CN115876748B

CN115876748B - 一种高分辨率探测气溶胶拉曼光谱信号的方法及装置

Info

Publication number: CN115876748B
Application number: CN202310095145.3A
Authority: CN
Inventors: 李帅; 高晓文; 章逸舟; 王颖颖; 陈志明; 胡慧珠
Original assignee: Zhejiang Lab
Current assignee: Zhejiang Lab
Priority date: 2023-02-10
Filing date: 2023-02-10
Publication date: 2023-05-30
Anticipated expiration: 2043-02-10
Also published as: CN115876748A

Abstract

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。

Description

一种高分辨率探测气溶胶拉曼光谱信号的方法及装置

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。

进一步地，所述的锁相放大探测单元是由锁相放大探测光路和光谱仪构成的，锁相放大探测光路可以提升光谱仪探测气溶胶的拉曼光谱信号的信噪比。

本发明的第二方面提供了一种高分辨率探测气溶胶拉曼光谱信号的方法，具体包括以下步骤：

1）首先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；

2）利用光阱调控单元将光镊单元中形成的位置固定光阱前的挡板关闭，并将光镊单元中形成的位置可移动光阱前的挡板打开；

3）利用超声雾化器向气溶胶样品室喷入待测气溶胶；

4）光镊单元形成的位置可移动光阱捕获一个喷入的待测气溶胶；

5）利用光阱调控单元将光镊单元中形成的位置固定光阱前的挡板打开；

6）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；

7）利用光阱调控单元操控位置可移动光阱捕获的待测气溶胶靠近并接触位置固定光阱捕获的纳米金球；

8）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，所述的位置固定光阱和位置可移动光阱分别由声光调制器和压电驱动反射镜配合高数值孔径物镜形成。

进一步地，所述的位置固定光阱中心和位置可移动光阱中心间的距离为0-20µm可调。

进一步地，所述的气溶胶拉曼光谱信号的高分辨率探测是通过增强待测气溶胶拉曼光谱信号和提升气溶胶拉曼光谱信号信噪比共同实现的。

进一步地，所述的位置固定光阱中捕获纳米金球的数量是根据待测气溶胶拉曼光谱信号增强效果调整的，数量范围为1-10可调。

进一步地，所述的位置可移动光阱捕获的待测气溶胶靠近并接触位置固定光阱捕获纳米金球的效果是通过光束分析仪中散射光强度分布来进行观测的。

本发明的有益效果为：本发明方法及装置利用可移动光阱中捕获的气溶胶靠近并接触固定光阱中捕获的纳米金球实现待测气溶胶拉曼光谱信号增强，同时通过在探测光路中增加锁相放大装置实现气溶胶拉曼光谱信号信噪比的提升，从而实现气溶胶拉曼光谱信号的高分辨率探测。本发明装置简单，方便使用者在光路中增加元器件以扩展装置的应用功能。

附图说明

图1为一种高分辨率探测气溶胶拉曼光谱信号的方法流程图。

图2为一种高分辨率探测气溶胶拉曼光谱信号装置结构示意图。

图3为气溶胶样品室的结构示意图。

图4为光镊单元可移动光阱捕获一个磷酸氢二钠液滴气溶胶图。

图5为光谱仪探测到的磷酸氢二钠液滴气溶胶的拉曼光谱信号图。

图中，光镊单元1、气溶胶样品室2、光阱调控单元3、纳米金球投送单元4、锁相放大探测单元5。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。

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，流程图如图1，采用的装置如图2所示，气溶胶拉曼光谱信号高分辨率探测步骤如下：

1）首先打开光镊单元1的激光器，在气溶胶样品室2内分别形成一个位置固定光阱和一个位置可移动光阱；

2）利用光阱调控单元3将光镊单元1中形成的位置固定光阱前的挡板关闭，并将光镊单元1中形成的位置可移动光阱前的挡板打开,使用挡板的好处是可以使得每个光阱能够捕获研究人员想要其捕获的颗粒物，而不会出现光阱中已捕获的颗粒物被另一个光阱中的另一种颗粒物撞飞的现象；

3）利用超声雾化器向气溶胶样品室2喷入待测气溶胶；

4）光镊单元1形成的位置可移动光阱捕获一个喷入的待测气溶胶；

5）利用光阱调控单元3将光镊单元1中形成的位置固定光阱前的挡板打开；

6）利用纳米金球投送单元4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；

7）利用光阱调控单元3操控位置可移动光阱捕获的待测气溶胶靠近并接触位置固定光阱捕获的纳米金球；

8）利用锁相放大探测单元5探测待测气溶胶的拉曼光谱信号。

进一步地，所述的气溶胶拉曼光谱信号的高分辨率探测是通过增强待测气溶胶拉曼光谱信号和提升气溶胶拉曼光谱信号信噪比共同实现的。成功探测光阱捕获气溶胶的拉曼光谱信号，是解析气溶胶特性的关键。然而受限于气溶胶拉曼光谱信号微弱的固有特性，且现有表面增强拉曼散射方法通常是基于将待测物质吸附在金、银、二维材料等修饰的基底表面实现拉曼信号增强，不适用于光镊单元1中悬浮气溶胶的拉曼光谱信号增强，需要探索新的方法，实现气溶胶拉曼光谱信号的高分辨率探测。

