一種準(zhǔn)確測量單根蠶絲橫截面積的方法及其應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種準(zhǔn)確測量單根蠶絲橫截面積的方法及其在測試力學(xué)性能中的應(yīng)用，該方法具體為：制備模具后將染色的蠶絲固定其上，使蠶絲與模具的一邊平行，用包埋劑進(jìn)行模具垂直固定；再進(jìn)行樣品切片和制片；然后對蠶絲橫截面進(jìn)行圖像采集；最后用圖像處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過公式計算得到蠶絲橫切面的橫截面積。本發(fā)明所述測量方法可以使用普通實驗室即有的光學(xué)顯微鏡進(jìn)行圖像采集，不具備電鏡等高精尖設(shè)備的普通實驗室也可完成蠶絲橫截面積的測定，方便了實驗操作，節(jié)約了實驗成本；用普通的圖像處理軟件進(jìn)行圖像處理，利于不精通圖像處理及相關(guān)計算機知識的人處理實驗結(jié)果，可以縮短實驗成果的周期。
【專利說明】一種準(zhǔn)確測量單根蠶絲橫截面積的方法及其應(yīng)用

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及蠶業(yè)科學(xué)，具體涉及一種準(zhǔn)確測量單根蠶絲橫截面積的方法及其應(yīng)用。

【背景技術(shù)】
[0002]蠶絲是家蠶絲腺所分泌的連續(xù)長纖維，是一種天然蛋白纖維。蠶絲在中國的使用歷史已經(jīng)超過4700多年。在漫長的使用過程中，人們不斷地改進(jìn)、提升蠶絲的品質(zhì)。近年，因為絲織品具有輕薄、柔軟、滑爽、透氣、色彩絢麗，富有光澤等其他纖維無法比擬的優(yōu)點，絲織品行業(yè)發(fā)展勢頭迅猛。同時，科學(xué)家又致力于新型蠶絲的開發(fā)，拓展蠶絲的應(yīng)用領(lǐng)域。目前，蠶絲在醫(yī)學(xué)、計算機、國防、航天等領(lǐng)域均有應(yīng)用。2002年，邵正中等發(fā)現(xiàn)家蠶絲在特定的成絲速度下，其力學(xué)性能超過蜘蛛絲，這項研究引起了科學(xué)界對蠶絲的廣泛關(guān)注。隨著家蠶轉(zhuǎn)基因技術(shù)的完善，新型蠶絲開發(fā)進(jìn)入新的時代。
[0003]力學(xué)性能測定是新型蠶絲開發(fā)的基礎(chǔ)，蠶絲橫截面積的測定則是力學(xué)性能測定的關(guān)鍵。在測量單根蠶絲橫截面積時，傳統(tǒng)的蠶絲橫截面積測量方法幾乎都把蠶絲橫截面形態(tài)假想為實心圓，先測得蠶絲的“直徑”，然后利用圓面積計算公式來計算蠶絲的橫截面積。目前測量蠶絲“直徑”的方法主要有氣流法、激光法、X-射線法、光電檢測法、掃描電鏡法，由于蠶絲由兩根橫截面近似三角形或半橢圓型的絲素、外包絲膠緊密連接構(gòu)成，其橫截面形狀呈現(xiàn)8字形或不規(guī)則形，而不是實心圓(見圖1)。所以通過測量“直徑”來計算蠶絲橫截面積的方法不能精確反應(yīng)蠶絲的橫截面積。
[0004]還有另外一些測量蠶絲橫截面積的方法，比如定長稱量法、非接觸式共振測定法、計算機視覺法、圖像處理法。其中定長稱量法得到的是很長一段蠶絲的平均橫截面積，由于蠶絲粗細(xì)不均勻、密度很難測定，所以定長稱量法不能夠精確測定單根蠶絲的橫截面積。非接觸式共振測定法能夠得到一根蠶絲的平均橫截面積，但該方法要求實驗要在完全真空的環(huán)境下進(jìn)行，并且容易受到震動、摩擦力等因素干擾，普通實驗室難以實現(xiàn)。計算機視覺法、圖像處理法、都需要先獲得蠶絲橫截面圖像，然后通過后續(xù)的圖片處理得到蠶絲的橫截面積，但是傳統(tǒng)哈氏切片法很難獲得蠶絲的垂直橫切面。另外，計算機處理圖片的過程比較繁瑣，計算機專業(yè)知識要求太高。后來，劉雁雁等(“纖維橫截面切片技術(shù)改進(jìn)”，紡織科技進(jìn)展，2006)改進(jìn)了切片前的樣品處理方法，一定程度上提高了切片效率，但是火棉膠固化時間長，并且有一定毒性，所以此方法的應(yīng)用較少。
