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視頻光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x的測(cè)試方法及其優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

來源:美國科諾工業(yè)有限公司 (戰(zhàn)略合作伙伴:上海梭倫信息科技有限公司)   2016年10月22日 18:54  

目前而言,接觸角測(cè)試方法主要為如下3類:
(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(shè)液滴輪廓符合一個(gè)圓弧曲線,即假設(shè)液滴為球冠的一部分。因而,寬高法有時(shí)也被稱為小球完法。此時(shí),通過圓弧的寬與高,并采用反三角函數(shù)計(jì)算出接觸角值。
本方法的優(yōu)勢(shì)在于:(1)被發(fā)現(xiàn)并使用的時(shí)間長(zhǎng);(2)測(cè)試不需要復(fù)雜的儀器,人眼觀測(cè)即可。如美國科諾早研制出來的SL100型。(3)采用軟件全自動(dòng)測(cè)試時(shí),速度快。
本方法的缺陷包括:(1)測(cè)值誤差大,重復(fù)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(jù)均不同,因而無法形成一個(gè)可接受的共識(shí)結(jié)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(dá)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(cè)值結(jié)果;(4)受液滴體積的影響。因其小球冠的前提假設(shè),大液滴明顯存在重力影響,測(cè)值結(jié)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(fù)雜的高數(shù)算法:圓擬合、橢圓擬合、切線法(二次曲線或復(fù)合曲線)等方程擬合法以及Spline曲線擬合、真實(shí)液滴法等無方程擬合法等。
本系列算法具體測(cè)試過程為:拍攝液滴輪廓圖像,采用圖像識(shí)別技術(shù)擬合圖像的邊緣(如Canny算子),提取邊緣曲線的坐標(biāo),將坐標(biāo)曲線與曲線方程進(jìn)行小二乘擬合,從而得到終的方程曲線。在得到曲線方程后,在接觸的兩端點(diǎn)處求導(dǎo)并進(jìn)而得到接觸角值。
本系列算法的特征在于用曲線算法計(jì)算一個(gè)曲線的切線角值。因其缺少界面化學(xué)相關(guān)算法的支撐,其測(cè)值僅是計(jì)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(gòu)性的存在,接觸角體系非常復(fù)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(shí)有限,只涉及簡(jiǎn)單的幾何以及高數(shù)知識(shí),所以,易于被使用者所理解;(2)測(cè)試精度較高,通常而言,在控制液滴量的情況下,且擬合曲線與輪廓曲線重合度高時(shí),精度可達(dá)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度以內(nèi)的接觸角測(cè)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度以內(nèi)接觸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,特別是中心線以下的輪廓與以上部分不再對(duì)稱時(shí));(3)切線法受接觸點(diǎn)位置的噪聲干擾較大,特別的對(duì)于增加、減少液滴法的前進(jìn)、后退測(cè)值時(shí),成功率不高;(4)無法真實(shí)表征界面化學(xué)現(xiàn)象,如化學(xué)多樣性、重力的體現(xiàn)、界面化學(xué)的三明治效應(yīng)等;(5)無法擬合非軸對(duì)稱圖像,除橢圓能夠擬合部分非軸對(duì)稱的圖像以及切線法外。
(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(cè)試過程中,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(xiàn)象。相較于如上兩個(gè)類別的算法,其測(cè)值精度、重復(fù)性均比較高。本方法的具體實(shí)施過程為:拍攝液滴輪廓圖像,采用圖像識(shí)別技術(shù)提取圖像邊緣并得到坐標(biāo)點(diǎn),用坐標(biāo)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(shù)。其核心技術(shù)為邦德系數(shù)(Bond Number)的算法以及擬合Young-Laplace方程的算法兩個(gè)部分。而根據(jù)邦德系數(shù)(Bond Number)不同Young-Laplace方程擬合技術(shù)分為兩大類: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(duì)稱影像分析法,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(tuán)隊(duì)對(duì)ADSA算法進(jìn)行了總結(jié)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ADSA-NA的基礎(chǔ)上的更新,其核心技術(shù)為邦德系數(shù)(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ADSA-P更接近于實(shí)際液滴輪廓形狀,因而被稱為RealDrop技術(shù),可也稱為非軸對(duì)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商所商業(yè)化使用,因而具有一定的度。其核心的邦德系數(shù)(Bond Number)為Select Plane算法。
(1)Song Bi Hai團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)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(duì)稱的前提假設(shè),即本算法認(rèn)為液滴的輪廓是左、右、前、后對(duì)稱的。因而在實(shí)際測(cè)試中,通常僅擬合以液滴輪廓中心點(diǎn)分界的單側(cè)的輪廓并將另一側(cè)的輪廓擬合曲線復(fù)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(duì)稱的。(2)對(duì)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(duì)接觸角測(cè)值的影響,不受液滴體積的影響,精度高,重復(fù)性好;(2)可以用于超疏水材料的接觸角值,特別是針對(duì)大于80度以上的接觸角值測(cè)值,擬合度非常高;(3)可以真實(shí)反應(yīng)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(duì)稱性并結(jié)合Wensel-Cassie模型,其優(yōu)勢(shì)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(gòu)性、接觸角滯后等的分析,本征接觸角的計(jì)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(nèi)變化;(3)可以非常快速的判斷得到樣品的化學(xué)多樣性、清洗度等,無需多個(gè)液滴的判斷。