本发明公开了一种高分辨率探测气溶胶拉曼光谱信号的装置，如图2所示，该装置包括光镊单元1、气溶胶样品室2、光阱调控单元3、纳米金球投送单元4、锁相放大探测单元5；所述的光镊单元1用于在气溶胶样品室2中分别捕获待测气溶胶和纳米金球；所述的光阱调控单元3用于调控光镊单元1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4用于向光镊单元1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5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1的激光器，在气溶胶样品室2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3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2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3将位置固定光阱前的挡板打开，利用纳米金球投送单元4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3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5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3包括声光调制器、压电驱动反射镜和挡板控制装置，通过Labview编程控制可实现可移动光阱位置亚纳米级的精准移动。

进一步地，所述的纳米金球投送单元4是通过电场调控实现纳米金球精准调控的，通过使用纳米金球投送单元可以使得纳米金球精准投送到固定光阱且纳米金球不会出现在可移动光阱中并不会影响可移动光阱捕获待测气溶胶的捕获效果。

进一步地，所述的锁相放大探测单元5是由锁相放大探测光路和光谱仪构成的，锁相放大探测光路提升光谱仪探测气溶胶的拉曼光谱信号的信噪比。

实施例1

本实施例1以光镊单元中位置可移动光阱和位置固定光阱分别捕获一个磷酸氢二钠液滴气溶胶和1个纳米金球并对磷酸氢二钠液滴气溶胶进行拉曼光谱信号探测为例。

光镊单元的激光器采用532nm光纤耦合固态激光器，实施过程中激光器输出的激光功率连续可调，即形成位置固定光阱和位置可移动光阱的光功率可根据捕获不同直径磷酸氢二钠液滴气溶胶和不同数量纳米金球的需求连续可调。

超声雾化器雾化的磷酸氢二钠液滴直径为5µm。

光镊单元中每个光阱捕获功率为50-1000mW可调。

锁相放大探测单元中光谱仪的品牌为Andor Shamrock 750。

本发明的高分辨率探测磷酸氢二钠液滴气溶胶拉曼光谱信号的方法具体包括如下步骤：

1）首先打开光镊单元1的激光器，在气溶胶样品室2内分别形成一个位置固定光阱和一个位置可移动光阱，位置固定光阱的捕获功率为50mW，位置可移动光阱的捕获功率为200mW；

2）利用光阱调控单元3将光镊单元1中形成的位置固定光阱前的挡板关闭，并将光镊单元1中形成的位置可移动光阱前的挡板打开；

3）利用超声雾化器向气溶胶样品室2（如图3所示）喷入直径为5µm的待测磷酸氢二钠气溶胶；

4）光镊单元1形成的位置可移动光阱捕获一个喷入的磷酸氢二钠气溶胶，如图4所示；

6）利用纳米金球投送单元4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1个纳米金球；

8）利用锁相放大探测单元5探测待测气溶胶的拉曼光谱信号，如图5所示。

最后所应说明的是，以上实施例和阐述仅用以说明本发明的技术方案而非进行限制。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，不脱离本发明技术方案公开的精神和范围的，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之中。

Claims

1.一种高分辨率探测气溶胶拉曼光谱信号的装置，其特征在于：包括光镊单元（1）、气溶胶样品室（2）、光阱调控单元（3）、纳米金球投送单元（4）和锁相放大探测单元（5）；

所述的光镊单元（1）用于在气溶胶样品室（2）中分别捕获待测气溶胶和纳米金球；

所述的光阱调控单元（3）用于调控光镊单元（1）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（4）用于向光镊单元（1）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（5）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。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，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。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的纳米金球投送单元通过电场调控实现纳米金球精准调控。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的锁相放大探测单元是由锁相放大探测光路和光谱仪构成，锁相放大探测光路用于提升光谱仪探测气溶胶的拉曼光谱信号的信噪比。

5.一种高分辨率探测气溶胶拉曼光谱信号的方法，其特征在于，采用根据权利要求1-4任一项所述的高分辨率探测气溶胶拉曼光谱信号的装置，包括以下步骤：

2）利用光阱调控单元将步骤1）中形成的位置固定光阱前的挡板关闭，并将步骤1）中形成的位置可移动光阱前的挡板打开；

3）利用超声雾化器向气溶胶样品室喷入待测气溶胶；

4）步骤1）形成的位置可移动光阱捕获一个步骤3）喷入的待测气溶胶；

5）利用光阱调控单元将步骤1）中形成的位置固定光阱前的挡板打开；

6）利用纳米金球投送单元向步骤5）打开的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；

7）利用光阱调控单元操控步骤4）中位置可移动光阱捕获的待测气溶胶靠近并接触步骤6）中位置固定光阱捕获的纳米金球；

8）利用锁相放大探测单元探测待测气溶胶的拉曼光谱信号。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的位置固定光阱由声光调制器配合高数值孔径物镜形成；所述的位置可移动光阱由压电驱动反射镜配合所述的高数值孔径物镜形成。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的位置固定光阱中心和位置可移动光阱中心间的距离为0-20µm可调。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的气溶胶拉曼光谱信号的高分辨率探测是通过增强待测气溶胶拉曼光谱信号和提升气溶胶拉曼光谱信号信噪比共同实现的。

9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的位置固定光阱中捕获纳米金球的数量是根据待测气溶胶拉曼光谱信号增强效果调整的。

10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的位置可移动光阱捕获的待测气溶胶靠近并接触位置固定光阱捕获纳米金球的效果是通过光束分析仪中散射光强度分布来进行观测的。