CN109374487B - 一种微颗粒的超快光谱研究装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及材料工程领域，一种微颗粒的超快光谱研究装置，包括位移台I、旋转马达、旋转轴、磁铁、位移台II、样品腔、搅拌片、透镜I、分束器、激光器、滤光片、透镜II、小孔、透镜III、探测器和计算机，采用超快光谱方法来研究低浓度的微颗粒样品，具有特殊的样品腔及搅拌片，能够使得样品腔中不同区域的样品进行快速交换，满足超快光谱实验的需要，采用旋转样品腔结合荧光探测的方法对液体中微颗粒的数量进行高精度的测量，不会造成样品损耗，样品腔中不同区域的样品能够进行快速交换，且噪声小，能够对微颗粒样品进行高精度计数，无样品损耗，操作流程简便。
Description
技术领域
本发明涉及材料工程领域，尤其是一种采用超快光谱方法来研究低浓度的微颗粒样品的一种微颗粒的超快光谱研究装置。
背景技术
超快光谱是一种采用超快激光来研究样品特性的方法，能够得到具有飞秒分辨率的时间分辨谱，通常用于研究光化学或光生物学中的超快过程，实验中需要将聚焦的激光射到样品中的部分区域，现有技术的激光系统的激光重复率能够达到kHz量级，这就需要样品中已被激光激发的部分与未被激发的部分之间有足够快的交换速度，以避免样品被激光重复激发而对实验结果造成影响，某些现有技术采用循环泵的方法来使得样品中的部分进行交换，不但需要的样品量较大，而且会引入机械噪声，甚至会造成样品损坏；另一些现有技术采用匀速旋转的搅拌器来进行不同区域的样品交换，但是在某些体积较小的样品腔中搅拌范围较小，即仅能够对搅拌片周围的样品进行搅拌混合，并且会使得样品对激光产生周期性的折射，导致在超快光谱中引入周期性的噪声，对超快光谱的结果产生影响。在某些应用中，需要对液体中的颗粒数目进行计数，现有技术中的计数测量耗时较长，且只能对单位体积液体中的颗粒数量较大的样品进行测量，所述一种微颗粒的超快光谱研究装置能够解决问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明装置具有特殊的样品腔及搅拌片，能够使得样品腔中不同区域的样品进行快速交换，满足超快光谱实验的需要，另外，采用旋转样品腔结合荧光探测的方法对液体中微颗粒的数量进行高精度的测量，不会造成样品损耗，操作简便。
本发明所采用的技术方案是：
所述一种微颗粒的超快光谱研究装置包括位移台I、旋转马达、旋转轴、磁铁、位移台II、样品腔、搅拌片、透镜I、分束器、激光器、滤光片、透镜II、小孔、透镜III、探测器和计算机，xyz为三维空间坐标系，旋转马达固定于位移台I上，所述激光器、分束器、透镜I和样品腔依次组成入射光路，所述样品腔、透镜I、分束器、滤光片、透镜II、小孔、透镜III和探测器依次组成出射光路，激光器能够发射波长可调的连续激光和激光脉冲，激光脉冲包括泵浦脉冲和探测脉冲，所述泵浦脉冲和探测脉冲具有不同的功率、频率和持续时间，探测脉冲与泵浦脉冲之间的时间间隔能够调节；磁铁通过旋转轴连接旋转马达，旋转轴平行于z坐标轴，位移台I能够三维移动，旋转马达能够带动磁铁旋转，样品腔固定于位移台II上，位移台II能够三维移动，位移台II能够带动样品腔绕样品腔的y方向中心线转动，样品腔上半部分是长方体腔、下半部分为轴线沿y方向的圆柱桶，所述上半部分与下半部分之间具有栅网，