基于光阱效应的液体黏滞系数测量装置及测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于光阱效应的液体黏滞系数测量装置及测量方法。所述的装置包括四个模块：单光束光阱模块、样品池模块、BFP位置测量模块、CCD成像模块；样品池模块设有待测液体以及微球，通过单光束光阱模块在待测液体中捕获微球，通过BFP位置测量模块来探测微球的位移信号，CCD成像模块用来观察微球的捕获效果，后焦面干涉系统高频采样位置探测模块用来高频实时地输出被捕获微球的位置信息。本发明专利技术另外提出了一种利用该装置的光的力学效应测量黏滞系数的方法，具有较高的测量精度，能够实时动态地检测黏滞系数的变化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术主要涉及测量液体黏滞系数的装置，尤其是一种光的力学效应来测量液体粘滞系数的装置。
技术介绍
目前已经有众多关于黏滞系数的测量方法和装置。最普遍的原理就是利用落球法以及泊肃叶法测量。落球法主要依据斯托克斯公式，通过测量球体在量筒中的溶液匀速运动时的速度来计算黏滞系数，而泊肃叶法则依据泊肃叶定律，通过测量两测压管的液体流量Q以及压强差等参数来标定黏滞系数。落球法需要测量液体高度、量筒内径、匀速下落距离以及时间、小球内径以及密度等较多物理量，而泊肃叶法需要测量测压管管长、内径、压强差以及体积流量。而利用光的力学效应测量液体黏滞系数理论上是可行的，但是尚未见报道。根据量子理论，光束是一群以光速运动的、既有质量又有动量的光子。当光子入射到介质表面发生折射和反射，光子的速度和方向改变，导致其动量矢量的变化。由动量守恒定律就可以推出，当光束入射微球，光子的动量变化量就是微球的动量变化量。所以光束对微球存在力的作用，称为光辐射压。光辐射压包括了沿光束传播方向的散射力和总是指向光强较强处的梯度力。在这两个力的作用下，光束能在一定区域内对微球进行捕捉，即令其稳定在某特定位置，该区域称为光阱。对于激光束形成的稳定光阱，一定范围内其光阱力与微球偏移捕获中心的距离成正比，这个比值称为光阱的刚度系数(单位：N/m)。研究表明，当溶液中的微球被光阱稳定捕获时，其运动方程取决于光阱的刚度以及溶液的黏滞系数，微球的位移平方的功率谱满足洛伦茨功率谱的形式(M.W.Allersma,F.Gittes,M.J.deCastro,R.J.Stewart,and C.F.Schmidt,“Two‐dimensional tracking of ncd motility by back focal plane interferometry,”Biophys.J.742,1074–10851998)。如果对被捕获微球位移的平方在时域上的信号进行傅里叶变换，则能得到形如图3所示的洛伦茨功率谱形式，图中的拐点频率即为信号衰减至3dB时的频率，其在频域上的频谱信号拐点频率同时满足公式1：fo＝k/(2πβ)       (1)式中：f0为位移的平方频谱拐点频率，k为光阱刚度，β为液体的黏滞系数。液体环境中被捕获的微球其运动可认为是简谐势阱运动，根据能量均分定律，其光阱刚度k可由公式(2)求出 1 2 k B T = 1 2 k < ( y - y mean ) 2 > - - - ( 2 ) , ]]>式中：kB为玻尔茨曼常数，T为液体环境温度，y为光阱刚度对应方向上的被捕获微球的一维位移，ymean为此位移的平均值。通过计算光阱刚度k，并通过高频位置测量系统测量微球的位移平方谱，可以求得溶液的黏滞系数。虽然根据此原理来测量黏滞系数的理论上是可行的，但是实现液体环境中光捕获微球的位置信息的高采样频率高精度测量较难实现，普通CCD虽然位移测量精度很高，但受限于其帧率难以取得较高的采样频率，而其他方法在um级别的测量精度上较难实现。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于光阱效应的液体黏滞系数测量装置及测量方法。一种利用光的力学效应测量液体粘滞系数的装置，包括四个模块：单光束光阱模块、样品池模块、BFP位置测量模块、CCD成像模块；样品池模块设有待测液体以及微球，通过单光束光阱模块在待测液体中捕获微球，通过BFP位置测量模块来探测微球的位移信号，CCD成像模块用来观察微球的捕获效果，后焦面干涉系统(BFP)高频采样位置探测模块用来高频实时地输出被捕获微球的位置信息。