CN114088478A - 用于悬浮光镊捕获气溶胶的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于悬浮光镊捕获气溶胶的方法和装置，首先将待悬浮光镊捕获的气溶胶样品通过超声雾化器雾化成微小液滴；液滴经减速后通过导流通道进入圆柱形腔室；打开悬浮光镊的激光器，在圆柱形腔室内形成光阱；光阱捕获圆柱形腔室内的液滴。本发明方法采用球形腔室或带有网孔的导流通道减小雾化液滴的流速，使得减速后的液滴在自身重力作用下缓慢流经圆柱形腔室内形成光阱的有效捕获区域，提高光阱捕获液滴的效率，同时借助微小型抽气泵将圆柱形腔室内残余的液滴排出，进一步提高悬浮光镊进行气溶胶特性测量的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及悬浮光镊领域和气溶胶领域，特别涉及用于悬浮光镊捕获气溶胶的方法和装置。
背景技术
气溶胶是指由固体或液体小质点分散并悬浮在气体介质中形成的胶体分散体系，不仅影响大气气候、空气质量，而且危害人体健康。相比于传统的气溶胶颗粒特性测量方法（如傅里叶变换红外光谱法、扫描电镜法、透射电镜法、原子力显微镜法等），在用悬浮光镊进行气溶胶颗粒特性测量时，表现出两方面的优势：一方面，光镊可以在空气中捕获并悬浮待测气溶胶单颗粒而无基底接触影响；另一方面，通过光镊悬浮气溶胶颗粒，可以模拟大气环境中气溶胶颗粒的真实状态而不会对待测气溶胶颗粒及所处环境产生影响。因此，悬浮光镊技术成为气溶胶领域精准测量气溶胶颗粒特性的主要研究趋势之一。
目前，在用悬浮光镊进行气溶胶颗粒特性测量时，现有的气溶胶颗粒捕获方法主要是借助雾化器将待测试的气溶胶样品雾化成液滴后，直接通过腔体的通气口喷入腔体内，用于光阱捕获。然而，由于从雾化器雾化后直接喷入腔体的气溶胶液滴流速过快，导致光阱捕获气溶胶液滴的效率低。同时，由于一次雾化后会产生大量的气溶胶液滴，而单光阱每次仅能捕获一个气溶胶液滴，导致会出现未被光阱捕获的残余液滴撞飞光阱中已捕获的气溶胶液滴的现象，使得光阱捕获气溶胶液滴的稳定性差。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提出了用于悬浮光镊捕获气溶胶的方法和装置。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
本发明实施例的第一方面提供一种用于悬浮光镊捕获气溶胶的装置，包括激光器、半波片、偏振分束棱镜、扩束装置、非偏振分束镜、高数值孔径物镜、气溶胶腔体、第一聚光镜、照明光源、反射镜、二向色镜、第二反射镜、陷波滤光片、第二聚光镜、光谱仪、第三聚光镜、电荷耦合器件CCD和超声雾化器；激光器出射捕获激光，经过半波片和偏振分束棱镜调节出射捕获激光的功率，调节功率后的激光由扩束装置扩束及非偏振分束镜分光后充满高数值孔径物镜的口径使气溶胶腔体中形成光阱，超声雾化器向气溶胶腔体中雾化液滴，光阱捕获气溶胶液滴后，气溶胶发出散射光，散射光包括瑞利散射光和拉曼散射光，照明光源发出照明光，来自气溶胶的散射光和照明光通过二向色镜分开，照明光经第一聚光镜聚光后将光阱捕获的气溶胶经第三聚光镜成像在电荷耦合器件CCD上，来自气溶胶的散射光经反射镜和陷波滤光片滤除瑞利散射光保留拉曼散射光，气溶胶的拉曼散射光经第二聚光镜聚焦到光谱仪；所述气溶胶腔体包括依次连接的第一导流通道、球形腔室、第二导流通道和圆柱形腔室或者包括依次连接的带有网孔的导流通道和圆柱形腔室。
进一步地，所述气溶胶腔体还包括微小型抽气泵；所述微小型抽气泵与圆柱形腔室连接。
进一步地，所述第一导流通道和第二导流通道的内径为与球形腔室接口直径的5-10倍，长度为球形腔室高度的2-3倍。
进一步地，所述带有网孔的导流通道的网孔直径优选为150-200um, 带有网孔的导流通道的内径尺寸为与腔室接口的直径的5-10倍，长度为圆柱形腔室的2-3倍。