所述长方体腔高为30毫米、长为10毫米、宽为2毫米，所述圆柱桶高为20毫米、底面直径为10毫米，所述长方体腔的y方向中心线与所述圆柱桶的轴线共线，搅拌片由具有磁性的不锈钢杆外包裹聚四氟乙烯制成，搅拌片的直径为1.2毫米、长度为13毫米，搅拌片位于样品腔上半部分，所述栅网能够防止搅拌片掉入圆柱桶；所述旋转马达、激光器和探测器分别电缆连接计算机，通过计算机能够调节激光器发出的激光脉冲与旋转马达旋转角度之间的时间差；小孔的尺寸能够调节，能够根据不同尺寸的待测微颗粒来调节探测器的探测分辨率。
搅拌片使得样品腔中的不同区域的样品部分进行快速交换的原理为：
调节位移台II使得样品腔的上半部分的长方体腔的宽度方向与z轴平行，调节位移台I使得旋转轴的轴线延长线位于长方体腔的中心，开启旋转马达使得磁铁绕旋转轴的轴线匀速旋转，转速典型值为0.5转/秒，由于受到磁铁的磁力矩作用，搅拌片将随着磁铁旋转，搅拌片旋转直到两端与长方体腔的内壁接触并被限位，此时磁铁继续旋转，搅拌片仍受到磁铁的磁力矩作用，但是搅拌片位置不变，当磁铁旋转至某一角度，搅拌片受到磁铁的磁力矩反向，此时搅拌片会向磁铁旋转的反方向快速翻转，搅拌片翻转直到两端与长方体腔的内壁接触并被限位，综上所述，磁铁匀速旋转一周的过程中，搅拌片进行两次旋转，一次是搅拌片随着磁铁旋转方向慢速旋转，再一次是搅拌片向磁铁旋转的反方向快速翻转，搅拌片的快速翻转过程使得搅拌片附近区域的样品与样品腔其他部分的样品快速交换。技术优点是：搅拌片随着磁铁旋转方向的慢速旋转过程不会引入噪声，通过调节激光脉冲与搅拌片向磁铁旋转的反方向快速翻转过程的时间间隔，能够有效地避免样品中的机械噪声进入光谱，也避免了激光在样品中的周期性的折射。
对液体样品中的微颗粒进行计数测量的原理为：
含有待测微颗粒的液体样品置于样品腔中，根据待测微颗粒的种类，向液体样品中添加荧光染色剂，使得在特定波长的激光照射下微颗粒表面能够发射出荧光，激光器发射的激光照射样品使得微颗粒发射出荧光，所述荧光通过出射光路被探测器记录；激光器发射的激光经过分束器的偏向后，被透镜I聚焦至样品腔下半部分的圆柱桶中，位移台II带动样品腔绕样品腔的y方向中心线转动，液体样品中悬浮的微颗粒与溶剂一起移动，并通过样品腔内激光的焦点从而发射出荧光；在样品腔不旋转的情况下，其中被激光照射的部分体积内的微颗粒发射出的荧光能够被探测器探测到的这部分体积，定义为可探测体积，估算可探测体积的方法如下：将能够发射出的荧光的荧光参照物固定于样品腔内，并且使得探测器能够识别，激光束沿负z方向入射样品腔，在样品腔固定不动的时候，探测器记录的荧光信号的强度为(式一)，其中w0为激光束在x方向的束腰直径，z0为激光束沿z方向的束腰直径，调节位移台II使得样品腔沿x方向平移，探测器记录荧光参照物的荧光信号，采用二维高斯分布对数据进行拟合后得到w0，调节位移台II使得样品腔沿z方向平移，探测器记录荧光参照物的荧光信号，采用二维高斯分布对数据进行拟合后得到z0，采用式一对所得数据进行拟合，估算出可探测体积，典型值为0.5纳升；探测器连续记录一段时间T内可探测体积内的微颗粒发射出的荧光的强度，得到一些不同强度的信号数据，计算机对所述信号数据进行处理后得到T时间内可探测体积内的微颗粒的数量，并结合样品腔的转速，能够得到单位液体体积内微颗粒的数量。
采用所述一种微颗粒的超快光谱研究装置对微颗粒样品进行超快光谱实验的步骤为：
