎn)足高速成像空間較大的需求？
可以升級高速攝像機帶內存的。130萬(wàn)像素的512M內存500幅/秒（640*480），增加1.5萬(wàn)元人民幣。若需要更高速的，如2000FPS，4G內存，約200萬(wàn)人民幣。

十、是否可提供現場(chǎng)考察？
我們非常歡迎用戶(hù)現我們的現場(chǎng)實(shí)驗室參觀(guān)。這就是的溝通方式。畢竟視頻光學(xué)接觸角測量的選購涉及非常多的知識和選購技巧，針對用戶(hù)的應用也有非常多的解決方案。舉例而言，伊利公司在選購接觸角儀和表面張力儀時(shí)就專(zhuān)門(mén)到我公司指導3次以上，進(jìn)行了全方面的比較與實(shí)際測值。終我們提供了一個(gè)非常的解決方案。本次考察，他們從簡(jiǎn)單的采購一臺、功能簡(jiǎn)單的表面張力儀的初步方案，終確認了一個(gè)測試多層乳化分析的復雜性解決方案。
而且，目前主要的視頻光學(xué)接觸角測量?jì)x廠(chǎng)商均在上?；蛟谏虾ＴO有分公司和辦事處，可以對儀器的測試精度、操作方便、技術(shù)人員的知識、服務(wù)等各個(gè)方面進(jìn)行綜合選型比較，以達到選購一臺符合要求測試要求、買(mǎi)得放心的儀器。

提醒注意：如上文章由美國科諾工業(yè)有限公司授權上海梭倫信息科技有限公司發(fā)表。如有摘抄或引用，請取得我公司授權。否則，我公司將追究相應責任人員的知識產(chǎn)權責任。