[发明专利]基于光阱效应的液体黏滞系数测量装置及测量方法

说明书

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‐dimensional tracking 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

12kBT=12k<(y-ymean)2>---(2),]]>

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；