CN112730334A - 基于电偶极旋转散射光探测的纳米微粒识别装置和方法 - Google Patents

基于电偶极旋转散射光探测的纳米微粒识别装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于电偶极旋转散射光探测的纳米微粒识别装置和方法，依据纳米微粒的散射模型，通过微粒悬浮操控和散射光探测分离的方法，实现光阱中的微粒形态的原位探测。具体为利用两束线偏振激光，第一束激光悬浮纳米微粒，并通过偏振方向调节旋转纳米微粒；第二束线偏振光偏振方向不变，激发特定偶极方向散射光；通过监测固定位置处第二束激光激发的散射光光强的变化推知纳米微粒极化率的变化，进而实现粒子形态识别。本发明的方法可以为真空光镊领域纳米微粒的原位结构如单球、双球等判定提供高效解决方案；同时对于生物化学以及材料应用领域中的纳米微粒标定提供辅助方法。

Description

基于电偶极旋转散射光探测的纳米微粒识别装置和方法
技术领域
本发明涉及材料检测、真空光镊技术领域，具体涉及一种基于电偶极旋转散射光探测的纳米微粒识别装置和方法。
背景技术
光镊技术自上世纪七十年代由阿瑟·阿什金开创以来，作为捕获和操纵中性粒子的通用工具，已在分子生物学、纳米技术和实验物理学等领域得到广泛研究和应用。光镊技术通过激光束悬浮微粒可以简谐振子模型理解，相比传统的振子模型，光镊技术无接触机械耗散；进一步地，与液体或空气介质中的光镊系统不同，在真空中运作的光镊系统可实现悬浮单元与环境的完全隔离。基于上述优势，真空光镊技术在基础物理学如热力学、量子物理和传感领域应用物理学领域科学家对真空光镊开展了大量研究。
当前基于真空光阱技术的精密传感、基础物理研究采用的敏感单元多为单个纳米微粒。真空光阱中纳米的微粒投送的常规步骤为：微粒悬浮液雾化喷雾到光阱区域，激光形成的光阱随机捕获进入其中的雾化液滴。因此捕获粒子的数量具有很大的随机性，在应用前的关键一步就是鉴别捕获的纳米微粒是否为单个粒子。由于纳米微粒尺寸小，直接的纳米微粒成像方式都是基于电子束扫描或者原子力显微镜的，但是现有的这些扫描技术与光阱平台是不兼容放入。工作人员实际采用的方案是:将光阱真空度到10mbar附近，通过微粒在光阱中的位移信号探测，测量其在光阱中的阻尼率、谐振频率，进而根据热力学相关公式推算粒子的尺寸来判断纳米微粒是否满足要求。从效率上来说，由于现有的粒子投送手段多是室压下的，这种真空下测量的手段需要频繁的真空化与恢复耗时；从参数测量上来说，这种方法的测量精度依赖于空气分子半径、真空度、光阱束腰尺寸的精确测量。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种基于电偶极旋转散射光探测的纳米微粒识别装置和方法，具体技术方案如下：
一种基于电偶极旋转的散射光探测识别纳米微粒的装置，该装置包括第一激光器、第二激光器、偏振调节器、平面镜、合束器、真空腔、物镜、光电探测器、物镜、滤波片；
所述第一激光器出射捕获激光，经过所述偏振调节器后进入合束器；所述第二激光器出射探测激光，经过所述平面镜反射后也进入所述合束器，捕获激光和探测激光经过所述合束器合束后进入位于所述真空腔内部的物镜，由所述物镜汇聚形成光阱捕获纳米微粒；所述纳米微粒光照后的散射光经滤波片滤除激光器第一激光器引发的散射光，仅收集第二激光器激发的散射光，经过透镜组汇聚后被光电探测器探测。
进一步地，所述第一激光器的功率与第二激光器的功率的比值大于10。
进一步地，所述偏振调节器优选二分之一玻片，且通过调节二分之一玻片调节所述捕获激光的偏振方向。
一种基于电偶极旋转的散射光探测识别纳米微粒的方法，该方法具体包括如下步骤：
(1)捕获激光和探测激光汇聚后照射进入真空腔内，形成光阱，悬浮待测目标纳米微粒；
