一种基于光镊-拉曼光谱联用技术的多液滴悬浮表征装置

1.本实用新型涉及气溶胶检测技术领域，尤其涉及一种基于光镊-拉曼光谱联用技术的多液滴悬浮表征装置。


背景技术：

2.气溶胶光镊技术可实现单个气溶胶液滴处于不和任何基底接触的悬空状态，从而更近似展示和模拟大气颗粒物、云雾滴在实际大气中的状态。通过与拉曼光谱联用分析可实时测量悬浮气溶胶及液滴在模拟大气环境中的物理化学性质，包括吸湿性、挥发性、化学组成的变化。该系统具有分辨率高、响应迅速、针对性强(单颗粒)的特征，其开发应用使得在实验室模拟单个液滴的连续变化成为可能，在大气污染与灰霾、生物气溶胶的健康效应、全球气候变化等研究领域具有广泛的应用前景。
3.气溶胶光镊的基本原理是利用激光捕获并保持微小液滴，时间范围从几秒到几天；在此期间，可以通过显微镜和拉曼光谱监测颗粒的特性和组成，同时通过变化周围气体的湿度或组成，研究气溶胶理化性质(化学成分、吸湿性、折射率)的变化。然而，当前唯一的商品化气溶胶光镊设备(aot，英国)一次仅能捕获单个液滴开展研究。实际上，实验室雾化产生的液滴在化学成分上存在异质性，并不均一。现有设备难以实现特定液滴的快速选择，以及研究不同液滴之间的碰并等过程，限制了该设备在复杂大气化学过程的深度应用。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的不足，本实用新型的目的是在于提供一种基于光镊-拉曼光谱联用技术的多液滴悬浮表征装置，可实现空气中多个微米级液滴悬浮、移动，从而能够应用于多个液滴碰并、性质不同液滴反应研究等，进行下一步的模拟研究。
5.为实现以上目的，本实用新型采取的技术方案：
6.本实用新型提供了一种基于光镊-拉曼光谱联用技术的多液滴悬浮表征装置，包括光镊设备，液滴捕获舱，显微镜模块和拉曼光谱模块；
7.所述光镊设备，用于产生光镊激光，使得光镊激光分束，形成光阱；
8.所述显微镜模块，用于将光镊激光聚焦于所述液滴捕获舱底部的上方，使得光阱捕获悬浮液滴；
9.所述液滴捕获舱，作为光阱捕获悬浮液滴的反应舱；
10.所述拉曼光谱模块，包括拉曼光谱激发模块和拉曼光谱收集模块；所述拉曼光谱激发模块，用于产生拉曼激光，使得拉曼激光聚焦于悬浮液滴；所述拉曼光谱收集模块，用于收集悬浮液滴产生的拉曼信号；其中，
11.所述拉曼光谱模块光路与所述光镊设备的光路扩充口相连接，实现对捕获液滴的拉曼光谱表征。
12.进一步的，还包括成像相机，设置在所述显微镜模块的侧面，用于使拉曼光谱成像并传送到系统控制工作站。
13.进一步的，所述悬浮液滴为多个液滴。
14.进一步的，所述悬浮液滴最多为10个。
15.进一步的，所述光阱最多为100个。
16.进一步的，所述显微镜模块为双层光路显微镜模块。
17.进一步的，所述光镊激光聚焦于液滴捕获舱底部窗口的上方20μm-80μm处。
18.本实用新型的有益效果为：
19.(1)实现了空气悬浮多液滴理化性质的测量，能够通过测量一系列捕获液滴，进而筛选合适、特定组成、性质的液滴进行下一步的模拟研究；
20.(2)能够应用于多个液滴碰并、性质不同液滴反应研究等。
附图说明
21.图1为多液滴悬浮-拉曼光谱表征装置的结构图及光路示意图；
22.图2为硫酸铵液滴的拉曼光谱图；
23.图3为多液滴悬浮-拉曼光谱表征装置的流程图。
24.图中标记如下：1-液滴捕获舱；2-显微镜模块；3-光镊激光；4-成像相机；5-拉曼激光；6-二向色镜；7-延迟镜头；8-可调谐反射晶体；9-成像透镜；10-扩束器。
具体实施方式
25.为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型的内容做进一步详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部内容。需要说明的是，本实用新型提到的光镊设备、拉曼光谱和雾化器均为现有技术，不属于对材料本身提出的改进，优选的，光镊设备选取的是tweez305型号，拉曼光谱选取的是rts2显微拉曼系统，比如二向色镜6、延迟镜头7、可调谐反射晶体8和成像透镜9等都是光镊拉曼系统，即原装光镊设备tweez305型号和rts2显微拉曼系统中的配件。
26.如图1至图3所示，本实用新型提供了一种基于光镊-拉曼光谱联用技术的多液滴悬浮表征装置，包括光镊设备，液滴捕获舱1，显微镜模块2和拉曼光谱模块；
27.光镊设备，用于产生光镊激光3，其波长为1064nm，经过扩束器10，使得光镊激光3分束，形成光阱；
28.显微镜模块2，用于将光镊激光3聚焦于所述液滴捕获舱1底部的上方，使得光阱捕获悬浮液滴；
29.液滴捕获舱1，作为光阱捕获悬浮液滴的反应舱；配置特定组分的溶液，通过气溶胶发生器等发生微米级的气溶胶液滴进入捕获舱；气溶胶发生器可为雾化器，也可为医用喷雾器；捕获舱可控制环境条件，比如温湿度、污染物浓度，如o3、no2等；
30.拉曼光谱模块，包括拉曼光谱激发模块和拉曼光谱收集模块，拉曼光谱激发模块，用于产生拉曼激光5，其波长为532nm，使得拉曼激光5聚焦于悬浮液滴；拉曼光谱收集模块，用于收集悬浮液滴产生的拉曼信号；其中，
31.拉曼光谱模块的光路与光镊设备的光路扩充口相连接，实现对捕获液滴的拉曼光
谱表征。
32.可通过拉曼光谱模块实时测量液滴光谱特征变化，可反映液滴大小和化学成分演变；也可根据不同液滴拉曼光谱特征，选择特定液滴进行大气化学过程的进一步模拟研究；还能模拟一定的大气环境条件，测量特定液滴大小、成分的变化，研究其大气过程机制，从而实现了空气悬浮多液滴理化性质的测量，能够通过测量一系列捕获液滴，进而筛选合适、特定组成、性质的液滴进行下一步的模拟研究，并能够应用于多个液滴碰并、性质不同液滴反应研究等。
33.进一步的，还包括成像相机4，设置在显微镜模块2的侧面，用于使拉曼光谱成像并传送到系统控制工作站。
34.进一步的，悬浮液滴为多个液滴。进一步的，最多可高达10个。
35.进一步的，光阱最多可高达为100个，增加捕获多个液滴的概率，可实现空气中多个微米级液滴的悬浮。
36.进一步的，显微镜模块2为双层光路显微镜模块，更准确地控制移动悬浮液滴的位置。
37.进一步的，光镊激光3聚焦于液滴捕获舱底部1窗口上方20-80μm处，此时聚焦效果最佳。
38.如图3所示，其流程步骤如下：
39.使用光镊激光3在液滴捕获舱1内形成能够捕获微液滴的光阱
→
使用雾化器向液滴捕获舱1内通入微液滴，并控制环境条件
→
长时间观测，获取该液滴拉曼光谱信号
→
重复上一步，获取不同液滴的拉曼光谱信号特征，据此选择特定液滴
→
调整光镊激光功率实现微液滴的稳定捕获
→
移动捕获液滴至拉曼激光5聚焦位置，获取其拉曼光谱信号
→
处理拉曼光谱信号，获取微液滴中物质的浓度、折射率、粒径等信息。
40.上面结合附图对本实用新型的实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于此，在所属技术领域的技术人员所具备的知识范围内，在不脱离本实用新型宗旨的前提下还可以做出各种变化。

