CN114509311B - 一种悬浮光镊高效捕获气溶胶的装置及其应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种悬浮光镊高效捕获气溶胶的装置及其应用方法。一种悬浮光镊高效捕获气溶胶的装置，包括超声雾化器、气溶胶腔室、悬浮光镊单元和光谱仪；超声雾化器用于向气溶胶腔室内喷射待捕获的气溶胶，悬浮光镊单元用于在气溶胶腔室内形成光阱来捕获气溶胶液滴；所述的气溶胶腔室设计通过仿真分析不同入射角度、不同初始流速下气溶胶在腔体内的流速分布得到，使气溶胶液滴按照设计方向流经光阱的有效捕获区域。本发明装置及其应用方法通过仿真分析结果设计有效的气溶胶腔室，可实现气溶胶以最佳方向流经气溶胶腔室内形成光阱的有效捕获区域，从而可实现气溶胶的高效捕获。基于该高效捕获气溶胶装置开展的应用研究，可实现气溶胶的特性测量。
Description
技术领域
本发明涉及悬浮光镊领域、大气科学和环境科学领域，特别涉及一种悬浮光镊高效捕获气溶胶的装置及其应用方法。
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，存在气溶胶的捕获效率低难题。这是因为相比在液体如水中捕获气溶胶，在空气中捕获会更难，主要是以下三方面原因：首先，空气中可实现的物镜的最大数值孔径（NA大约为1）明显小于水中（NA大约为1.33），导致形成的光阱力小于水中；其次，空气中颗粒更快的布朗运动（由于空气的粘度比水的粘度低）增加了光阱中被困气溶胶的逃逸概率；第三，玻璃与空气的折射率不匹配不仅会降低光学分辨率，也会使光阱的捕获能力下降。因此，需要探索一种新型气溶胶捕获装置，使得气溶胶能够按照固定路径流经光阱的有效捕获区域，实现气溶胶的高效捕获，从而提高气溶胶的捕获效率。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种悬浮光镊高效捕获气溶胶的装置及其应用方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种悬浮光镊高效捕获气溶胶的装置，包括超声雾化器、气溶胶腔室、悬浮光镊单元和光谱仪；
超声雾化器用于向气溶胶腔室内喷射待捕获的气溶胶；
悬浮光镊单元用于在气溶胶腔室内形成光阱来捕获气溶胶液滴；
所述的气溶胶腔室设计通过仿真分析不同入射角度、不同初始流速下气溶胶在腔体内的流速分布得到，使气溶胶液滴按照设计方向流经光阱的有效捕获区域。
所述的仿真分析采用ansys fluent软件。
所述的气溶胶腔室内相对湿度、温度或者气体的其中一种或者多种类别可调。
所述的超声雾化器，喷雾能力为0.2ml-1ml每分钟。
所述的光谱仪，用于收集来自气溶胶液滴的拉曼光谱信号从而实现气溶胶液滴的特性测量。
所述的光谱仪采用锁相放大探测方案。
所述的光谱仪带有电子倍增CCD（EMCCD）。
所述的悬浮光镊单元包括高数值孔径物镜，是水浸物镜、油浸物镜或者干燥物镜中的一种。
一种所述的装置的应用方法，步骤如下：
1）利用流体仿真软件仿真分析不同入射角度条件下气溶胶在腔体内的流速分布；
2）根据仿真结果设计并加工气溶胶腔室；
3）将待悬浮光镊单元捕获的气溶胶样品通过超声雾化器雾化成微小液滴；
4）气溶胶液滴喷入气溶胶腔室；
5）打开悬浮光镊单元的激光器，在气溶胶腔室内形成光阱并捕获气溶胶液滴；
6）采用锁相放大探测方案，将不同捕获时间及不同积分时间条件下的液滴的拉曼光谱信号收集到光谱仪进行分析。
本发明的有益效果为：本发明方法通过仿真分析设计有效的气溶胶腔室，可实现液滴以固定方向流经气溶胶腔室内形成光阱的有效捕获区域，从而可实现气溶胶的高效稳定捕获。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为一种悬浮光镊高效捕获气溶胶的装置结构示意图；