[0005]基于上述原因，客服和解決上述方法中的局限性，開發(fā)一種簡單、有效的單根蠶絲橫截面積測量方法顯得尤為必要。簡單、有效的單根蠶絲橫截面積測量方法將為蠶絲行業(yè)的發(fā)展提供基礎(chǔ)技術(shù)支持。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種準(zhǔn)確測量單根蠶絲橫截面積的方法，該方法能夠簡單、有效的對單根蠶絲橫截面積進(jìn)行準(zhǔn)確測量。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案具體如下:
[0008]一種準(zhǔn)確測量單根蠶絲橫截面積的方法，步驟如下:
[0009](I)染色:將待測蠶絲染色后洗凈并烘干；
[0010](2)蠶絲的固定:將染色后的蠶絲固定于中空的長方形模具上，所述蠶絲與模具的一邊平行；
[0011](3)模具的垂直固定:將步驟(2)固定有蠶絲的模具按與蠶絲平行的一邊垂直插入底部平鋪有橡皮泥的包埋容器中，然后用包埋劑進(jìn)行固定；
[0012](4)包埋樣品切片；
[0013](5)制片:將步驟⑷切下的樣品固定于經(jīng)過化學(xué)處理的載物片上；
[0014](6)蠶絲橫截面圖像采集:將步驟(5)制備好的載物片浸入水中，去除樣品上的包埋劑，然后采集圖像；
[0015](7)像素法計算橫截面積:用圖像處理軟件打開步驟(6)獲取的蠶絲橫切面圖片，記錄圖片總像素A ;選取單根蠶絲橫切面區(qū)域，并記錄像素B ;再記錄圖片高G、寬D、分辨率R ;測量圖片中標(biāo)尺的實際長度，得到實物與圖片的比例尺，然后將比例尺換算成蠶絲橫切面的面積放大倍數(shù)M，最后利用橫截面積計算公式:S = BGD/AM或S = B/R2M，計算得到蠶絲橫切面的橫截面積。
[0016]優(yōu)選的，所述模具為紙質(zhì)模具。
[0017]優(yōu)選的，所述步驟(I)中所述染色用考馬斯亮藍(lán)R250染色，所述烘干在60°C條件下進(jìn)行。
[0018]優(yōu)選的，所述步驟(3)中所述包埋容器為膠囊槽。
[0019]優(yōu)選的，所述步驟(3)中所述包埋劑為OCT冷凍包埋劑。
[0020]優(yōu)選的，所述步驟(3)中所述用包埋劑進(jìn)行固定具體為加入包埋劑后放置在-80 V條件下固化包埋劑從而進(jìn)行固定。
[0021]優(yōu)選的，所述步驟(5)中所述化學(xué)處理為用APES進(jìn)行處理。
[0022]優(yōu)選的，所述步驟￠)中所述圖像采集為用普通光學(xué)顯微鏡、熒光顯微鏡或電鏡進(jìn)行米集。
[0023]本發(fā)明還提供了以上所述準(zhǔn)確測量單根蠶絲橫截面積的方法在蠶絲力學(xué)性能測試中的應(yīng)用。
[0024]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明所述測量方法不僅限于用電鏡等高精尖設(shè)備進(jìn)行圖像采集，還可以使用普通實驗室常備的普通光學(xué)顯微鏡進(jìn)行圖像采集，從而使不具備高精尖設(shè)備的普通實驗室即可完成蠶絲橫截面積的測定，方便了實驗操作，節(jié)約了實驗成本；用普通的圖像處理軟件如photoshop軟件進(jìn)行圖像處理，有利于不精通圖像處理及相關(guān)計算機知識的人處理實驗結(jié)果，從而可以大幅度節(jié)約實驗時間，更利于得到實驗成果；并且本發(fā)明能夠使得單根蠶絲可以垂直地固定在包埋劑中，從而在切片時可以獲得垂直的蠶絲橫切面，避免了因蠶絲的不垂直固定導(dǎo)致橫切面發(fā)生偏斜從而導(dǎo)致橫截面積出現(xiàn)誤差。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖:
[0026]圖1單根蠶絲垂直橫切面；
[0027]圖2蠶絲固定模具示意圖；
[0028]圖3蠶絲固定示意圖；
[0029]圖4蠶絲模具包埋示意圖；
[0030]圖5包埋樣品切片示意圖；
