本发明专利技术公开了一种基于平面芯片的暗场显微镜检测单个气溶胶纳米颗粒吸湿增长装置，包括：像面探测器(1)、成像管镜(2)、空气物镜(3)、控制腔(4)，平面芯片(5)、750nm滤波片(6)、750nmLED光源(7)。其中平面芯片(5)盖玻片(8)、顶层多层介质薄膜(9)、散射层(10)以及底层多层介质薄膜(11)组成。由LED光源发出的准直光束入射到平面芯片后，光束以空心的锥形光出射，照射沉积在平面芯片上的气溶胶颗粒。气溶胶颗粒的散射光被成像系统接收，形成暗场成像。当纳米气溶胶因为周围环境湿度增加而发生吸湿增长时，纳米气溶胶的散射信号会发生明显的改变，通过检测探测器上纳米气溶胶的散射强度，对颗粒的吸湿进行实时的测量。对颗粒的吸湿进行实时的测量。对颗粒的吸湿进行实时的测量。
【技术实现步骤摘要】
一种基于平面芯片的暗场显微镜检测单个气溶胶纳米颗粒吸湿增长装置
[0001]本专利技术涉及单纳米气溶胶颗粒的吸湿增长过程的实时检测，特别涉及基于平面芯片的暗场显微镜高信噪比，高灵敏度，无标记的检测，具体涉及一种基于平面芯片的暗场显微镜检测单个气溶胶纳米颗粒吸湿增长装置，属于大气环境中纳米气溶胶颗粒物检测
技术介绍
[0002]大气气溶胶从大气中吸收水分的吸湿性增长改变了气溶胶的大小和化学成分，从而显着影响其尺寸分布，沉积特性和化学反应活性。气溶胶的大小和化学成分变化严重影响光学特性，从而影响大气能见度和区域或全球气候。此外，气溶胶还有严重地影响人类健康。特别是纳米气溶胶，它们是较大颗粒的主要前体。传统研究气溶胶吸湿的手段有吸湿串联差分迁移率分析仪，环境扫描电镜等。吸湿串联差分迁移率分析仪是研究颗粒吸湿的平均效应，不能对单个颗粒进行研究，而扫描电镜由于其高能量的电子束，在测量过程中会破坏气溶胶颗粒。上述主要显微术在实际应用中具有很大的局限性，其存在的问题为：
[0003]1、无法检测单颗粒。吸湿串联差分分析仪只能检测大量颗粒通过加湿管后尺寸变化的平均效应，不能分析单一颗粒物在特定环境中的实际变化。
[0004]2、非无损检测单颗粒。环境扫描电镜有着高分辨率的成像能力，但其高能量的电子束对单颗粒物的破坏极大，特别是越小的颗粒物。而且由于其需要工作在高真空的环境中，只可模拟相对湿度，而无法在真实的大气环境湿度中工作。
[0005]3、无法对颗粒物进行直接观测。吸湿串联差分分析仪不能实时检测颗粒物在变化环境下的动态过程。
[0006]4、体积大。传统的光学检测技术，如表面波检测技术，庞大光路空间和复杂的设备元件。
[0007]5、操作复杂。传统的气溶胶吸湿检测技术需要复杂，昂贵的设备，要求操作者经过专业的训练才可以操作。
技术实现思路
[0008]本专利技术的目的是克服传统的大气气溶胶检测方法，即传统的检测技术存在着无法对单颗粒物进行无标、无入侵、实时检测、并且操作复杂的缺点，提出了一种基于平面芯片的暗场显微镜检测单个气溶胶纳米颗粒吸湿增长装置。其借助底层多层介质薄膜提高光能量利用率，散射层均匀散射和顶层多层介质薄膜对出射光束的角度选着，以及收集散射光的成像系统的数值孔径的选着，实现了片上暗场显微镜对单个纳米气溶胶颗粒吸湿增长进行实时的监控。该方法具有高信噪比，高灵敏度，无标记，无入侵检测单个纳米气溶胶颗粒的特点。
[0009]本专利技术实现上述的技术方案如下：