步骤1，将含有待测微颗粒的液体样品置于样品腔中；
步骤2，调节位移台II使得样品腔的上半部分的长方体腔的宽度方向与z坐标轴平行，调节位移台I使得旋转轴的轴线延长线位于样品腔上半部分的长方体腔的中心；
步骤3，调节透镜I、分束器、激光器、滤光片、透镜II、小孔、透镜III及探测器的位置，使得激光器发射的激光经过分束器的偏向后，被透镜I聚焦至样品腔上半部分的长方体腔中，并使得由样品反射的光依次通过透镜I、分束器、滤光片、透镜II、小孔和透镜III后，进入探测器；
步骤4，开启旋转马达使得磁铁绕旋转轴的轴线匀速旋转，转速典型值为0.5转/秒，使得搅拌片对样品进行搅拌；
步骤5，激光器周期性地发射出泵浦脉冲和探测脉冲序列，泵浦脉冲和探测脉冲周期性地入射到样品中；
步骤6，根据搅拌片位置对应的旋转马达的旋转角度，通过计算机调节激光器发出的泵浦脉冲和探测脉冲的间隔时间，使得搅拌片向磁铁旋转的反方向快速翻转过程在泵浦脉冲和探测脉冲入射到样品的时间间隙中；
步骤7，探测器记录从样品上射出的光并生成相应数据，计算机分析所述数据后得到样品的超快光谱。
采用一种微颗粒的超快光谱研究装置对液体样品中的微颗粒进行快速计数测量的步骤为：
步骤一，将含有待测微颗粒的液体样品置于样品腔中；
步骤二，根据待测微颗粒的种类，向液体样品中添加荧光染色剂，使得在相应波长的激光照射下微颗粒表面能够发射出荧光；
步骤三，调节透镜I、分束器、激光器、滤光片、透镜II、小孔、透镜III和探测器的位置，使得激光器发射的激光经过分束器的偏向后，被透镜I聚焦至样品腔下半部分的圆柱桶中，并使得由样品反射的光依次通过透镜I、分束器、滤光片、透镜II、小孔和透镜III后，进入探测器；
步骤四，位移台II带动样品腔绕样品腔的y方向中心线转动，转速典型范围为50到400转/分；
步骤五，激光器发射出的连续激光入射到样品腔中的样品上，所述连续激光的波长根据液体样品中添加的荧光染色剂的种类来确定；
步骤六，调整小孔的尺寸，使得探测器能够清晰地记录单个微颗粒发射的荧光；
步骤七，探测器记录从样品上射出的光并生成相应数据，计算机分析所述数据后，得到液体样品的可探测体积中的待测微颗粒样品的数量信息，结合样品腔的转速，能够得到单位液体体积内微颗粒的数量，对于直径2微米的微颗粒，能够探测的单位体积液体内微颗粒的数量的最小值为50个/毫升。
本发明的有益效果是：
本发明样品腔中不同区域的样品能够进行快速交换，且噪声小，满足超快光谱实验的需要，另外，能够对微颗粒样品进行高精度计数，无样品损耗，操作流程简便。
附图说明
下面结合本发明的图形进一步说明：
图1是本发明示意图；
图2是样品腔侧面放大示意图；图3是图2的俯视图；
图4是搅拌片随磁铁旋转过程的示意图之一；
图5是搅拌片随磁铁旋转过程的示意图之二；
图6是搅拌片随磁铁旋转过程的示意图之三；
图7是搅拌片随磁铁旋转过程的示意图之四；
图8是搅拌片随磁铁旋转过程的示意图之五；
图9是搅拌片随磁铁旋转过程的示意图之六。
图中，1.位移台I，2.旋转马达，3.旋转轴，4.磁铁，5.位移台II，6.样品腔，7.搅拌片，8.透镜I，9.分束器，10.激光器，11.滤光片，12.透镜II，13.小孔，14.透镜III，15.探测器。
具体实施方式