图中，超声雾化器1、气溶胶腔室2、悬浮光镊单元3和光谱仪4。
图2为ansys fluent软件仿真的气溶胶在腔体内的流速分布示意图。
图3为悬浮光镊高效捕获气溶胶的流程图。
图4为悬浮光镊捕获的氯化钾液滴图。
图5为氯化钾液滴在不同捕获时间条件下的拉曼光谱信号。
图6为悬浮光镊捕获的氯化钠液滴图。
图7为氯化钠液滴在不同积分时间条件下的拉曼光谱信号。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步阐述。
本发明公开了一种悬浮光镊高效捕获气溶胶的装置，如图1所示，该装置包括超声雾化器1、气溶胶腔室2、悬浮光镊单元3和光谱仪4；通过超声雾化器1向气溶胶腔室2内喷射待捕获的气溶胶，打开悬浮光镊单元3的激光器，在气溶胶腔室2内形成光阱，光阱捕获一个气溶胶液滴，来自气溶胶液滴的拉曼光谱信号收集到光谱仪4实现气溶胶液滴的特性测量。
所述的气溶胶腔室2设计通过仿真分析不同入射角度条件下气溶胶在腔体内的流速分布得到，仿真的目的是通过仿真确认合适的入射角度，使气溶胶液滴按照设计方向流经光阱的有效捕获区域，提高光阱捕获气溶胶的效率。
进一步地，所述的仿真采用ansys fluent软件，其可有助于快速仿真出不同条件如不同入射角度、不同初始流速条件下气溶胶在腔体内的流速分布。
进一步地，所述的气溶胶腔室2内相对湿度、温度或者气体的其中一种或者多种类别可调，通过调整气溶胶腔室的环境湿度可以实现气溶胶的吸湿和挥发特性研究，当气溶胶腔室的环境湿度较高时，气溶胶从环境中吸收水分，其粒径会变大，相应的理化特性也会发生变化，当气溶胶腔室的环境湿度较低时，气溶胶向环境中释放水分，其粒径会变小，相应的理化特性也会发生变化。通过调整气溶胶腔室的温度，气溶胶的粒径会发生变化，如当温度升高时，气溶胶会挥发水分，其粒径发生变化，相应的理化特性也会发生变化。通过调整气溶胶腔室的气体，可以研究气溶胶与气体发生的化学反应所引起的特性变化。通过调整气溶胶腔室的相对湿度、温度或气体，可以模拟气溶胶在大气环境中的真实存在状态，有助于分析气溶胶的形成机理，进一步为气候调节、大气环境污染治理和人类健康危害预防措施制定提供新型分析研究手段和重要科学依据。
进一步地，所述的超声雾化器1，喷雾能力为0.2ml-1ml每分钟，结合ansys fluent软件的仿真结果，该气溶胶喷雾流速范围内，气溶胶的捕获效率最高。
进一步地，所述的光谱仪4，用于收集来自气溶胶液滴的拉曼光谱信号从而实现气溶胶液滴的特性测量。
所述的光谱仪采用锁相放大探测方案，为了实现光谱仪4对气溶胶液滴拉曼光谱信号的高分辨率探测。
进一步地，所述的光谱仪带有电子倍增CCD（EMCCD），EMCCD是在 CCD 原本的结构基础上增加了增益寄存器，可以使光生电荷的数量被放大上千倍，从而可以显著提高CCD的感光灵敏度。
进一步地，所述的悬浮光镊单元3是由高数值孔径物镜组成的，可以是水浸物镜、油浸物镜或者干燥物镜中的一种。高数值孔径物镜可以提高光阱对气溶胶液滴的捕获力。
本发明公开了所述的装置的应用方法，流程图如图3所示，步骤如下：
（1）利用流体仿真软件仿真分析不同入射角度条件下气溶胶在腔体内的流速分布；
（2）根据仿真结果设计并加工气溶胶腔室2；
（3）将待悬浮光镊单元捕获的气溶胶样品通过超声雾化器1雾化成微小液滴；
（4）液滴喷入加工好的气溶胶腔室2；
（5）打开悬浮光镊单元3的激光器，在气溶胶腔室2内形成光阱并捕获液滴；
（6）采用锁相放大探测方案，将不同捕获时间及不同积分时间条件下的液滴的拉曼光谱信号收集到光谱仪4进行分析。
进一步地，所述的基于光谱仪的气溶胶液滴的拉曼光谱信号探测为可以实现光谱仪对气溶胶液滴拉曼光谱信号的高分辨率探测的锁相放大探测方案。锁相放大探测方案的制定是通过分析悬浮光镊捕获气溶胶液滴的拉曼光谱信号的噪声谱，研究悬浮光镊进行气溶胶液滴拉曼光谱信号探测的噪声机理，从而提出能根据气溶胶液滴的基本特征（如尺寸、性质、成分等）自适应调节的锁相放大探测方案。
