CN104777077A - 基于光阱效应的液体黏滞系数测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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

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

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。

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。

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)。研究表明，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‐dimensionaltracking of ncd motility by back focal plane interferometry,”Biophys.J.742,1074–10851998)。

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：

f_o＝k/(2πβ)       (1)

式中：f₀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。

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(2)求出

$\frac{1}{2}{k}_{B}T=\frac{1}{2}k<{(y-y_{\mathrm{mean}})}^2>---\left(2\right),$

式中：k_B为玻尔茨曼常数，T为液体环境温度，y为光阱刚度对应方向上的被捕获微球的一维位移，y_mean为此位移的平均值。

通过计算光阱刚度k，并通过高频位置测量系统测量微球的位移平方谱，可以求得溶液的黏滞系数。

虽然根据此原理来测量黏滞系数的理论上是可行的，但是实现液体环境中光捕获微球的位置信息的高采样频率高精度测量较难实现，普通CCD虽然位移测量精度很高，但受限于其帧率难以取得较高的采样频率，而其他方法在um级别的测量精度上较难实现。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供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。

一种利用光的力学效应测量液体粘滞系数的装置，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(BFP)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。

所述的单光束光阱模块包括激光器、准直透镜L5、反射镜M1、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M1、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阱。

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。

所述的BFP位置测量模块依次包括聚光镜CD、分色镜D2、透镜L1、中性灰度滤镜ND、象限探测器。

所述的CCD成像模块依次包括成像透镜L1、反射镜M3、CCD。

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。

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。

所述的装置的测量方法，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f_o＝k/(2πβ)，

式中：f₀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，β为液体的黏滞系数。

本发明的有益效果：

利用液浮光阱中被捕获微球的位移与黏滞系数的相关性，提出了一种利用光的力学效应测量液体黏滞系数的装置，所需测量的物理量较少，且具有较高的测量精度。

附图说明

图1是本发明基于光阱效应的液体黏滞系数测量装置的结构示意图；

图2是测量装置实现的光路图；

图3是对微球的位移的平方的频谱曲线的一个典型示例，图中功率谱密度衰减至3dB处即为拐点频率。

具体实施方式

本发明通过采用后焦面干涉法(BFP法)来实现微球位移的高精度高采样频率的测量,BFP系统中采用象限探测器收集透过微球与未透过微球的捕获光的干涉图像,干涉图像本身就能携带精度较高的位移信息,而象限探测器则是根据差分电流的形式来标定相对位移的大小因而具有较高的采样频率,能够满足系统位置探测的要求。

利用光的力学效应测量液体黏滞系数的基本工作原理是利用液浮环境中被捕获微球的位移高频动态测量来计算黏滞系数。微球在样品池中分散在待测溶液里，由光源发出的激光经准直、扩束后，进入物镜被聚焦形成光阱，将微球稳定捕获在光阱中心附近。照明光源发出的光经微球后在CCD成像系统上成像以便观察。微球的动态位置测量通过BFP法(后焦面干涉法)实现，即通过微球的捕获激光与未通过微球的激光在透镜的后焦面上发生干涉形成干涉条纹，QPD(四象限光电探测器)置于此透镜的后焦面上采集此干涉条纹，并通过QPD的工作原理,及相应象限的差分电压的形式来动态实时地计算微球偏离光阱的位移信息。

通过对位移信息进行相应的信号处理,我们可以计算出两个物理量:位移平方的频谱图上的拐点频率f₀,以及光阱的刚度k；通过公式(1)，我们就可以求得液体的黏滞系数β。

参照图1，利用光的力学效应测量液体粘滞系数的装置，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(BFP)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。

参照图2，所述的单光束光阱模块包括激光器、准直透镜L5、反射镜M1、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M1、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阱。M45处虚线以上表示垂直于水平面上的光路系统，虚线以下表示水平面上的光路系统。

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(测量时密闭腔内设有待测液体，微米量级微球被单光束光阱稳定捕获)。

所述的BFP位置测量模块依次包括聚光镜CD、分色镜D2、透镜L1、中性灰度滤镜ND、象限探测器。其光路构成为样品池以上的光路系统，该光学系统是一个后焦面干涉法系统BFP，经过样品池的激光被聚光镜CD收集，经分色镜D2反射在透镜L1的后焦面上发生干涉，象限位置探测器置于此后焦面上用来采集干涉条纹图样。