如图1是本发明示意图，xyz为三维空间坐标系，包括位移台I(1)、旋转马达(2)、旋转轴(3)、磁铁(4)、位移台II(5)、样品腔(6)、搅拌片(7)、透镜I(8)、分束器(9)、激光器(10)、滤光片(11)、透镜II(12)、小孔(13)、透镜III(14)、探测器(15)和计算机，旋转马达(2)固定于位移台I(1)上，磁铁(4)通过旋转轴(3)连接旋转马达(2)，旋转轴(3)平行于z坐标轴，位移台I(1)能够三维移动，旋转马达(2)能够带动磁铁(4)旋转，样品腔(6)固定于位移台II(5)上，位移台II(5)能够三维移动，位移台II(5)能够带动样品腔(6)绕样品腔(6)的y方向中心线转动，样品腔(6)上半部分是长方体腔、下半部分为轴线沿y方向的圆柱桶，所述上半部分与下半部分之间具有栅网，所述长方体腔高为30毫米、长为10毫米、宽为2毫米，所述圆柱桶高为20毫米、底面直径为10毫米，所述长方体腔的y方向中心线与所述圆柱桶的轴线共线，搅拌片(7)由具有磁性的不锈钢杆外包裹聚四氟乙烯制成，搅拌片(7)的直径为1.2毫米、长度为13毫米，搅拌片(7)位于样品腔(6)上半部分，所述栅网能够防止搅拌片(7)掉入圆柱桶，所述激光器(10)、分束器(9)、透镜I(8)和样品腔(6)依次组成入射光路，所述样品腔(6)、透镜I(8)、分束器(9)、滤光片(11)、透镜II(12)、小孔(13)、透镜III(14)和探测器(15)依次组成出射光路，激光器(10)能够发射波长可调的连续激光和激光脉冲，激光脉冲包括泵浦脉冲和探测脉冲，所述泵浦脉冲和探测脉冲具有不同的功率、频率和持续时间，探测脉冲与泵浦脉冲之间的时间间隔能够调节，所述旋转马达(2)、激光器(10)和探测器(15)分别电缆连接计算机，通过计算机能够调节激光器(10)发出的激光脉冲与旋转马达(2)旋转角度之间的时间差；小孔(13)的尺寸能够调节，能够根据不同尺寸的待测微颗粒来调节探测器(15)的探测分辨率。
如图2是样品腔侧面放大示意图，如图3是图2的俯视图，样品腔(6)上半部分是长方体腔、下半部分为轴线沿y方向的圆柱桶，所述长方体腔的y方向中心线与所述圆柱桶的轴线共线。
如图4是搅拌片随磁铁旋转过程的示意图之一，如图5是搅拌片随磁铁旋转过程的示意图之二，如图6是搅拌片随磁铁旋转过程的示意图之三，如图7是搅拌片随磁铁旋转过程的示意图之四，如图8是搅拌片随磁铁旋转过程的示意图之五，如图9是搅拌片随磁铁旋转过程的示意图之六，图中箭头为旋转方向，旋转马达(2)能够带动磁铁(4)旋转，磁铁(4)的磁极位置改变，搅拌片(7)随磁铁(4)旋转。
所述一种微颗粒的超快光谱研究装置包括位移台I(1)、旋转马达(2)、旋转轴(3)、磁铁(4)、位移台II(5)、样品腔(6)、搅拌片(7)、透镜I(8)、分束器(9)、激光器(10)、滤光片(11)、透镜II(12)、小孔(13)、透镜III(14)、探测器(15)和计算机，xyz为三维空间坐标系，旋转马达(2)固定于位移台I(1)上，所述激光器(10)、分束器(9)、透镜I(8)和样品腔(6)依次组成入射光路，所述样品腔(6)、透镜I(8)、分束器(9)、滤光片(11)、透镜II(12)、小孔(13)、透镜III(14)和探测器(15)依次组成出射光路，激光器(10)能够发射波长可调的连续激光和激光脉冲，激光脉冲包括泵浦脉冲和探测脉冲，所述泵浦脉冲和探测脉冲具有不同的功率、频率和持续时间，探测脉冲与泵浦脉冲之间的时间间隔能够调节；磁铁(4)通