基于光阱效應(yīng)的液體黏滯系數(shù)測量裝置及測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明主要涉及測量液體黏滯系數(shù)的裝置，尤其是一種光的力學(xué)效應(yīng)來測量液體 粘滯系數(shù)的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前已經(jīng)有眾多關(guān)于黏滯系數(shù)的測量方法和裝置。最普遍的原理就是利用落球法 以及泊肅葉法測量。落球法主要依據(jù)斯托克斯公式，通過測量球體在量筒中的溶液勻速運 動時的速度來計算黏滯系數(shù)，而泊肅葉法則依據(jù)泊肅葉定律，通過測量兩測壓管的液體流 量Q以及壓強差等參數(shù)來標(biāo)定黏滯系數(shù)。落球法需要測量液體高度、量筒內(nèi)徑、勻速下落距 離以及時間、小球內(nèi)徑以及密度等較多物理量，而泊肅葉法需要測量測壓管管長、內(nèi)徑、壓 強差以及體積流量。
[0003] 而利用光的力學(xué)效應(yīng)測量液體黏滯系數(shù)理論上是可行的，但是尚未見報道。根據(jù) 量子理論，光束是一群以光速運動的、既有質(zhì)量又有動量的光子。當(dāng)光子入射到介質(zhì)表面發(fā) 生折射和反射，光子的速度和方向改變，導(dǎo)致其動量矢量的變化。由動量守恒定律就可以推 出，當(dāng)光束入射微球，光子的動量變化量就是微球的動量變化量。所以光束對微球存在力的 作用，稱為光輻射壓。光輻射壓包括了沿光束傳播方向的散射力和總是指向光強較強處的 梯度力。在這兩個力的作用下，光束能在一定區(qū)域內(nèi)對微球進行捕捉，即令其穩(wěn)定在某特定 位置，該區(qū)域稱為光阱。
[0004] 對于激光束形成的穩(wěn)定光阱，一定范圍內(nèi)其光阱力與微球偏移捕獲中心的距離 成正比，這個比值稱為光阱的剛度系數(shù)（單位：N/m)。研宄表明，當(dāng)溶液中的微球被光阱 穩(wěn)定捕獲時，其運動方程取決于光阱的剛度以及溶液的黏滯系數(shù)，微球的位移平方的功率 譜滿足洛倫茨功率譜的形式（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] 如果對被捕獲微球位移的平方在時域上的信號進行傅里葉變換，則能得到形如圖 3所示的洛倫茨功率譜形式，圖中的拐點頻率即為信號衰減至3dB時的頻率，其在頻域上的 頻譜信號拐點頻率同時滿足公式1 :
[0006] f0= k/(2 π β ) (I)
[0007] 式中：&為位移的平方頻譜拐點頻率，k為光阱剛度，β為液體的黏滯系數(shù)。
[0008] 液體環(huán)境中被捕獲的微球其運動可認為是簡諧勢阱運動，根據(jù)能量均分定律，其 光阱剛度k可由公式⑵求出
【主權(quán)項】
1. 一種利用光的力學(xué)效應(yīng)測量液體粘滯系數(shù)的裝置，其特征是，所述的裝置包括四個 模塊：單光束光阱模塊、樣品池模塊、BFP位置測量模塊、CCD成像模塊； 樣品池模塊設(shè)有待測液體以及微球，通過單光束光阱模塊在待測液體中捕獲微球，通 過BFP位置測量模塊來探測微球的位移信號，CCD成像模塊用來觀察微球的捕獲效果，后焦 面干涉系統(tǒng)高頻采樣位置探測模塊用來高頻實時地輸出被捕獲微球的位置信息。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是，所述的單光束光阱模塊包括激光器、準(zhǔn)直透 鏡L5、反射鏡Ml、反射鏡M2、透鏡L3、透鏡L4、分色鏡D1、反射鏡M45、物鏡OBJ; 激光器從尾纖發(fā)出激光，即捕獲光束，經(jīng)準(zhǔn)直透鏡L5準(zhǔn)直，經(jīng)反射鏡Ml、反射鏡M2后， 經(jīng)透鏡L4、透鏡L3擴束，經(jīng)分色鏡D1和反射鏡M45反射后，通過物鏡OBJ在樣品池內(nèi)形成 穩(wěn)定光講。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是，所述的樣品池模塊包括樣品池和步進電機， 樣品池內(nèi)設(shè)有密閉腔，密閉腔采用薄片打孔或挖槽工藝，并在加入待測液體與微球后用蓋 玻片密封以阻隔氣流擾動引入誤差。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是，所述的BFP位置測量模塊依次包括聚光鏡 ⑶、分色鏡D2、透鏡L1、中性灰度濾鏡ND、象限探測器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是，所述的CCD成像模塊依次包括成像透鏡L1、 反射鏡M3、CCD。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征是，所述的微球為尺寸在um到mm量級的光學(xué)均 勻透明微球，滿足在相應(yīng)液體環(huán)境中被捕獲光穩(wěn)定捕獲，材料是聚苯乙烯或二氧化硅。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征是，所述的待測液體是光學(xué)均勻介質(zhì)，激光器發(fā) 出的激光以及照明光源發(fā)出的光能均勻通過。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置的測量方法，其特征是，通過對微球位移信號的提取及 處理，并根據(jù)運動方程的解求得黏滯系數(shù)，所述的運動方程為
式中：&為被捕獲微球相對光阱中心位移的平方的頻譜拐點頻率，k為光阱剛度，0為 液體的黏滯系數(shù)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于光阱效應(yīng)的液體黏滯系數(shù)測量裝置及測量方法。所述的裝置包括四個模塊：單光束光阱模塊、樣品池模塊、BFP位置測量模塊、CCD成像模塊；樣品池模塊設(shè)有待測液體以及微球，通過單光束光阱模塊在待測液體中捕獲微球，通過BFP位置測量模塊來探測微球的位移信號，CCD成像模塊用來觀察微球的捕獲效果，后焦面干涉系統(tǒng)高頻采樣位置探測模塊用來高頻實時地輸出被捕獲微球的位置信息。本發(fā)明另外提出了一種利用該裝置的光的力學(xué)效應(yīng)測量黏滯系數(shù)的方法，具有較高的測量精度，能夠?qū)崟r動態(tài)地檢測黏滯系數(shù)的變化。
【IPC分類】G01N11-00
【公開號】CN104777077
【申請?zhí)枴緾N201510194753
【發(fā)明人】胡慧珠, 李正剛, 蘇鶴鳴, 劉承, 舒曉武
【申請人】浙江大學(xué)
【公開日】2015年7月15日
【申請日】2015年4月23日