[0010]一种基于平面芯片的暗场显微镜检测单个气溶胶纳米颗粒吸湿增长装置，包括像面探测器，成像管镜，空气物镜，控制腔，平面芯片，750nm滤波片和750nm LED光源。其中平面芯片由从上到下依次叠层设置的盖玻片、顶层多层介质薄膜、散射层以及底层多层介质薄膜组成。其中，所述的750nm LED光源(7)，发出准直750nm光束经过750nm滤波片(6)入射到平面芯片(5)中的底层多层介质薄膜(11)；由于底层多层介质膜的能带在光束的数值孔径小于0.2时是全透的，因此准直的750nm光束直接透射打在散射层(10)并被均匀散射，产生各个角度的传播波矢，入射到顶层多层介质膜(9)；散射的750nm光束在顶层多层介质薄膜(9)的能带限制下，对光束进行筛分；散射光中数值孔径小于0.7的光束被顶层多层介质薄膜(9)反射回到散射层(10)，并在底层多层介质薄膜(11)的限制下，将部分散射光束再次入射到顶层多层介质薄膜(9)；而散射光中数值孔径大于0.7的光束直接以空心的锥形光束出射，照射到沉积在盖玻片(8)的纳米气溶胶上；被照射的纳米气溶胶环境湿度由控制腔(4)控制；控制腔(4)可以改变腔体环境的相对湿度(调控相对湿度范围60％
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95％)，进而改变气溶胶的物理化学特性，使其光学特性发生变化；被照射的纳米气溶胶的散射光变化由空气物镜(3)收集，由于空气物镜的收集数值孔径小于平面芯片光束的出射数值孔径，因此空气物镜只收集到颗粒的纯散射光，散射光再经过成像管镜(2)，最后成像再像面探测器(1)上，形成对纳米气溶胶的暗场成像。
[0011]进一步地，顶层多层介质薄膜由折射率为1.45～1.5，厚度为95～100nm的SiO2的介质薄膜和折射率为2.36～2.5，厚度为80～88nm的第一SiN
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的介质薄膜交替化学气相沉积在0.17～0.2mm厚的盖玻片上。例如，顶层多层介质薄膜由折射率为1.46，厚度为100nm的SiO2的介质薄膜和折射率为2.36，厚度为88nm的第一SiN
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的介质薄膜交替(例如共10对)等离子体增强化学气相沉积在0.17mm厚的盖玻片上。例如所述的顶层多层介质薄膜层数为18～20层。
[0012]底层多层介质薄膜11由折射率为2.2～2.32，厚度为73nm的第二SiN
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的介质薄膜和折射率为1.9～2.0，厚度为90nm的第三SiN
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的介质薄膜交替(例如共18对)等离子体增强化学气相沉积在0.17～0.2mm厚的盖玻片上后，在这基础上再交替沉积折射率为1.45～1.5，厚度为139～150nm的SiO2的介质薄膜和折射率为2.36～2.5，厚度为100～110nm的第一SiN
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的介质薄膜(例如共11对)。
[0013]例如，底层多层介质薄膜11由折射率为2.32，厚度为73nm的第二SiN
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和折射率为1.92，厚度为90nm的第三SiN
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的介质薄膜交替(共18对)化学气相沉积在0.17mm厚的盖玻片上后，在这基础上再交替沉积折射率为1.46，厚度为139nm的SiO2和折射率为2.36，厚度为100nm的第一SiN
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的介质薄膜(共11对)，用于提高光能量利用效率。
[0014]其中，顶层多层介质薄膜和散射层用折射率匹配油(折射率为1.51)黏附在一起。