过旋转轴(3)连接旋转马达(2)，旋转轴(3)平行于z坐标轴，位移台I(1)能够三维移动，旋转马达(2)能够带动磁铁(4)旋转，样品腔(6)固定于位移台II(5)上，位移台II(5)能够三维移动，位移台II(5)能够带动样品腔(6)绕样品腔(6)的y方向中心线转动，样品腔(6)上半部分是长方体腔、下半部分为轴线沿y方向的圆柱桶，所述上半部分与下半部分之间具有栅网，所述长方体腔高为30毫米、长为10毫米、宽为2毫米，所述圆柱桶高为20毫米、底面直径为10毫米，所述长方体腔的y方向中心线与所述圆柱桶的轴线共线，搅拌片(7)由具有磁性的不锈钢杆外包裹聚四氟乙烯制成，搅拌片(7)的直径为1.2毫米、长度为13毫米，搅拌片(7)位于样品腔(6)上半部分，所述栅网能够防止搅拌片(7)掉入圆柱桶；所述旋转马达(2)、激光器(10)和探测器(15)分别电缆连接计算机，通过计算机能够调节激光器(10)发出的激光脉冲与旋转马达(2)旋转角度之间的时间差；小孔(13)的尺寸能够调节，能够根据不同尺寸的待测微颗粒来调节探测器(15)的探测分辨率。
搅拌片(7)使得样品腔(6)中的不同区域的样品部分进行快速交换的原理为：
如图1，调节位移台II(5)使得样品腔(6)的上半部分的长方体腔的宽度方向与z轴平行，调节位移台I(1)使得旋转轴(3)的轴线延长线位于长方体腔的中心，开启旋转马达(2)使得磁铁(4)绕旋转轴(3)的轴线匀速旋转，转速典型值为0.5转/秒，如图4、图5，由于受到磁铁(4)的磁力矩作用，搅拌片(7)将随着磁铁(4)旋转，如图6，搅拌片(7)旋转直到两端与长方体腔的内壁接触并被限位，如图7，此时磁铁(4)继续旋转，搅拌片(7)仍受到磁铁(4)的磁力矩作用，但是搅拌片(7)位置不变，如图8，当磁铁(4)旋转至某一角度，搅拌片(7)受到磁铁(4)的磁力矩反向，此时搅拌片(7)会向磁铁(4)旋转的反方向快速翻转，如图9，搅拌片(7)翻转直到两端与长方体腔的内壁接触并被限位，综上所述，磁铁匀速旋转一周的过程中，搅拌片(7)进行两次旋转，一次是搅拌片(7)随着磁铁(4)旋转方向慢速旋转，再一次是搅拌片(7)向磁铁(4)旋转的反方向快速翻转，搅拌片(7)的快速翻转过程使得搅拌片(7)附近区域的样品与样品腔(6)其他部分的样品快速交换。技术优点是：搅拌片(7)随着磁铁(4)旋转方向的慢速旋转过程不会引入噪声，通过调节激光脉冲与搅拌片(7)向磁铁(4)旋转的反方向快速翻转过程的时间间隔，能够有效地避免样品中的机械噪声进入光谱，也避免了激光在样品中的周期性的折射。
对液体样品中的微颗粒进行计数测量的原理为：
含有待测微颗粒的液体样品置于样品腔(6)中，根据待测微颗粒的种类，向液体样品中添加荧光染色剂，使得在特定波长的激光照射下微颗粒表面能够发射出荧光，激光器(10)发射的激光照射样品使得微颗粒发射出荧光，所述荧光通过出射光路被探测器(15)记录；激光器(10)发射的激光经过分束器(9)的偏向后，被透镜I(8)聚焦至样品腔(6)下半部分的圆柱桶中，位移台II(5)带动样品腔(6)绕样品腔(6)的y方向中心线转动，液体样品中悬浮的微颗粒与溶剂一起移动，并通过样品腔(6)内激光的焦点从而发射出荧光；在样品腔(6)不旋转的情况下，其中被激光照射的部分体积内的微颗粒发射出的荧光能够被探测器(15)探测到的这部分体积，定义为可探测体积，估算可探测体积的方法如下：