进一步地，所述激光器为1064nm或532nm波长连续波输出的光纤耦合固态激光器。
进一步地，所述球形腔室和圆柱形腔室的材质为铝合金。
本发明实施例的第二方面提供了一种应用用于悬浮光镊捕获气溶胶的方法，在常压条件下捕获气溶胶，具体包括以下步骤：
（1）将待悬浮光镊捕获的气溶胶样品通过超声雾化器雾化成直径为3-8um的微小液滴；
（2）经步骤（1）得到的微小液滴通过导流通道进入球形腔室扩散减速至1-10mm/s或者通过带有网孔的导流通道减速至3-10mm/s；
（3）经减速后的液滴经过导流通道进入圆柱形腔室；
（4）打开悬浮光镊的激光器，在圆柱形腔室内形成光阱；
（5）光阱捕获圆柱形腔室内的液滴。
进一步地，经减速后的液滴在自身重力作用下缓慢流经圆柱形腔室内形成光阱的有效捕获区域。
进一步地，所述步骤还包括打开微小型抽气泵，将圆柱形腔室内残余的液滴排出。
进一步地，所述悬浮光镊形成的光阱是竖直向上的单光阱、双光阱或多光阱，水平方向的单光阱、双光阱或多光阱。
本发明的有益效果为：本发明方法采用球形腔室或带有网孔的导流通道减小雾化液滴的流速，使得液滴缓慢流经圆柱形腔室内形成光阱的有效捕获区域，提高光阱捕获液滴的效率，同时借助微小型抽气泵将圆柱形腔室内残余的液滴排出，提高光阱捕获液滴的稳定性，进一步提高悬浮光镊进行气溶胶特性测量的稳定性。本发明装置简单，方便使用者在光路中增加元器件以扩展装置的应用功能。
附图说明
图1是用于悬浮光镊捕获气溶胶的装置结构示意图；
图2为气溶胶腔体结构的第一实施例示意图；
图3为气溶胶腔体结构的第二实施例示意图；
图4为悬浮光镊捕获气溶胶的第一流程图；
图5为悬浮光镊捕获气溶胶的第二流程图；
图6为悬浮光镊捕获的氯化钠液滴气溶胶图；
图7为悬浮光镊捕获的二氧化硅气溶胶图；
图8为悬浮光镊捕获的磷酸盐液滴气溶胶图；
图中，激光器1、半波片2、偏振分束棱镜3、扩束装置4、非偏振分束镜5、高数值孔径物镜6、气溶胶腔体7、第一聚光镜8、照明光源9、第一反射镜10、第一二向色镜11、第二反射镜12、陷波滤光片13、第二聚光镜14、光谱仪15、第三聚光镜16、电荷耦合器件CCD17、超声雾化器18、第一导流通道71、球形腔室72、第二导流通道73、圆柱形腔室74、微小型抽气泵75、带有网孔的导流通道76。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本发明可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。
以下结合附图和实施例对本发明进行进一步阐述。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。
本发明公开了用于悬浮光镊捕获气溶胶的装置，如图1所示，该装置包括激光器1、半波片2、偏振分束棱镜3、扩束装置4、非偏振分束镜5、高数值孔径物镜6、气溶胶腔体7、第一聚光镜8、照明光源9、反射镜10、二向色镜11、第二反射镜12、陷波滤光片13、第二聚光镜14、光谱仪15、第三聚光镜16、电荷耦合器件CCD17、超声雾化器18；通过激光器1出射捕获激光，经过半波片2和偏振分束棱镜3调节出射捕获激光的功率，调节功率后的激光由扩束装置4扩束及非偏振分束镜5分光后充满高数值孔径物镜6的口径以便在气溶胶腔体7中形成光阱，超声雾化器18向气溶胶腔体7中雾化液滴，光阱捕获气溶胶液滴，液滴发出散射光，散射光包括瑞利散射光和拉曼散射光，来自气溶胶的散射光和用于成像的照明光通过二向色镜11分开，来自照明光源9的照明光经第一聚光镜8聚光后将光阱捕获气溶胶情况经第三聚光镜16成像在电荷耦合器件CCD17上，来自气溶胶的散射光经反射镜10和陷波滤光片13滤除瑞利散射光保留拉曼散射光，气溶胶的拉曼散射光经第二聚光镜14聚焦到光谱仪15。
进一步地，所述的用于生成悬浮光镊的激光器1优选为1064nm和532nm波长连续波输出的光纤耦合固态激光器，