(2)调节所述捕获激光的偏振方向，使纳米微粒在光阱中旋转，所述纳米微粒光照后的散射光经过滤除捕获激光后，在固定位置处收集所述探测激光激发的散射光光强变化；
(3)根据纳米微粒散射模型和系统的光学传输效率，若改变偏振方向，微粒的散射光强度变化率的误差不超过10％，则认定微粒为单球形，通过瑞利散射模型计算微粒的有效直径；若改变偏振方向，微粒散射光具有涨落超过10％的散射光强度变化，则微粒为非球形，根据散射光涨落变化的周期特性反演微粒的形貌和尺寸；
所述捕获激光与探测激光的光强之比不小于10。
进一步地，当被测纳米微粒为二氧化硅微粒时，第一激光器波长为1064nm，第二激光器波长为532nm。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明提供的纳米微粒识别方法，在室压下即可实现，相对于真空光阱技术而言，该方法可以实现捕获粒子的即时探测，避免了抽真空和真空度探测以及微粒位移信号处理，可以简化微粒识别检测所需的步骤、节约时间，降低装置的复杂性，有利于该技术的实用化推广应用。
(2)在现有的技术中，捕获光通常是红外波段，波长长，肉眼不可见，本发明采用的微粒捕获和散射光探测波段分离方法为微粒的检测提供了更多波长选择，根据散射模型，微粒散射光强随着入射光波长的减小而变大，通过选用波长更短的探测光可以提高散射光强度，进而提高分辨率，实现可见光波段的散射光观测。
(3)在纳米微粒研制产业而言，本发明相较于SEM\AFM等提供了一种低成本的纳米微粒团聚检测方法。
附图说明
图1为本发明的纳米微粒识别装置的示意图；
图2为本发明的纳米微粒识别方法的流程图；
图3为本发明的纳米微粒识别方法的原理图；
图4为本发明的纳米微粒识别方法的中参数示意图。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以二氧化硅纳米微粒的识别为例说明。如图1所示，本发明的基于电偶极旋转散射光探测的纳米微粒识别装置包括第一激光器1、第二激光器2、二分之一玻片3、平面镜4、合束器5、真空腔6、物镜7、纳米微粒8、光电探测器9、物镜10、滤波片11。
其中，第一激光器1出射1064nm的捕获激光，经过二分之一玻片3后进入合束器5，第二激光器2出射532nm探测激光，经过平面镜4后，与第一激光器1出射的激光由合束器5合束，合束光进入真空腔6，由位于真空腔6中的物镜7汇聚形成光阱，捕获纳米微粒8，纳米微粒8光照后的散射光经滤波片11滤除激光器1引发的1064nm散射光，仅收集532nm激光激发的散射光，经过透镜组10汇聚后被光电探测器9探测。
二分之一玻片3也可以替换为其他的起到偏振调节作用的光学元器件。
第一激光器1的功率远大于第二激光器2的功率(优选超过10倍)。
如图2所示，本发明的纳米微粒识别方法具体包括如下步骤：
步骤一：1064nm的捕获激光和532nm的探测激光汇聚后照射进入真空腔内，形成光阱，悬浮待测目标纳米微粒；
步骤二：调节所述捕获激光的偏振方向，使纳米微粒在光阱中旋转，所述纳米微粒光照后的散射光经过滤除1064nm的捕获激光后，在固定位置处收集所述探测激光激发的散射光光强变化；
步骤三：根据纳米微粒散射模型和系统的光学传输效率，计算单个纳米微粒在固定探测位置处的光强；
1.当计算的光强与实际探测到的散射光光强误差不超过10％时，且旋转捕获激光的偏振方向，微粒的散射光强度变化率的误差不超过10％时，则认定该纳米微粒为单个纳米小球，通过瑞利散射模型计算微粒的有效直径；
2.当计算的光强与实际探测到的散射光光强误差超过10％时，且旋转捕获激光的偏振方向，
(1)散射光光强随入射偏振角度以180度为周期周期性变化，且当散射光光强值介于单个微粒散射光强度的2倍到8倍之间，则认定纳米微粒为双球；
(2)散射光光强随入射偏振角度周期性变化，且周期不等于180度或者散射光强值大于单球散射光强度的8倍时，则认定为多球。例如，当周期为120度且散射光光强介于单球散射光强度的2～9倍之间，认定为3球。