所述的CCD成像模块依次包括成像透镜L1、反射镜M3、CCD，照明光源发出的光，经过分色镜D2，经聚光镜CD扩束进入样品池，被物镜OBJ收集，经反射镜M45反射，透射分色镜D1，经透镜L2成像在CCD上。物镜OBJ与透镜L2构成一个显微镜系统，CCD输出的微球被捕获的图像信号可以通过计算机进行观察。

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。

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。

所述的装置的测量方法，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f_o＝k/(2πβ)，

式中：f₀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，β为液体的黏滞系数。

实施例

参照图2，首先在样品池未加入溶液和微球之前,打开激光器，通过微调调节象限探测器(QPD)的位置使得QPD的V_x‐diff和V_y‐diff输出均为0，即实现了行QPD的位置归零，保证QPD中心对齐光阱中心位置处；在样品池中加入待测液体与被捕获微球，通过前述步进电机法进行QPD输出电压/微球位移因子的标定。即微球被稳定捕获后，对样品池通过步进电机每次步进一个已知距离(量级约在几十nm)，并记录此时的QPD输出电压，一般约扫描量程为几个um级的距离即可，当一个轴向的输出电压‐步进距离曲线绘制完之后，将QPD位置归零并在水平方向上另一个正交轴上扫描绘制相应曲线，根据最终的输出电压‐步进距离关系可以将后续实验中的QPD电压信号转换成微球位移信号。实际测量结果中，可以发现在一定范围内QPD输出电压与微球偏移光阱中心近似成正比，因此我们可以得出电压‐位移线性因子k₀(k₀＝QPD输出电压V/微球偏移,单位:V/m)，通过k₀我们可以将QPD输出的电压信号转换为相应的位移信号。

完成电压‐位移线性因子的标定之后,将QPD位置归零，并将微球在待测液体中稳定捕获，测量一段时间内QPD输出电压信号值，即V‐t图，并对该信号进行相应处理。

QPD放置在可精密步进驱动的电机平台上，该电机平台主要是为了QPD的位置归零与输出电压/微球位移因子(单位为V/m)的标定。中性灰度滤镜ND作用是无色移地减弱光强避免QPD被强光损坏，当微球位于光阱中心时，由于对称原理QPD输出的差分电压信号为零，当微球偏移光阱中心位置时，QPD将输出对偏移距离敏感的差分电压信号；由于QPD的工作原理是对四个对称的区域的电压做差分处理，因而能取得非常高的采样频率，可达到MHz量级，而且采用干涉法测量的位置精度可达到nm级别，能满足系统动态、高频率、高精度的位置测量要求。

QPD的位置归零是指当微球处于光阱中心时，对应QPD输出电压差分信号为零，光阱中心的位置同时也是光束的束腰中心位置，它的实现方式是：初始样品池中不加入液体及微球前，激光器直接发出光束经光路系统成像在QPD上，通过微调QPD的位置位置使得QPD输出的差分电压V_x‐diff以及V_y‐diff均为0，此时即光阱中心对应QPD输出信号为零。

QPD输出的是差分电压信号，从电压信号转换到微球的位移信号还需要一个转换因子k₀(单位V/m)，转换因子可以通过步进标定法实现，保证QPD位置归零，将微球捕获在光阱中心之后，对样品池通过步进电机每次步进一个已知距离(量级约在几十nm)，并记录此时的QPD输出电压，一般约扫描量程为几个um级的距离即可，当一个轴向的输出电压‐步进距离曲线绘制完之后，将QPD位置归零并在水平方向上另一个正交轴上扫描绘制相应曲线，根据最终的输出电压‐步进距离关系我们可以将后续实验中的QPD电压信号转换成微球位移信号。

输出信号处理分为两种模式，一种是在时间域上，先通过电压‐位移线性因子k₀将QPD输出的电压信号转换为位移信号，并对此位移信号的离散值求得其方差，根据公式(2)，测得液体温度即可计算出光阱刚度k。

另一种是在频域上，先将电压平方后作出新的曲线图，即由V‐t图作出V²‐t图，再对V²‐t图进行傅里叶变换，在频率响应曲线上求得其拐点频率，拐点频率的定义为信号衰减3dB时对应的频率值，通过此拐点频率值以及上式计算出的光阱刚度k，一旦得到了光阱刚度k和拐点频率f₀根据公式(1)，即可求得黏滞系数。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

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M1、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M1、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阱。

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CD、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：f₀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，β为液体的黏滞系数。