如图2所示，本发明提出了气溶胶腔体结构7的第一实施例，所述气溶胶腔体7包括依次连接的第一导流通道71、球形腔室72、第二导流通道73和圆柱形腔室74。
如图3所示，本发明提出了气溶胶腔体结构7的第二实施例，所述气溶胶腔体7包括依次连接的带有网孔的导流通道76和圆柱形腔室74。
进一步地，所述气溶胶腔体结构7还包括微小型抽气泵75；所述微小型抽气泵75与圆柱形腔室74连接。
进一步地，所述的球形腔室72和圆柱形腔室74的材质优选为铝合金。
本发明提出了用于悬浮光镊捕获气溶胶的方法，流程图如图4所示，气溶胶捕获步骤如下：
（1）将待悬浮光镊捕获的气溶胶样品通过超声雾化器18雾化成直径为3-8um的微小液滴；
（2）液滴通过第一导流通道71进入球形腔室72；
（3）经球形腔室72扩散减速后的液滴经过第二导流通道73进入圆柱形腔室74；
（4）打开悬浮光镊的激光器1，在圆柱形腔室74内形成光阱；
（5）光阱捕获圆柱形腔室内74的液滴；
（6）打开微小型抽气泵75，将圆柱形腔室74内残余的液滴排出圆柱形腔室。
进一步地，所述的导流通道的内径尺寸优选为是与腔室接口的尺寸的5-10倍，长度优选为腔室高度的2-3倍。所述的经球形腔室扩散减速后的液滴在自身重力作用下缓慢流经圆柱形腔室内形成光阱的有效捕获区域。所述的使用微小型抽气泵可以将圆柱形腔室内残余的液滴排出圆柱形腔室。所述悬浮光镊形成的光阱可以是竖直向上的单光阱、双光阱或多光阱，水平方向的单光阱、双光阱或多光阱。所述的悬浮光镊捕获气溶胶步骤及后续的气溶胶特性测量实验是在常压条件下进行的。
本发明提出了一种基于流速控制的悬浮光镊捕获气溶胶的方法，流程图如图5所示，气溶胶捕获步骤如下：
（1）将待悬浮光镊捕获的气溶胶样品通过超声雾化器18雾化成直径为3-8um的微小液滴；
（2）雾化后的液滴通过带有网孔的导流通道76，以减小液滴的流速；
（3）经减速后的液滴进入圆柱形腔室72，用于悬浮光镊捕获；
（4）打开悬浮光镊的激光器1，在圆柱形腔室72内形成光阱；
（5）光阱捕获圆柱形腔室内72的液滴；
（6）打开微小型抽气泵75，将圆柱形腔室72内残余的液滴排出圆柱形腔室。
进一步地，所述的导流通道内的网孔尺寸优选为5um,导流通道的内径尺寸优选为是与腔室接口的尺寸的5-10倍，长度优选为腔室高度的2-3倍。所述的经带有网孔的导流通道减速后的液滴在自身重力作用下缓慢流经圆柱形腔室内形成光阱的有效捕获区域。所述的使用微小型抽气泵可以将圆柱形腔室内残余的液滴排出圆柱形腔室。所述悬浮光镊形成的光阱可以是竖直向上的单光阱、双光阱或多光阱，水平方向的单光阱、双光阱或多光阱。所述的悬浮光镊捕获气溶胶步骤及后续的气溶胶特性测量实验是在常压条件下进行的。
实施例1
本实施例1以悬浮光镊捕获氯化钠液滴气溶胶为例。
激光器1采用532nm光纤耦合固态激光器，实施过程中激光器输出的激光功率连续可调，即形成三维光阱的光功率可根据捕获不同直径氯化钠液滴气溶胶的需求连续可调。
超声雾化器雾化的氯化钠液滴直径为6um。
光阱捕获功率为30-50mW。
微小型抽气泵选用FLEXTAILGEAR的TINY PUMP/X，其尺寸为4.3cm *4.3cm *5.3cm，排量为180L/min，功率为13.5W。
气溶胶腔体7的材质为铝合金，第一导流通道71和第二导流通道73的内径为5cm，长度为15cm，球形腔体72和圆柱形腔体74的高度均为7cm，圆柱形腔体74的直径为5cm，导流通道71、73与腔体72、74的接口内径为1cm，微小型抽气泵与圆柱形腔室的接口内径为5mm。
氯化钠液滴气溶胶属于海盐气溶胶类别。
本发明的氯化钠液滴气溶胶捕获方法具体包括如下步骤：
（1）将待悬浮光镊捕获的氯化钠液滴气溶胶样品通过超声雾化器18雾化成直径为6um的微小液滴；
（2）雾化后的氯化钠液滴通过第一导流通道71进入球形腔室72，以减小氯化钠液滴的流速；