[0031]圖6拉伸試驗蠶絲固定示意圖。

【具體實施方式】
[0032]下面將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。實施例中未注明具體條件的實驗方法，通常按照常規(guī)條件或按照制造廠商所建議的條件。
[0033]單根蠶絲橫截面積測量方法具體如下:
[0034]模具的制備(見圖2):以紙為模具，將其裁剪為長方形，并將模具中央部分3掏空取出，在雙面膠部分2貼上雙面膠，并劃定一條直線，使該直線與長方形模具的一邊平行，空白部分I與雙面膠部分2大小一致；
[0035]染色:將待測蠶絲用考馬斯亮藍(lán)R250染色，然后洗凈并在60°C條件下烘干；
[0036]蠶絲的固定:選經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)繅絲得到的蠶絲，先將蠶絲拉直，并沿著雙面膠部分2中的水平直線將其粘在雙面膠上(圖3中a)，然后將模具兩端的空白部分I回折并與雙面膠部分2重疊(圖3中b)，再將重疊部分修剪至1.5mm，蠶絲固定完成(圖3中c);
[0037]模具的垂直固定:準(zhǔn)備一個普通塑料膠囊槽(圖4中a)，先在膠囊槽底部平鋪一層柔軟的橡皮泥(圖4中b)，然后將固定有蠶絲的模具按與蠶絲平行的一邊垂直插入橡皮泥中(圖4中c)，倒入OCT冷凍包埋劑，將膠囊槽放入_80°C冰箱中，待OCT固化后即可進(jìn)行后續(xù)試驗；
[0038]包埋樣品切片:將包埋好的樣品從膠囊槽中取出，垂直粘連在冷凍切片機樣品托上(圖5中a);在切片時，等切完上面的橡皮泥被之后，刀片總會垂直地切割蠶絲(圖5中b)；
[0039]制片:將切下的樣品固定于經(jīng)過APES處理的載物片上，所述載物片可以為載玻片;
[0040]蠶絲橫截面圖像采集:將制作好的載物片在水中浸泡5-10min，去除樣品上的包埋劑，然后取出晾干，最后將晾干的載物片放到顯微鏡下進(jìn)行油鏡觀察，選擇較好的視野進(jìn)行圖像采集，拍攝的蠶絲橫切面圖片截圖見圖1 ;
[0041]像素法計算橫截面積:用photoshop軟件打開蠶絲橫切面原始圖片，依次點擊窗口一直方圖(不使用高速緩存，即有黃色感嘆號的點擊黃色感嘆號)，記錄圖片總像素A為1920000 ;選取單根繭絲橫切面區(qū)域，并記錄像素值B為48542 ;再點擊圖像一圖像大小，記錄圖片高G為42.33厘米、寬D為56.44厘米、分辨率R為28.346像素/厘米。將圖片放大到100%，用標(biāo)尺工具測量標(biāo)尺的實際長度，得到實物與圖片的比例尺為1:4000，然后換算得到繭絲的面積放大倍數(shù)M為16000000倍。根據(jù)公式S = B⑶/AM或者S = B/R2M計算出蠶絲的橫截面積為377.513 μ m2。
[0042]單根蠶絲力學(xué)性能測試，具體方法如下:
[0043]從蠶絲纖維樣品上取5段做5個重復(fù)試驗。準(zhǔn)備拉伸試驗?zāi)＞?圖6中a)，以普通打印用A4紙為模具，將模具中央部分3挖空，在模具的雙面膠部分2貼上雙面膠，將蠶絲纖維平直地粘連在模具的雙面膠上，滴加環(huán)氧樹脂AB膠(圖6中b)固化24h，然后將模具空白部分I回折與2部分重疊(圖6中c)。最后，在島津AG-X萬能材料試驗機上進(jìn)行拉伸實驗，拉伸測試條件:標(biāo)距1mm,拉伸速度2mm/min,環(huán)境溫度24°C,相對濕度60%。通過拉伸試驗得到蠶絲纖維的載荷-位移曲線，根據(jù)前述準(zhǔn)確測量單根蠶絲橫截面積的方法測得蠶絲纖維的橫截面積，并將橫截面積換算成蠶絲纖維的等效直徑，最后利用島津AG-X萬能材料試驗機的分析軟件(TRAPEZIUMX版本1.2.6)分析得到蠶絲纖維的應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及斷裂強度、斷裂伸長率、彈性模量、韌度等常規(guī)力學(xué)性能參數(shù)。具體分析過程為:首先在軟件的再分析一試樣窗口中輸入試樣的直徑和標(biāo)距，在數(shù)據(jù)處理窗口中的最大值欄目下選擇最大應(yīng)力和最大應(yīng)變項，即試樣的斷裂強度和斷裂伸長率；在彈性模量欄目下將分析區(qū)域指定為0.01N-0.02N，得到試樣的彈性模量參數(shù)；在能量欄目下選擇全區(qū)域計算，得到試樣的斷裂能，再利用試樣的橫截面積將斷裂能換算成試樣的韌度。
