[发明专利]一种基于光学俘获的颗粒粒径检测方法

摘要

本发明提供一种基于光学俘获的颗粒粒径检测方法，该方法分析被光阱俘获颗粒位移的功率谱，该信号包括受限布朗运动对应的洛仑兹分布和受迫运动的尖峰。根据尖峰相对洛仑兹分布围绕的面积与峰的高度，反演该光阱中微粒被位置探测器探测时的电压比例系数，根据标准尺寸微粒粒径，测量粘滞系数与温度的比值。根据粘滞系数与温度的关系，获得光阱中的温度。采集待测微粒在光阱中的受迫运动信号，然后使用功率谱校准探测器对该微粒的电压比例系数。由热噪声的功率谱获得扩散系数，根据标准微粒测量的温度和粘滞系数以及Stokes-Einstein关系即可确定颗粒半径。该方法可以检测出实验环境中单个颗粒的粒径，即可原位高精度检测粒径。

主权项

一种基于光学俘获的颗粒粒径检测方法，其特征在于：该方法的步骤如下：步骤(1)、构建一套光镊系统作为检测系统，包括俘获光源、各种透镜、高数值孔径物镜、宽带快速位置敏感探测器、照明灯、位移平台和相机；将激光经过扩束镜扩束后由聚焦透镜将光束耦合进入高数值孔径物镜内，位置敏感探测器放置在照明透镜的后焦面的共轭面上，探测光阱中颗粒的布朗运动信号，样品室放置在位移移动平台上，可以通过平台控制样品室作正弦运动；步骤(2)、将标准尺寸的颗粒与待测样品混匀用水稀释充满注入样品室，光镊捕获标准尺寸颗粒，通过平台控制样品室做正弦运动，通过位置探测器采集标准微粒在光阱中的布朗运动信号；分析运动信号的功率谱信号，该信号包括受限布朗运动时热噪声的洛仑兹线型分布和受迫运动的尖峰；通过位置探测器采集被捕获颗粒的布朗运动信号，其功率谱P(f)与采用频率f之间满足：P(f)＝P_thermal(f)+P_force(f)，其中热运动的功率谱为D为颗粒的扩散系数，f_c为颗粒在光阱中的特征参数；受迫运动的功率谱为$P_{\mathrm{force}}\left(f\right)=\frac{A^2}{2(1+\frac{{f_c}^2}{f_d^2})}\mathrm{\δ}(f-f_d),P\left(f\right)={\mathrm{\β}}^2{P}^{\mathrm{volt}}\left(f\right),$A为平台运动的真实振幅，平台运动的频率为f_d，β为电压比例系数，δ为脉冲函数；根据洛仑兹线型拟合为拟合获得则电压比例系数其中$w_{\mathrm{th}}=A^2/2(1+{f_c}^2/f_d^2),$$w_{\mathrm{ex}}=[P^{\mathrm{volt}}\left(f_d\right)-P_{\mathrm{thermal}}^{\mathrm{volt}}\left(f_d\right)]\mathrm{\Δf},$B为拟合参数；温度T和粘滞系数η满足η(T)/T＝12π³β²Br_s/k_B，其中k_B为玻尔兹曼常数，r_s为标准尺寸微粒的半径，根据溶液粘滞系数与温度关系，求解确定温度T以及在此温度下η(T)；步骤(3)、用光镊捕获待测样品，重复步骤(2)的检测过程，标定捕获待测粒径时位置敏感探测器器件的电压比例系数β；在光阱激光功率较低时，步骤(2)测量的温度就代表了任意测量光阱中的温度；待测颗粒功率谱信号的同样采用洛仑兹线型拟合含扩散系数项B，则测量半径r_measure＝k_BT/(12π³β²B)。