（3）经球形腔室72扩散减速后的液滴经过第二导流通道73进入圆柱形腔室74，用于悬浮光镊捕获；
（4）打开悬浮光镊的激光器1，在圆柱形腔室74内形成光阱；
（5）光阱捕获圆柱形腔室74内的氯化钠液滴；
（6）打开微小型抽气泵75，将圆柱形腔室74内残余的氯化钠液滴排出圆柱形腔室74以避免出现残余的氯化钠液滴将光阱中捕获的氯化钠液滴撞飞现象。光阱捕获的氯化钠液滴如图6所示。
实施例2
本实施例2以悬浮光镊捕获直径为1um的二氧化硅气溶胶为例。
激光器1采用532nm光纤耦合固态激光器，实施过程中激光器输出的激光功率连续可调，即形成三维光阱的光功率可根据捕获不同直径二氧化硅气溶胶的需求连续可调。
超声雾化器雾化的二氧化硅气溶胶液滴直径为6um。
光阱捕获功率为30-50mW。
微小型抽气泵选用FLEXTAILGEAR的TINY PUMP/X，其尺寸为4.3cm *4.3cm *5.3cm，排量为180L/min，功率为13.5W。
气溶胶腔体7的材质为铝合金，带有网孔的导流通道76的网孔直径为200um，导流通道的内径为5cm，长度为15cm，圆柱形腔体74的高度为7cm、直径为5cm，导流通道76与圆柱形腔体74的接口内径为1cm。
本发明的直径为1um的二氧化硅气溶胶捕获方法具体包括如下步骤：
（1）将待悬浮光镊捕获的1um直径的二氧化硅气溶胶样品通过超声雾化器18雾化成直径为6um的微小液滴；
（2）雾化后的二氧化硅液滴通过带有网孔的导流通道76，以减小二氧化硅液滴的流速；
（3）经减速后的二氧化硅液滴进入圆柱形腔室74，用于悬浮光镊捕获；
（4）打开悬浮光镊的激光器1，在圆柱形腔室74内形成光阱；
（5）光阱捕获圆柱形腔室74内的二氧化硅液滴；
（6）打开微小型抽气泵75，将圆柱形腔室74内残余的二氧化硅液滴排出圆柱形腔室74以避免出现残余的二氧化硅液滴将光阱中捕获的二氧化硅液滴撞飞现象。此时，光阱捕获的二氧化硅气溶胶如图7所示。
实施例3
本实施例以悬浮光镊捕获磷酸盐液滴气溶胶为例。
激光器1采用532nm光纤耦合固态激光器，实施过程中激光器输出的激光功率连续可调，即形成三维光阱的光功率可根据捕获不同直径磷酸盐气溶胶的需求连续可调。
超声雾化器雾化的磷酸盐气溶胶液滴直径为6um。
光阱捕获功率为30-50mW。
微小型抽气泵选用FLEXTAILGEAR的TINY PUMP/X，其尺寸为4.3cm *4.3cm *5.3cm，排量为180L/min，功率为13.5W。
气溶胶腔体7的材质为铝合金，带有网孔的导流通道76的网孔直径为5um，导流通道的内径为5cm，长度为15cm，圆柱形腔体74的高度为7cm、直径为5cm，导流通道76与圆柱形腔体74的接口内径为1cm，微小型抽气泵与圆柱形腔室的接口内径为5mm。
本发明的磷酸盐液滴气溶胶捕获方法具体包括如下步骤：
（1）将待悬浮光镊捕获的磷酸盐液滴气溶胶样品通过超声雾化器18雾化成直径为6um的微小液滴；
（2）雾化后的磷酸盐液滴通过带有网孔的导流通道76，以减小磷酸盐液滴的流速；
（3）经减速后的磷酸盐液滴进入圆柱形腔室74，用于悬浮光镊捕获；
（4）打开悬浮光镊的激光器1，在圆柱形腔室74内形成光阱；
（5）光阱捕获圆柱形腔室74内的磷酸盐液滴；
（6）打开微小型抽气泵75，将圆柱形腔室74内残余的磷酸盐液滴排出圆柱形腔室74以避免出现残余的磷酸盐液滴将光阱中捕获的磷酸盐液滴撞飞现象。此时，光阱捕获的磷酸盐液滴气溶胶如图8所示。
最后所应说明的是，以上实施例和阐述仅用以说明本发明的技术方案而非进行限制。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，不脱离本发明技术方案公开的精神和范围的，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之中。
Claims (10)
