基于光阱效应的液体黏滞系数测量装置及测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明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。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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)。研宄表明，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) 〇
[0005] 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 :
[0006] f0= k/(2 π β ) (I)
[0007] 式中：&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。
[0008] 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⑵求出
【主权项】
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Ml、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Ml、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 稳定光讲。
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 玻片密封以阻隔气流扰动引入误差。
4. 根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的BFP位置测量模块依次包括聚光镜 ⑶、分色镜D2、透镜L1、中性灰度滤镜ND、象限探测器。
5. 根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的CCD成像模块依次包括成像透镜L1、 反射镜M3、CCD。
6. 根据权利要求3所述的装置，其特征是，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。
7. 根据权利要求3所述的装置，其特征是，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。
8. 根据权利要求1所述的装置的测量方法，其特征是，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
式中：&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，0为 液体的黏滞系数。
【专利摘要】本发明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。
【IPC分类】G01N11-00
【公开号】CN104777077
【申请号】CN201510194753
【发明人】胡慧珠, 李正刚, 苏鹤鸣, 刘承, 舒晓武
【申请人】浙江大学
【公开日】2015年7月15日
【申请日】2015年4月23日