如图3所示，本发明的纳米微粒识别方法的原理如下：
因捕获激光的光强远大于探测激光的光强，微粒的动力学运动主要受第一激光器1影响，而第二激光器2的影响可以忽略。第一激光器1形成的光阱12的线偏振方向14的旋转带动微粒偶极轴旋转，第二激光器2偏振方向不变，激发特定偶极方向的散射光；则微粒对第二激光器2的光散射随着其相对偏振方向的改变而改变，通过理论可以反演微粒构型。
下面给出一个具体的实施例对本发明的方法予以说明。
设二氧化硅微粒球径为40nm，远小于激光波长，纳米微粒散射模型选用瑞利模型分析，则散射光随散射角θ变化表示为：
Figure BDA0002852993440000041
其中，λ0为系统的光学传输效率，I0为入射自然光强度，α为电极化率，λ为激发激光的波长，R为观察点离纳米微粒的距离，θ为探测器与纳米隔离连线与光阱中偏振面的法线构成的散射角，如图4所示。该公式中，λ0、I0、R、θ都是固定的，通过测量散射光强度Iθ的变化得到电极化率α的变化。电极化率α是微粒在光阱中激发电偶极矩与电场的系数：
Figure BDA0002852993440000042
其大小与微粒形状、尺寸、介电性质相关，在体积、介电性质一定的情况下，通过散射光随粒子旋转的变化，可以得到其外形信息，结合纳米微粒粒径信息，可以推知光阱中微粒个数和构型。具体的规律如步骤三所示。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于电偶极旋转的散射光探测识别纳米微粒的装置，其特征在于，该装置包括第一激光器(1)、第二激光器(2)、偏振调节器(3)、平面镜(4)、合束器(5)、真空腔(6)、物镜(7)、光电探测器(9)、物镜(10)、滤波片(11)；
所述第一激光器(1)出射捕获激光，经过所述偏振调节器(3)后进入合束器(5)；所述第二激光器(2)出射探测激光，经过所述平面镜(4)反射后也进入所述合束器(5)，捕获激光和探测激光经过所述合束器(5)合束后进入位于所述真空腔(6)内部的物镜(7)，由所述物镜(7)汇聚形成光阱捕获纳米微粒(8)；所述纳米微粒(8)光照后的散射光经滤波片(11)滤除激光器第一激光器(1)引发的散射光，仅收集第二激光器(2)激发的散射光，经过透镜组(10)汇聚后被光电探测器(9)探测。
2.根据权利要求1所述的基于电偶极旋转的散射光探测识别纳米微粒的装置，其特征在于，所述第一激光器(1)的功率与第二激光器(2)的功率的比值大于10。
3.根据权利要求1所述的基于电偶极旋转的散射光探测识别纳米微粒的装置，其特征在于，所述偏振调节器(3)优选二分之一玻片，且通过调节二分之一玻片调节所述捕获激光的偏振方向。
4.一种基于电偶极旋转的散射光探测识别纳米微粒的方法，其特征在于，该方法具体包括如下步骤：
(1)捕获激光和探测激光汇聚后照射进入真空腔内，形成光阱，悬浮待测目标纳米微粒；
(2)调节所述捕获激光的偏振方向，使纳米微粒在光阱中旋转，所述纳米微粒光照后的散射光经过滤除捕获激光后，在固定位置处收集所述探测激光激发的散射光光强变化；
(3)根据纳米微粒散射模型和系统的光学传输效率，若改变偏振方向，微粒的散射光强度变化率的误差不超过10％，则认定微粒为单球形，通过瑞利散射模型计算微粒的有效直径；若改变偏振方向，微粒散射光具有涨落超过10％的散射光强度变化，则微粒为非球形，根据散射光涨落变化的周期特性反演微粒的形貌和尺寸。
所述捕获激光与探测激光的光强之比不小于10。
5.根据权利要求4所述的基于电偶极旋转的散射光探测识别纳米微粒的方法，其特征在于，当被测纳米微粒为二氧化硅微粒时，第一激光器波长为1064nm，第二激光器波长为532nm。
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