实施例1
本实施例以悬浮光镊捕获氯化钾液滴气溶胶为例。
超声雾化器的品牌为鱼跃M105，雾化的氯化钾气溶胶液滴直径为5um。
气溶胶腔室的形状为圆柱形。
形成光阱的激光器波长为532nm，激光器的输出功率为100mW，光阱位置处的激光功率大约为30mW。
光谱仪的品牌为Andor Shamrock 750。
如图3所示，本发明的直径为5um的氯化钾气溶胶液滴的捕获方法具体包括如下步骤：
（1）利用流体仿真软件ansys fluent仿真分析0°、30°、45°和60°入射角度、0.3毫升/分钟初始流速条件下气溶胶在圆柱形腔体内的流速分布，仿真结果如图2所示；
（2）根据仿真结果设计并加工气溶胶腔室2；
由于悬浮光镊单元3在气溶胶腔室2内形成的光阱位于距离气溶胶腔室2底部40um处，所以为了光阱更高效的捕获一个氯化钾液滴气溶胶，氯化钾液滴气溶胶流应该以最为靠近光阱有效捕获区域的路径流过光阱有效捕获区域为最佳。由图2的仿真结果可以看出，30°入射角度条件下，氯化钾液滴气溶胶流的路径最佳，所以将根据气溶胶腔室的入射口与气溶胶腔室呈30°角来设计并加工气溶胶腔室2。
（3）将待悬浮光镊捕获的氯化钾液滴气溶胶样品通过超声雾化器1鱼跃M105雾化成微小液滴；
（4）氯化钾液滴气溶胶喷入加工好的气溶胶腔室2；
（5）打开悬浮光镊单元3的激光器，在气溶胶腔室2内形成光阱并捕获氯化钾液滴气溶胶，如图4所示；
（6）将不同捕获时间条件下的氯化钾液滴气溶胶的拉曼光谱信号收集到光谱仪4，氯化钾液滴气溶胶的拉曼光谱信号如图5所示。从图5可以看出，悬浮光镊捕获氯化钾液滴气溶胶的稳定性很好，因为随着捕获时间的延长，光谱仪4仍能探测得到氯化钾液滴气溶胶的拉曼光谱信号，说明氯化钾液滴气溶胶仍然在光阱的中心，表明光阱的捕获效果很好，同时，说明基于锁相放大探测方案的气溶胶拉曼光谱信号探测效果显著。此外，随着捕获时间的延长，氯化钾液滴气溶胶拉曼光谱信号的特征峰数量一直保持为4个，说明氯化钾液滴气溶胶的成分没有发生变化，虽然氯化钾液滴气溶胶的特征峰位置有微小的偏移，这是由于随着捕获时间的延长，氯化钾液滴气溶胶的溶剂水有部分挥发导致的。由此表明基于悬浮光镊的气溶胶捕获效率高捕获稳定性好，基于该悬浮光镊的气溶胶应用可以有助于分析气溶胶的特性信息，从而为气候调节、大气环境污染治理和人类健康危害预防措施制定提供新型分析研究手段和重要科学依据。
实施例2
本实施例以悬浮光镊捕获氯化钠液滴气溶胶为例。
超声雾化器的品牌为鱼跃M105，雾化的氯化钠气溶胶液滴直径为5um。
气溶胶腔室的形状为圆柱形。
形成光阱的激光器波长为532nm，激光器的输出功率为100mW，光阱位置处的激光功率大约为30mW。
光谱仪的品牌为Andor Shamrock 750。
如图3所示，本发明的直径为5um的氯化钠气溶胶液滴的捕获方法具体包括如下步骤：
（1）利用流体仿真软件ansys fluent仿真分析0°、30°、45°和60°入射角度、0.3毫升/分钟初始流速条件下气溶胶在圆柱形腔体内的流速分布，仿真结果如图2所示；
（2）根据仿真结果设计并加工气溶胶腔室2；
由于悬浮光镊单元3在气溶胶腔室2内形成的光阱位于距离气溶胶腔室2底部40um处，所以为了光阱更高效的捕获一个氯化钠液滴气溶胶，氯化钠液滴气溶胶流应该以最为靠近光阱有效捕获区域的路径流过光阱有效捕获区域为最佳。由图2的仿真结果可以看出，30°入射角度条件下，氯化钠液滴气溶胶流的路径最佳，所以将根据气溶胶腔室的入射口与气溶胶腔室呈30°角来设计并加工气溶胶腔室2。
（3）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1鱼跃M105雾化成微小液滴；
