[发明专利]一种高分辨率探测气溶胶拉曼光谱信号的方法及装置

说明书

本发明公开了一种高分辨率探测气溶胶拉曼光谱信号的方法及装置。装置包括光镊单元、气溶胶样品室、光阱调控单元、纳米金球投送单元、锁相放大探测单元；光镊单元用于在气溶胶样品室中分别捕获待测气溶胶和纳米金球；光阱调控单元用于调控光镊单元中位置可移动光阱的位置和光阱前挡板的打开和关闭；纳米金球投送单元用于向光镊单元中位置固定光阱精准投送纳米金球，使得位置固定光阱捕获纳米金球；锁相放大探测单元用于提升待测气溶胶的拉曼光谱信号信噪比并实现气溶胶的拉曼光谱信号探测。本发明实现了待测气溶胶拉曼光谱信号增强和气溶胶拉曼光谱信号信噪比的提升，从而实现了气溶胶拉曼光谱信号的高分辨率探测。

技术领域

本发明涉及光阱传感领域、大气科学和环境科学领域，特别涉及一种高分辨率探测气溶胶拉曼光谱信号的方法及装置。

背景技术

气溶胶是指由固体或液体小质点分散并悬浮在气体介质中形成的胶体分散体系，气溶胶的特性会随环境条件的改变而发生变化。当环境相对湿度发生变化时，可溶性气溶胶会发生吸湿潮解、挥发及吸湿增长、相态转变等，引起其辐射吸收、多相反应过程及形成云凝结核的活性等方面的改变。当大气环境中的氧化剂与挥发性有机气溶胶发生氧化反应时，生成的二次有机气溶胶占环境有机气溶胶总量的30%-70%，不仅危害人体健康，而且还会引起气候变化，造成空气污染。相比于传统的气溶胶颗粒特性测量方法（如傅里叶变换红外光谱法、扫描电镜法、透射电镜法、原子力显微镜法等），采用悬浮光镊进行气溶胶颗粒特性测量时，表现出两方面的优势：一方面，光镊可以在空气中捕获并悬浮待测气溶胶单颗粒而无基底接触影响；另一方面，通过光镊悬浮气溶胶颗粒，可以模拟大气环境中气溶胶颗粒的真实状态而不会对待测气溶胶颗粒及所处环境产生影响。目前，在用悬浮光镊进行气溶胶颗粒特性测量时，存在气溶胶的拉曼光谱信号微弱难题。由于待测亚微米尺寸气溶胶的拉曼散射信号约为瑞利散射信号的千分之一至万分之一，且粒径越小其拉曼散射截面越小，对应的拉曼散射信号越弱，因而存在亚微米尺寸气溶胶的拉曼散射信号微弱难题。虽然现有的表面增强拉曼散射方法可以将拉曼散射信号增强10²～10¹⁰倍，但该方法是基于将待测物质吸附到某些金属、半导体纳米材料或二维材料表面实现的拉曼散射信号增强，不适用于拉曼光镊中悬浮亚微米尺寸气溶胶的拉曼散射信号增强。因此需要探索气溶胶拉曼光谱信号的高分辨率探测方案，提高气溶胶的拉曼光谱信号的探测能力，最终实现气溶胶的吸湿和挥发、氧化、相态转变等特性测量。

发明内容

针对现有技术不足，本发明提出了一种高分辨率探测气溶胶拉曼光谱信号的方法及装置。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

本发明的第一方面提供了一种高分辨率探测气溶胶拉曼光谱信号的装置，包括光镊单元、气溶胶样品室、光阱调控单元、纳米金球投送单元、锁相放大探测单元；所述的光镊单元用于在气溶胶样品室中分别捕获待测气溶胶和纳米金球；所述的光阱调控单元用于调控光镊单元中位置可移动光阱的位置和光阱前挡板的打开和关闭；所述的纳米金球投送单元用于向光镊单元中位置固定光阱精准投送纳米金球，使得位置固定光阱捕获纳米金球；所述的锁相放大探测单元用于提升待测气溶胶的拉曼光谱信号信噪比并实现气溶胶的拉曼光谱信号探测。根据气溶胶的不同研究需求，打开光镊单元的激光器，在气溶胶样品室内分别形成一个位置固定光阱和一个位置可移动光阱，利用光阱调控单元将位置固定光阱前的挡板关闭，并将位置可移动光阱前的挡板打开，使用超声雾化器向气溶胶样品室喷入待测气溶胶，位置可移动光阱捕获一个待测气溶胶，利用光阱调控单元将位置固定光阱前的挡板打开，利用纳米金球投送单元向位置固定光阱精准投送纳米金球，使得位置固定光阱中捕获纳米金球，然后通过光阱调控单元操控可移动光阱捕获的待测气溶胶靠近并接触固定光阱捕获的纳米金球，最后利用锁相放大探测单元探测待测气溶胶的拉曼光谱信号。

进一步地，所述的光阱调控单元包括声光调制器、压电驱动反射镜和挡板控制装置。

进一步地，所述的纳米金球投送单元是通过电场调控实现纳米金球精准调控的。