[0044]最后說明的是，以上優(yōu)選實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通過上述優(yōu)選實施例已經(jīng)對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書所限定的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種準(zhǔn)確測量單根蠶絲橫截面積的方法，其特征在于，步驟如下: (1)染色:將待測蠶絲染色后洗凈并烘干； (2)蠶絲的固定:將染色后的蠶絲固定于中空的長方形模具上，所述蠶絲與模具的一邊平行； (3)模具的垂直固定:將步驟(2)固定有蠶絲的模具按與蠶絲平行的一邊垂直插入底部平鋪有橡皮泥的包埋容器中，然后用包埋劑進(jìn)行固定； (4)包埋樣品切片； (5)制片:將步驟(4)切下的樣品固定于經(jīng)過化學(xué)處理的載物片上； (6)蠶絲橫截面圖像采集:將步驟(5)制備好的載物片浸入水中，去除樣品上的包埋齊U，然后采集圖像； (7)像素法計算橫截面積:用圖像處理軟件打開步驟(6)獲取的蠶絲橫切面圖片，記錄圖片總像素A ;選取單根蠶絲橫切面區(qū)域，并記錄像素B ;再記錄圖片高G、寬D、分辨率R ;測量圖片中標(biāo)尺的實際長度，得到實物與圖片的比例尺，然后將比例尺換算成蠶絲橫切面的面積放大倍數(shù)M，最后利用橫截面積計算公式:S = BGD/AM或S = B/R2M，計算得到蠶絲橫切面的橫截面積。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量方法，其特征在于，所述模具為紙質(zhì)模具。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量方法，其特征在于，所述步驟(I)中所述染色用考馬斯亮藍(lán)R250染色，所述烘干在60°C條件下進(jìn)行。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量方法，其特征在于，所述步驟(3)中所述包埋容器為膠囊槽。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量方法，其特征在于，所述步驟(3)中所述包埋劑為OCT冷凍包埋劑。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的測量方法，其特征在于，所述步驟(3)中所述用包埋劑進(jìn)行固定具體為加入包埋劑后放置在_80°C條件下固化包埋劑從而進(jìn)行固定。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量方法，其特征在于，所述步驟(5)中所述化學(xué)處理為用APES進(jìn)行處理。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7任一項所述的測量方法，其特征在于，所述步驟(6)中所述圖像采集為用普通光學(xué)顯微鏡、熒光顯微鏡或電鏡進(jìn)行采集。
9.權(quán)利要求1-8任一項所述準(zhǔn)確測量單根蠶絲橫截面積的方法在蠶絲力學(xué)性能測試中的應(yīng)用。
【文檔編號】G01B11/28GK104330056SQ201410580091
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年10月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月23日
【發(fā)明者】劉春 , 彭章川, 夏慶友, 馬三垣 申請人:西南大學(xué)