1.一种用于悬浮光镊捕获气溶胶的装置，其特征在于，包括激光器（1）、半波片（2）、偏振分束棱镜（3）、扩束装置（4）、非偏振分束镜（5）、高数值孔径物镜（6）、气溶胶腔体（7）、第一聚光镜（8）、照明光源（9）、反射镜（10）、二向色镜（11）、第二反射镜（12）、陷波滤光片（13）、第二聚光镜（14）、光谱仪（15）、第三聚光镜（16）、电荷耦合器件CCD（17）和超声雾化器（18）；激光器（1）出射捕获激光，经过半波片（2）和偏振分束棱镜（3）调节出射捕获激光的功率，调节功率后的激光由扩束装置（4）扩束及非偏振分束镜（5）分光后充满高数值孔径物镜（6）的口径使气溶胶腔体（7）中形成光阱，超声雾化器（18）向气溶胶腔体（7）中雾化液滴，光阱捕获气溶胶液滴后，气溶胶发出散射光，散射光包括瑞利散射光和拉曼散射光，照明光源（9）发出照明光，来自气溶胶的散射光和照明光通过二向色镜（11）分开，照明光经第一聚光镜（8）聚光后将光阱捕获的气溶胶经第三聚光镜（16）成像在电荷耦合器件CCD（17）上，来自气溶胶的散射光经反射镜（10）和陷波滤光片（13）滤除瑞利散射光保留拉曼散射光，气溶胶的拉曼散射光经第二聚光镜（14）聚焦到光谱仪（15）；所述气溶胶腔体（7）包括依次连接的第一导流通道（71）、球形腔室（72）、第二导流通道（73）和圆柱形腔室（74）或者包括依次连接的带有网孔的导流通道（76）和圆柱形腔室（74）。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述气溶胶腔体（7）还包括微小型抽气泵（75）；所述微小型抽气泵（75）与圆柱形腔室（74）连接。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一导流通道（71）和第二导流通道（73）的内径为与球形腔室（72）接口直径的5-10倍，长度为球形腔室（72）高度的2-3倍。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述带有网孔的导流通道（76）的网孔直径为150-200um, 带有网孔的导流通道（76）的内径尺寸为与腔室接口的直径的5-10倍，长度为圆柱形腔室（74）的2-3倍。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光器（1）为1064nm或532nm波长连续波输出的光纤耦合固态激光器。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述球形腔室（72）和圆柱形腔室（74）的材质为铝合金。
7.一种用于悬浮光镊捕获气溶胶的方法，应用于权利要求1-6任一项所述用于悬浮光镊捕获气溶胶的装置，其特征在于，在常压条件下捕获气溶胶，具体包括以下步骤：
（1）将待悬浮光镊捕获的气溶胶样品通过超声雾化器雾化成直径为3-8um的微小液滴；
（2）经步骤（1）得到的微小液滴通过导流通道进入球形腔室扩散减速至1-10mm/s或者通过带有网孔的导流通道减速至3-10mm/s；
（3）经减速后的液滴经过导流通道进入圆柱形腔室；
（4）打开悬浮光镊的激光器，在圆柱形腔室内形成光阱；
（5）光阱捕获圆柱形腔室内的液滴。
8.根据权利要求7所述的用于悬浮光镊捕获气溶胶的方法，其特征在于，经减速后的液滴在自身重力作用下缓慢流经圆柱形腔室内形成光阱的有效捕获区域。
9.根据权利要求7所述的用于悬浮光镊捕获气溶胶的方法，其特征在于，所述步骤还包括打开微小型抽气泵，将圆柱形腔室内残余的液滴排出。
10.根据权利要求7所述的用于悬浮光镊捕获气溶胶的方法，其特征在于，所述悬浮光镊形成的光阱是竖直向上的单光阱、双光阱或多光阱，水平方向的单光阱、双光阱或多光阱。
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