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(yùn) 動(dòng)時(shí)的速度來計(jì)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(qiáng)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(shí)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(qiáng)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(bào)道。根據(jù) 量子理論，光束是一群以光速運(yùn)動(dòng)的、既有質(zhì)量又有動(dòng)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(dòng)量矢量的變化。由動(dòng)量守恒定律就可以推 出，當(dāng)光束入射微球，光子的動(dòng)量變化量就是微球的動(dòng)量變化量。所以光束對(duì)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(qiáng)較強(qiáng)處的 梯度力。在這兩個(gè)力的作用下，光束能在一定區(qū)域內(nèi)對(duì)微球進(jìn)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(duì)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(gè)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(shí)，其運(yùn)動(dòng)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(duì)被捕獲微球位移的平方在時(shí)域上的信號(hào)進(jìn)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(diǎn)頻率即為信號(hào)衰減至3dB時(shí)的頻率，其在頻域上的 頻譜信號(hào)拐點(diǎn)頻率同時(shí)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(diǎn)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(yùn)動(dòng)可認(rèn)為是簡諧勢(shì)阱運(yùn)動(dòng)，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(xiàng)】
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(gè) 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(hào)，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(shí)時(shí)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(kuò)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(jìn)電機(jī)， 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(dòng)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?yàn)槌叽缭趗m到mm量級(jí)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(duì)微球位移信號(hào)的提取及 處理，并根據(jù)運(yùn)動(dòng)方程的解求得黏滯系數(shù)，所述的運(yùn)動(dòng)方程為
式中：&為被捕獲微球相對(duì)光阱中心位移的平方的頻譜拐點(diǎn)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(gè)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(hào)，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(shí)時(shí)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(shí)動(dòng)態(tài)地檢測黏滯系數(shù)的變化。
【IPC分類】G01N11-00
【公開號(hào)】CN104777077
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510194753
【發(fā)明人】胡慧珠, 李正剛, 蘇鶴鳴, 劉承, 舒曉武
【申請(qǐng)人】浙江大學(xué)
【公開日】2015年7月15日
【申請(qǐng)日】2015年4月23日