【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光学捕获与微粒检测，尤其涉及一种基于led光源的气溶胶单微滴光镊检测装置及方法。
技术介绍
1、气溶胶颗粒的光学捕获技术在生物、环境和化学研究中具有广泛应用，其中光镊技术依靠光阱的梯度力和散射力来操控微小颗粒，实现无接触、精确的操控。现有光镊装置通常依赖激光光源产生的高光强和准直光束，以提供足够的光阱梯度力和散射力来捕获和悬浮微粒。然而，激光光源的高成本、较大功耗和波长单一性在某些应用中存在局限性，尤其在对经济性和光源可调控性要求较高的应用场景中，激光光源无法完全满足需求。
2、近年来，led光源因其低成本、光谱范围广、功率可调等优势，逐渐在光学操控领域中崭露头角。但led光源的发散角较大，且功率密度相对激光较低，不具备足够的光学梯度力，限制了其在光镊技术中的应用。
技术实现思路
1、鉴于上述的分析，本专利技术旨在提供一种基于led光源的气溶胶单微滴光镊检测装置及方法，至少能够解决以下技术问题之一：（1）现有光镊技术采用激光光源，导致成本高、能耗大；（2）现有光镊技术在信号检测中存在较大的杂散信号干扰，影响单微滴的稳定捕获和准确检测。
2、本专利技术的目的主要是通过以下技术方案实现的：
3、第一方面，本专利技术提供了一种用于提高led光源光学梯度力的光耦合系统，包括依次设置的led光源模块、准直透镜、光束整形组件、聚焦透镜组件和半透半反镜组件；
4、led光源模块用于为检测提供光；准直透镜用于对led光源模块发出的光束进
5、可选地，所述光束整形组件为微透镜阵列或非球面透镜。
6、可选地，所述光束整形组件为轴棱锥组件。
7、可选地，所述聚焦透镜组件包括相对设置的两个聚焦透镜。
8、可选地，所述半透半反镜组件包括相对且平行设置的两个半透半反镜。
9、第二方面，本专利技术提供一种基于led光源的气溶胶单微滴光镊检测系统，包括上述的光束耦合系统，以及单液滴悬浮系统、气体氛围控制系统、微滴泵入系统、信号检测系统和微滴检测装置；
10、所述气体氛围控制系统与单液滴悬浮系统连通，所述微滴泵入系统与所述单液滴悬浮系统连通，所述光束耦合系统分别与所述单液滴悬浮系统、所述信号检测系统和所述微滴检测装置连通。
11、可选地，所述单液滴悬浮系统包括样品池，所述样品池包括同心的外环壁和内环壁，所述外环壁与内环壁之间设有连接部。
12、可选地，气体氛围控制系统包括干气体控制装置和湿气体控制装置；所述干气体控制装置和所述湿气体控制装置均包括储气罐和流量计。
13、可选地，所述湿气体控制装置还包括加湿容器。
14、第三方面，本专利技术还提供了一种基于led光源的气溶胶单微滴光镊检测方法，采用上述的检测系统完成，包括如下步骤：
15、步骤1：微滴泵入系统将气溶胶以单液滴的形态泵入单液滴悬浮系统的样品池中；
16、步骤2：光束耦合系统发出的led光作为反应光束，在样品池中通过光镊技术捕获一个单液滴并将其悬浮；
17、步骤3：通过气体氛围控制系统向样品池中通入气体；
18、步骤4：单液滴的散射光信号分别输入至信号检测系统和微滴检测装置，根据光信号数据分析单液滴反应前后的单液滴半径数值变化。
19、与现有技术相比，本专利技术至少可实现如下有益效果之一：
20、1、本专利技术通过设置光耦合系统，能够提高led光源光学梯度力，从而使得led光源能够应用于光镊技术中作为光源抓取微液滴。由于led光源通过受激弹性散射产生的共振峰信号相较于激光光源的受激拉曼散射信号，信噪比更高，杂散信号更少，因此可以显著提高检测的精度和灵敏度。
21、2、本专利技术的led光源低成本、低功耗，减少了装置整体成本和热输出对实验环境的干扰，从而提升了设备的经济性和操作稳定性。此外，led光源提供365 nm至650 nm的多波长选择，可根据气溶胶颗粒的不同散射特性灵活调整波长，使装置能够在单一系统中实现多波长测试，特别适用于多样化的环境监测和生物颗粒检测。led光源模块采用模块化设计，便于光源的维护、更换不同功率和波长的led光源，延长了装置的使用寿命，并能在不同实验需求下快速配置，增强了设备的适应性。此外，led光源的体积小、能耗低，使本专利技术的装置能够设计为便携设备，扩大了应用范围，可适用于实验室外的现场检测应用，满足实际环境监测和快速响应需求。