所述的单光束光阱模块包括激光器、准直透镜L5、反射镜M1、反射镜M2、透镜L3、透镜L4、分色镜D1、反射镜M45、物镜OBJ；激光器从尾纤发出激光，即捕获光束，经准直透镜L5准直，经反射镜M1、反射镜M2后，经透镜L4、透镜L3扩束，经分色镜D1和反射镜M45反射后，通过物镜OBJ在样品池内形成稳定光阱。所述的样品池模块包括样品池和步进电机，样品池内设有密闭腔，密闭腔采用薄片打孔或挖槽工艺，并在加入待测液体与微球后用盖玻片密封以阻隔气流扰动引入误差。所述的BFP位置测量模块依次包括聚光镜CD、分色镜D2、透镜L1、中性灰度滤镜ND、象限探测器。所述的CCD成像模块依次包括成像透镜L1、反射镜M3、CCD。所述的微球为尺寸在um到mm量级的光学均匀透明微球，满足在相应液体环境中被捕获光稳定捕获，材料是聚苯乙烯或二氧化硅。所述的待测液体是光学均匀介质，激光器发出的激光以及照明光源发出的光能均匀通过。所述的装置的测量方法，通过对微球位移信号的提取及处理，并根据运动方程的解求得黏滞系数，所述的运动方程为fo＝k/(2πβ)，式中：f0为被捕获微球相对光阱中心位移的平方的频谱拐点频率，k为光阱刚度，β为液体的黏滞系数。本专利技术的有益效果：利用液浮光阱中被捕获微球的位移与黏滞系数的相关性，提出了一种利用光的力学效应测量液体黏滞系数的装置，所需测量的物理量较少，且具有较高的测量精度。附图说明图1是本专利技术基于光阱效应的液体黏滞系数测量装置的结构示意图；图2是测量装置实现的光路图；图3是对微球的位移的平方的频谱曲线的一个典型示例，图中功率谱密度衰减至3dB处即为拐点频率。具体实施方式本专利技术通过采用后焦面干涉法(BFP法)来实现微球位移的高精度高采样频率的测量,BFP系统中采用象限探测器收集透过微球与未透过微球的捕获光的干涉图像,干涉图像本身就能携带精度较高的位移信息,而象限探测器则是根据差分电流的形式来标定相对位移的大小因而具有较高的采样频率,能够满足系统位置探测的要求。利用光的力学效应测量液体黏滞系数的基本工作原理是利用液浮环境中被捕获微球的位移高频动态测量来计算黏滞系数。微球在样品池中分散在待测溶液里，由光源发出的激光经准直、扩束后，进入物镜被聚焦形成光阱，将微球稳定捕获在光阱中心附近。照明光源发出的光经微球后在CCD成像系统上成像以便观察。微球的动态位置测量通过BFP本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用光的力学效应测量液体粘滞系数的装置，其特征是，所述的装置包括四个模块：单光束光阱模块、样品池模块、BFP位置测量模块、CCD成像模块；样品池模块设有待测液体以及微球，通过单光束光阱模块在待测液体中捕获微球，通过BFP位置测量模块来探测微球的位移信号，CCD成像模块用来观察微球的捕获效果，后焦面干涉系统高频采样位置探测模块用来高频实时地输出被捕获微球的位置信息。

【技术特征摘要】
1.一种利用光的力学效应测量液体粘滞系数的装置，其特征是，所述的装置包括四个模块：单光束光阱模块、样品池模块、BFP位置测量模块、CCD成像模块；
样品池模块设有待测液体以及微球，通过单光束光阱模块在待测液体中捕获微球，通过BFP位置测量模块来探测微球的位移信号，CCD成像模块用来观察微球的捕获效果，后焦面干涉系统高频采样位置探测模块用来高频实时地输出被捕获微球的位置信息。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的单光束光阱模块包括激光器、准直透镜L5、反射镜M1、反射镜M2、透镜L3 、透镜L4、分色镜D1、反射镜M45、物镜OBJ；
激光器从尾纤发出激光，即捕获光束，经准直透镜L5准直，经反射镜M1、反射镜M2后，经透镜L4、透镜L3扩束，经分色镜D1和反射镜M45反射后，通过物镜OBJ在样品池内形成稳定光阱。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的样品池模块包括样品池和步进电机，样品池内设有密闭腔，密闭腔采用薄片打孔或挖槽工艺，并在加入待测液体与微球后用盖玻片密封以...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡慧珠，李正刚，苏鹤鸣，刘承，舒晓武，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33