（4）氯化钠液滴气溶胶喷入加工好的气溶胶腔室2；
（5）打开悬浮光镊单元3的激光器，在气溶胶腔室2内形成光阱并捕获氯化钠液滴气溶胶，如图6所示；
（6）将不同积分时间条件下的氯化钠液滴气溶胶的拉曼光谱信号收集到光谱仪4，氯化钠液滴气溶胶的拉曼光谱信号如图7所示。图7的底部横坐标代表波长，顶部横坐标代表波数，纵坐标代表拉曼光谱信号强度。从图7可以看出，悬浮光镊捕获氯化钠液滴气溶胶的稳定性很好，因为随着捕获时间的延长，光谱仪4仍能探测得到氯化钠液滴气溶胶的拉曼光谱信号，说明氯化钠液滴气溶胶仍然在光阱的中心，表明光阱的捕获效果很好，同时，说明基于锁相放大探测方案的气溶胶拉曼光谱信号探测效果显著。此外，从图7纵坐标可以看出，随着积分时间的延长，氯化钠液滴气溶胶的拉曼光谱信号强度有所增强，同时氯化钠液滴气溶胶拉曼光谱信号的特征峰数量一直保持为3个，说明氯化钠液滴气溶胶的成分没有发生变化，对应的氯化钠液滴气溶胶的特性也没有发生变化。由此表明基于悬浮光镊的气溶胶捕获效率高捕获稳定性好，基于该悬浮光镊的气溶胶应用可以有助于分析气溶胶的特性信息，从而为气候调节、大气环境污染治理和人类健康危害预防措施制定提供新型分析研究手段和重要科学依据。
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 (8)
1.一种悬浮光镊高效捕获气溶胶的装置，其特征在于，包括超声雾化器（1）、气溶胶腔室（2）、悬浮光镊单元（3）和光谱仪（4）；
超声雾化器（1）用于向气溶胶腔室（2）内喷射待捕获的气溶胶，
悬浮光镊单元（3）用于在气溶胶腔室（2）内形成光阱来捕获气溶胶液滴；
所述的气溶胶腔室（2）设计通过仿真分析不同入射角度、不同初始流速下气溶胶在腔体内的流速分布得到，使气溶胶液滴按照设计方向流经光阱的有效捕获区域；根据仿真结果，30°入射角度条件下，气溶胶液滴流的路径最佳，并根据气溶胶腔室的入射口与气溶胶腔室呈30°角来设计并加工气溶胶腔室（2）。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的仿真分析采用ansys fluent软件。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的超声雾化器（1），喷雾能力为0.2ml-1ml每分钟。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的光谱仪（4），用于收集来自气溶胶液滴的拉曼光谱信号从而实现气溶胶液滴的特性测量。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述的光谱仪（4）采用锁相放大探测方案。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述的光谱仪（4）带有电子倍增CCD（EMCCD）。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的悬浮光镊单元（3）包括高数值孔径物镜，是水浸物镜、油浸物镜或者干燥物镜中的一种。
8.一种根据权利要求1所述的装置的应用方法，其特征在于，步骤如下：
1）利用流体仿真软件仿真分析不同入射角度条件下气溶胶在腔体内的流速分布；
2）根据仿真结果设计并加工气溶胶腔室；
3）将待悬浮光镊单元捕获的气溶胶样品通过超声雾化器雾化成微小液滴；
4）气溶胶液滴喷入气溶胶腔室；
5）打开悬浮光镊单元的激光器，在气溶胶腔室内形成光阱并捕获气溶胶液滴；
6）采用锁相放大探测方案，将不同捕获时间及不同积分时间条件下的液滴的拉曼光谱信号收集到光谱仪进行分析。
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