 

 

序號(hào)

接觸角

測(cè)試方法

基本原理

優(yōu)勢(shì)

缺陷

1

量角器法

(切線法、直線切線法)

人為量角

1、應(yīng)用時(shí)間長(zhǎng)

2、可測(cè)試動(dòng)態(tài)接觸角值(德國公司)

誤差大

重復(fù)性差

受接觸點(diǎn)位置噪聲影響較大

2

寬高法

(θ/2,小球冠法)

幾何換算,計(jì)算反三角函數(shù)

1、應(yīng)用時(shí)間長(zhǎng)

2、速度快,易理解

1、受重力(浮力)影響

2、液滴量控制非常困難

3、僅可應(yīng)用于靜態(tài)接觸角測(cè)值

4、測(cè)值角度僅可小于80度

3

圓擬合法

高等數(shù)學(xué),擬合圓曲線方程后求導(dǎo)數(shù)

1、可測(cè)試角度小的接觸角值;

2、簡(jiǎn)單易于理解

1、受重力(浮力)影響

2、液滴量控制非常困難

3、測(cè)試小于100度的接觸角值;

4、僅可測(cè)試軸對(duì)稱的圖像

5、無法表征真實(shí)的界面化學(xué)現(xiàn)象

4

橢圓擬合法

高等數(shù)學(xué),擬合橢圓曲線方程后求導(dǎo)數(shù)

1、可測(cè)試受重力影響后的以中心軸為中軸的對(duì)稱液滴圖像;

2、簡(jiǎn)單易于理解

1、受一定的重力(浮力)影響;

2、無法測(cè)試小于10度的接觸角值;

3、無法測(cè)試大于140度以上,特別是超疏水材料的接觸角值;

5、無法表征真實(shí)的界面化學(xué)現(xiàn)象

5

切線法(復(fù)合曲線法-德國Kruss)、曲線尺法(KINO)

高等數(shù)學(xué),擬合二次曲線方程或多項(xiàng)式曲線方程后,求導(dǎo)數(shù)

1、可以測(cè)試動(dòng)態(tài)接觸角值,特別是前進(jìn)、后退角值。

2、測(cè)試操作簡(jiǎn)單

1、誤差較大

2、重復(fù)性較差

3、受接觸點(diǎn)位置噪聲影響較大

4、無法表征真實(shí)的界面化學(xué)現(xiàn)象

6

Spline曲線

真實(shí)液滴法

插值擬合

極限方程原理

1、可以測(cè)試動(dòng)態(tài)接觸角值,特別是前進(jìn)、后退角值。

2、測(cè)試操作簡(jiǎn)單

1、受接觸點(diǎn)位置噪聲影響較大

2、無法表征真實(shí)的界面化學(xué)現(xiàn)象

7

Young-Laplace方程擬合法

Select Plane

影像分析法

擬合Young-Laplace方程

1、可以測(cè)試絕大部分軸對(duì)稱的液滴的接觸角值;

2、特別適用高于30度以上的接觸角測(cè)值,可修正重力系數(shù)的影響;

3、特別廣泛應(yīng)用于超疏水材料的接觸角值測(cè)值

1、測(cè)試超親水材料的接觸角值(3度以內(nèi))存在一定困難;

2、無法測(cè)試非軸對(duì)稱液滴,特別是3D接觸角值無法實(shí)現(xiàn)測(cè)值;

3、無法應(yīng)用于動(dòng)態(tài)接觸角的測(cè)試,如前進(jìn)、后退角的測(cè)試

4、超疏水材料,特別是一些非軸對(duì)稱材料的接觸角測(cè)值角度值偏大;

5、對(duì)于大于160度的近圓形圖像,接觸角值偏大

8

Young-Laplace方程擬合法

ADSA-P

影像分析法

擬合Young-Laplace方程

1、可以測(cè)試絕大部分軸對(duì)稱的液滴的接觸角值;

2、特別適用高于30度以上的接觸角測(cè)值,可修正重力系數(shù)的影響;

3、特別廣泛應(yīng)用于超疏水材料的接觸角值測(cè)值

1、測(cè)試超親水材料的接觸角值(3度以內(nèi))存在一定困難;

2、無法測(cè)試非軸對(duì)稱液滴,特別是3D接觸角值無法實(shí)現(xiàn)測(cè)值;

3、無法應(yīng)用于動(dòng)態(tài)接觸角的測(cè)試,如前進(jìn)、后退角的測(cè)試

 

9

Young-Laplace方程擬合法

ADSA-RealDrop

非軸對(duì)稱影像分析法

擬合Young-Laplace方程;

 

1、可用于分析3D接觸角值;

2、可以測(cè)試絕大部分軸對(duì)稱的液滴的接觸角值;

3、特別廣泛應(yīng)用于超疏水材料的接觸角值測(cè)值;

4、特別適用于動(dòng)態(tài)接觸角測(cè)試,如前進(jìn)后、后退角以及熱平衡接觸角的測(cè)試

1、測(cè)試超親水材料的接觸角值(3度以內(nèi))存在一定困難。

 

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