視頻光學(xué)接觸角測量儀的測試方法及其優(yōu)缺點對比

目前而言，接觸角測試方法主要為如下3類：
（1）簡單幾何算法：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)液滴輪廓符合一個圓弧曲線，即假設(shè)液滴為球冠的一部分。因而，寬高法有時也被稱為小球完法。此時，通過圓弧的寬與高，并采用反三角函數(shù)計算出接觸角值。
本方法的優(yōu)勢在于：（1）被發(fā)現(xiàn)并使用的時間長；（2）測試不需要復(fù)雜的儀器，人眼觀測即可。如美國科諾早研制出來的SL100型。（3）采用軟件全自動測試時，速度快。
本方法的缺陷包括：（1）測值誤差大，重復(fù)性不好，精度不高，量角器法通常為2度甚至更高，寬高法時為1度左右；（2）受人為因素影響較大，特別是量角器法，每個人的判斷依據(jù)均不同，因而無法形成一個可接受的共識結(jié)果。而寬高法在像素的選擇時，因判斷像素點少，精度很難達(dá)到很高；（3）易受噪聲點影響，特別是采用寬高法自動分析時，背景的噪聲會明顯影響到測值結(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，測值結(jié)果存在偏差。還有一個不被重視的情況為，在接觸角大于80度或超疏水材料（150度以上）時，事實上小液滴（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、真實液滴法等無方程擬合法等。
本系列算法具體測試過程為：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算一個曲線的切線角值。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的固－液－氣或固－液－液三相體系的本征接觸角值。事實上，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，只涉及簡單的幾何以及高數(shù)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，且擬合曲線與輪廓曲線重合度高時，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影響，自動擬合的成功率較高。特別是圓擬合法，在5度以內(nèi)的接觸角測試時，是算法。
本系列算法的缺點在于：（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稱時）；（3）切線法受接觸點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，成功率不高；（4）無法真實表征界面化學(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）無法擬合非軸對稱圖像，除橢圓能夠擬合部分非軸對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）的測試過程中，從而綜合考慮到了重力、浮力、界面張力等各個因素的影響，也更為真實的表征了固－液－氣或固－液－液三相體系的界面化學(xué)現(xiàn)象。相較于如上兩個類別的算法，其測值精度、重復(fù)性均比較高。本方法的具體實施過程為：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(biāo)點，用坐標(biāo)點擬合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)隊對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更接近于實際液滴輪廓形狀，因而被稱為RealDrop技術(shù)，可也稱為非軸對影像分析法。
另外三個比較有名的算法包括如下三個。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：（1）除了ADSA－NA和ADSA-RealDrop法之外，所有的算法均有軸對稱的前提假設(shè)，即本算法認(rèn)為液滴的輪廓是左、右、前、后對稱的。因而在實際測試中，通常僅擬合以液滴輪廓中心點分界的單側(cè)的輪廓并將另一側(cè)的輪廓擬合曲線復(fù)制。但事實上，很少有一個固體表面的液滴能夠形成軸對稱的。（2）對于小接觸角值，如低于3度以下時，因采用的擬合邊緣不夠，精度一般。
本方法的優(yōu)點：（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(fù)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算法因其非軸對稱性并結(jié)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(gòu)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(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，無需多個液滴的判斷。

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