技术特征：
1.一种基于光镊-拉曼光谱联用技术的多液滴悬浮表征装置，包括光镊设备，液滴捕获舱，显微镜模块和拉曼光谱模块，其特征在于，所述光镊设备，用于产生光镊激光，使得光镊激光分束，形成光阱；所述显微镜模块，用于将光镊激光聚焦于所述液滴捕获舱底部的上方，使得光阱捕获悬浮液滴；所述液滴捕获舱，作为光阱捕获悬浮液滴的反应舱；所述拉曼光谱模块，包括拉曼光谱激发模块和拉曼光谱收集模块；所述拉曼光谱激发模块，用于产生拉曼激光，使得拉曼激光聚焦于悬浮液滴；所述拉曼光谱收集模块，用于收集悬浮液滴产生的拉曼信号；其中，所述拉曼光谱模块光路与所述光镊设备的光路扩充口相连接，实现对捕获液滴的拉曼光谱表征。2.根据权利要求1所述的基于光镊-拉曼光谱联用技术的多液滴悬浮表征装置，其特征在于：还包括成像相机，设置在所述显微镜模块的侧面，用于使拉曼光谱成像并传送到系统控制工作站。3.根据权利要求1所述的基于光镊-拉曼光谱联用技术的多液滴悬浮表征装置，其特征在于：所述悬浮液滴为多个液滴。4.根据权利要求1或3所述的基于光镊-拉曼光谱联用技术的多液滴悬浮表征装置，其特征在于：所述悬浮液滴最多为10个。5.根据权利要求1所述的基于光镊-拉曼光谱联用技术的多液滴悬浮表征装置，其特征在于：所述光阱最多为100个。6.根据权利要求1所述的基于光镊-拉曼光谱联用技术的多液滴悬浮表征装置，其特征在于：所述显微镜模块为双层光路显微镜模块。7.根据权利要求1所述的基于光镊-拉曼光谱联用技术的多液滴悬浮表征装置，其特征在于：所述光镊激光聚焦于液滴捕获舱底部窗口的上方20μm-80μm处。

技术总结
本实用新型提供了一种基于光镊-拉曼光谱联用技术的多液滴悬浮表征装置，包括光镊设备，用于产生光镊激光，使得光镊激光分束形成光阱；显微镜模块，用于将光镊激光聚焦于所述液滴捕获舱底部的上方，使得光阱捕获悬浮液滴；液滴捕获舱作为光阱捕获悬浮液滴的反应舱；拉曼光谱模块包括拉曼光谱激发模块和拉曼光谱收集模块；拉曼光谱激发模块，用于产生拉曼激光，使得拉曼激光聚焦于悬浮液滴；拉曼光谱收集模块，用于收集悬浮液滴产生的拉曼信号；其中，拉曼光谱模块光路与光镊设备的光路扩充口相连接，实现对捕获液滴的拉曼光谱表征。以实现空气中多个微米级液滴悬浮、移动，从而能够应用于多个液滴碰并、性质不同液滴反应研究等。研究等。研究等。


技术研发人员：张国华 王韬 苏柏江 毕新慧 王新明
受保护的技术使用者：中国科学院广州地球化学研究所
技术研发日：2023.04.12
技术公布日：2023/9/16