22、3、本专利技术的样品池包括外环壁和内环壁，外环壁和内环壁连接处设置贯穿外环壁和内环壁的单液滴入口，外环壁与内环壁上均有多个贯穿环壁且间隔设置的气体入口和气体出口，所述外环壁上的气体入口和气体出口与内环壁上的气体入口和气体出口错开设置，该结构可以使气体均匀进入和均匀排出样品池，且保证样品池中的气压稳定，进而使光镊稳定悬浮单液滴；另外，气体均匀进入和排出样品池，可以避免局部气压过高或过低，减少因气压不均一导致液滴在样品池进入时分布不均匀，有效解决了气压不均一可能导致液滴沉积器壁的问题；而且，样品池气压稳定有助于维持单液滴的悬浮状态，减少因气压波动所引起的液滴与器壁的接触；
23、气体入口的直径和气体出口的直径均小于单液滴入口的直径，从单液滴入口向样品池泵入单液滴时，能够产生并增强气溶胶液滴在样品池中的湍流效果，湍流可以增强液滴在样品池中的混合和运动，减少液滴沉积在内壁的概率和可能性；急而回旋的气流并非简单地从进口到出口，而是凭借湍流作用向样品池中心（即led光聚焦中心）趋近，同时回旋效果也能加大聚焦中心以外的气流重新回到焦点的概率，进而增加其捕获效率，降低气溶胶液滴沉积于样品池内壁的概率。
24、4、本专利技术的样品池底部设置涂覆有阴离子表面活性剂的石英玻璃片，阴离子表面活性剂减小类球形液滴表面张力的同时，令样品池底部的液滴不再以类球形的形式沉积，而是直接铺展于样品池底部，避免了样品池底部的含有挥发性化学组分的液滴因其曲面结构所带来的曲面压力而引发的测量误差。
25、5、本专利技术在微滴泵入系统中设置了液滴束流装置，当气溶胶液滴经过液滴束流装置时，液滴束流装置将液滴从聚集状态变为单分散的单串液滴逐一进入样品池。
26、6、本专利技术的气溶胶发生器与液滴束流装置之间设置截止阀，当液滴进入液滴束流装置后，可以关闭截止阀，向液滴束流装置中通入环境背景气体，对液滴束流装置中液滴进行稀释，进一步促进液滴束流装置将液滴从聚集状态变为单分散的单串液滴逐一进入样品池。
27、7、本专利技术的方法中，通过光镊技术悬浮单液滴后，通过气体氛围控制系统向样品池中通入干气体和/或湿气体，将样品池内的湿度降低至液滴内化学组分的风化点湿度以下，使样品池内壁上的液滴风化结晶后，再将样品池内的湿度上调本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于提高LED光源光学梯度力的光耦合系统，其特征在于，包括依次设置的LED光源模块、准直透镜、光束整形组件、聚焦透镜组件和半透半反镜组件；
2.根据权利要求1所述的光耦合系统，其特征在于，所述光束整形组件为微透镜阵列或非球面透镜。
3.根据权利要求1所述的光耦合系统，其特征在于，所述光束整形组件为轴棱锥组件。
4.根据权利要求1所述的光耦合系统，其特征在于，所述聚焦透镜组件包括相对设置的两个聚焦透镜。
5.根据权利要求1所述的光耦合系统，其特征在于，所述半透半反镜组件包括相对且平行设置的两个半透半反镜。
6.一种基于LED光源的气溶胶单微滴光镊检测系统，其特征在于，包括权利要求1-5任一项所述的光束耦合系统，以及单液滴悬浮系统、气体氛围控制系统、微滴泵入系统、信号检测系统和微滴检测装置；
7.根据权利要求6所述的检测系统，其特征在于，所述单液滴悬浮系统包括样品池，所述样品池包括同心的外环壁和内环壁，所述外环壁与内环壁之间设有连接部。
8.根据权利要求6所述的检测系统，其特征在于，气体氛围控
9.根据权利要求8所述的检测系统，其特征在于，所述湿气体控制装置还包括加湿容器。
10.一种基于LED光源的气溶胶单微滴光镊检测方法，其特征在于，采用权利要求6-9任一项所述的检测系统完成，包括如下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种用于提高led光源光学梯度力的光耦合系统，其特征在于，包括依次设置的led光源模块、准直透镜、光束整形组件、聚焦透镜组件和半透半反镜组件；
2.根据权利要求1所述的光耦合系统，其特征在于，所述光束整形组件为微透镜阵列或非球面透镜。
3.根据权利要求1所述的光耦合系统，其特征在于，所述光束整形组件为轴棱锥组件。
4.根据权利要求1所述的光耦合系统，其特征在于，所述聚焦透镜组件包括相对设置的两个聚焦透镜。
5.根据权利要求1所述的光耦合系统，其特征在于，所述半透半反镜组件包括相对且平行设置的两个半透半反镜。
6.一种基于led光源的气溶胶单微滴光镊检测系统，其特征在于，包括权利要求1-5任一项...
【专利技术属性】
技术研发人员：张韫宏，吴旭，孙久乂，张晓武，孙健，刘湃，黄启燊，张秀辉，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：
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