[0015]其中，平面芯片由承载样品的盖玻片，控制光流的顶层多层介质薄膜，提供各个传播波矢的散射层，以及提高光能量利用效率的底层多层介质薄膜组成。
[0016]其中，750nm LED光源发射中心波长750nm的宽带光，经过带宽为10nm的750nm滤波片并入射平面芯片的底层多层介质薄膜。
[0017]其中，由于底层多层介质薄膜的能带设计，光束直接透射底层多层介质薄膜，入射到散射层。散射层将光束散射成各个传播方向的波矢，并入射的顶层多层介质薄膜。
[0018]其中，顶层多层介质薄膜对入射的散射光束进行透射选着，数值孔径小于0.7的光
将被反射回散射层，并通过底层多层介质薄膜反射回到顶层；而数值孔径大于0.7的光束将透过顶层多层介质薄膜，使光束以一个空心锥形光束出射。
[0019]具体地，一种基于平面芯片的暗场显微镜检测单个气溶胶纳米颗粒吸湿增长装置，所述装置包括：像面探测器(1)、成像管镜(2)、空气物镜(3)、控制腔(4本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于平面芯片的暗场显微镜检测单个气溶胶纳米颗粒吸湿增长装置，其特征在于：所述装置包括：像面探测器(1)、成像管镜(2)、空气物镜(3)、控制腔(4)，平面芯片(5)、750nm滤波片(6)和750nm LED光源(7)；其中平面芯片(5)由从上到下依次叠层设置的盖玻片(8)、顶层多层介质薄膜(9)、散射层(10)以及底层多层介质薄膜(11)组成；其中，所述的750nm LED光源(7)，发出准直750nm光束经过750nm滤波片(6)入射到平面芯片(5)中的底层多层介质薄膜(11)；由于底层多层介质膜的能带在光束的数值孔径小于0.2时是全透的，因此准直的750nm光束直接透射打在散射层(10)并被均匀散射，产生各个角度的传播波矢，入射到顶层多层介质膜(9)；散射的750nm光束在顶层多层介质薄膜(9)的能带限制下，对光束进行筛分；散射光中数值孔径小于0.7的光束被顶层多层介质薄膜(9)反射回到散射层(10)，并在底层多层介质薄膜(11)的限制下，将部分散射光束再次入射到顶层多层介质薄膜(9)；而散射光中数值孔径大于0.7的光束直接以空心的锥形光束出射，照射到沉积在盖玻片(8)的纳米气溶胶上；被照射的纳米气溶胶环境湿度由控制腔(4)控制；控制腔(4)可以改变腔体环境的相对湿度，进而改变气溶胶的物理化学特性，使其光学特性发生变化；被照射的纳米气溶胶的散射光变化由空气物镜(3)收集，由于空气物镜的收集数值孔径小于平面芯片光束的出射数值孔径，因此空气物镜只收集到颗粒的纯散射光，散射光再经过成像管镜(2)，最后成像再像面探测器(1)上，形成对纳米气溶胶的暗场成像。2.根据权利要求1所述的一种基于平面芯片的暗场显微镜检测单个气溶胶纳米颗粒吸湿增长装置，其特征在于，所述的750nm LED光束的准直性要求为光束的数值孔径小于0.2即可，其入射准直性的要求由底层多层介质薄膜(11)决定。3.根据权利要求1所述的一种基于平面芯片的暗场显微镜检测单个气溶胶纳米颗粒吸湿增长装置，其特征在于，散射层(10)可以将入射的准直光束散射成各个角度的传播波矢入射到顶层多层介质薄膜(9)。4.根据权利要求1所述的一种基于平面芯片的暗场显微镜检测单个气溶胶纳米颗粒吸湿增长装置，其特征在于，顶层多层介质薄膜(9)可以控制光束透射的角度，使数值孔径大于0.7的光束出射，照亮沉积在盖玻片(8)上纳米气溶胶颗粒。5.根据权利要求1所...
【专利技术属性】
技术研发人员：范泽滔，张斗国，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：
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