将能够发射出的荧光的荧光参照物固定于样品腔(6)内，并且使得探测器(15)能够识别，激光束沿负z方向入射样品腔(6)，在样品腔固定不动的时候，探测器(15)记录的荧光信号的强度为(式一)，其中w0为激光束在x方向的束腰直径，z0为激光束沿z方向的束腰直径，调节位移台II(5)使得样品腔(6)沿x方向平移，探测器(15)记录荧光参照物的荧光信号，采用二维高斯分布对数据进行拟合后得到w0，调节位移台II(5)使得样品腔(6)沿z方向平移，探测器(15)记录荧光参照物的荧光信号，采用二维高斯分布对数据进行拟合后得到z0，采用式一对所得数据进行拟合，估算出可探测体积，典型值为0.5纳升；探测器(15)连续记录一段时间T内可探测体积内的微颗粒发射出的荧光的强度，得到一些不同强度的信号数据，计算机对所述信号数据进行处理后得到T时间内可探测体积内的微颗粒的数量，并结合样品腔(6)的转速，能够得到单位液体体积内微颗粒的数量。
本发明装置具有特殊设计的样品腔及搅拌片，能够使得样品腔中不同区域的样品进行快速交换，有效地降低了机械噪声，满足超快光谱实验的需要，另外，采用旋转样品腔结合荧光探测的方法对微颗粒进行高精度的计数，无样品损耗，操作简便。
Claims (1)
1.一种微颗粒的超快光谱研究装置，包括位移台I(1)、旋转马达(2)、旋转轴(3)、磁铁(4)、位移台II(5)、样品腔(6)、搅拌片(7)、透镜I(8)、分束器(9)、激光器(10)、滤光片(11)、透镜II(12)、小孔(13)、透镜III(14)、探测器(15)和计算机，xyz为三维空间坐标系，旋转马达(2)固定于位移台I(1)上，所述激光器(10)、分束器(9)、透镜I(8)和样品腔(6)依次组成入射光路，所述样品腔(6)、透镜I(8)、分束器(9)、滤光片(11)、透镜II(12)、小孔(13)、透镜III(14)和探测器(15)依次组成出射光路，激光器(10)能够发射波长可调的连续激光和激光脉冲，激光脉冲包括泵浦脉冲和探测脉冲，所述泵浦脉冲和探测脉冲具有不同的功率、频率和持续时间，探测脉冲与泵浦脉冲之间的时间间隔能够调节，
其特征是：磁铁(4)通过旋转轴(3)连接旋转马达(2)，旋转轴(3)平行于z坐标轴，位移台I(1)能够三维移动，旋转马达(2)能够带动磁铁(4)旋转，样品腔(6)固定于位移台II(5)上，位移台II(5)能够三维移动，位移台II(5)能够带动样品腔(6)绕样品腔(6)的y方向中心线转动，样品腔(6)上半部分是长方体腔、下半部分为轴线沿y方向的圆柱桶，所述上半部分与下半部分之间具有栅网，所述长方体腔高为30毫米、长为10毫米、宽为2毫米，所述圆柱桶高为20毫米、底面直径为10毫米，所述长方体腔的y方向中心线与所述圆柱桶的轴线共线，搅拌片(7)由具有磁性的不锈钢杆外包裹聚四氟乙烯制成，搅拌片(7)的直径为1.2毫米、长度为13毫米，搅拌片(7)位于样品腔(6)上半部分，所述栅网能够防止搅拌片(7)掉入圆柱桶；所述旋转马达(2)、激光器(10)和探测器(15)分别电缆连接计算机，通过计算机能够调节激光器(10)发出的激光脉冲与旋转马达(2)旋转角度之间的时间差；小孔(13)的尺寸能够调节，能够根据不同尺寸的待测微颗粒来调节探测器(15)的探测分辨率。
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