光镊技术在气溶胶物理化学表征中的应用

有机气溶胶的热/动力学研究是多学科交叉的前沿研究领域,其核心问题主要是非理想混合包括挥发性、液-液相分离、非平衡传质动力学等,精确测量这些过程相关理化参数是目前研究的瓶颈。光镊系统可以悬浮气溶胶单颗粒,获得高信噪比受激拉曼光谱,在研究气溶胶物理化学性质与其大气效应中具有独到优势。被广泛用于有机及其与无机混合体系气溶胶的吸湿性、挥发性、水传质动力学、液-液相分离过程研究中。本文综述了激光悬浮气溶胶单颗粒技术的研究进展,主要包括光镊技术的原理和技术手段,以及在气溶胶关键物理化学参数测量中的应用。通过光镊系统,一方面可以获得重要理化参数的精确结果,另一方面可以对实际环境中悬浮液滴的状态进行模拟测量,从而为大气科学的研究与污染治理提供重要支撑。     

利用不同的湿度调节方法研究醋酸镁气溶胶中水的传质过程

利用一种自制的湿度调节设备与真空红外光谱仪相结合, 提出了一种研究醋酸镁气溶胶的吸湿性和传质动力学的新方法。湿度调节装置通过改变纯水汽压力来调节样品室的相对湿度,这样可以实现湿度以不同的速度发生变化。与红外光谱手段相结合,湿度缓慢变化,让气溶胶时刻处于准稳态过程,可以研究气溶胶在热力学稳态的吸湿性质。湿度脉冲式改变,可以研究气溶胶的动态吸湿性质以及传质动力学过程。红外光谱的扫描方式随着湿度的改变速度进行调节。由于实验中的相对湿度由纯水气提供,因此通过对红外方光谱中纯水气的特征吸收峰面积的定量计算获得与光谱同步的相对湿度值。研究发现,当湿度稳定在一个高湿度时,醋酸根和液态水的峰面积在持续下降。并且首次发现经过一个准稳态的湿度循环后(1.05×104 s),在80%RH条件下,水峰面积由1.5降低至1.1。通过改变实验方案并对其结果进行对比可知,在高湿度条件下,醋酸镁发生水解,生成的醋酸由于样品室内的负压而挥发,因此引起气溶胶含水量下降。采用脉冲发式快速改变样品室的湿度,一个湿度脉冲循环需要10 s。计算脉冲循环过程中气溶胶的含水量发现,在湿度高于70%RH时,气溶胶含水量没有减少。但是加湿过程的水传输比去湿过程的水传输快。这些现象说明醋酸镁的水解速率小于湿度的脉冲改变速率。在湿度快速变化的过程中,气溶胶液滴表面难溶物的形成引起水传输发生受阻现象。     

用光镊技术研究硝酸铵气溶胶的挥发性

研究半挥发性气溶胶物质的气粒分配对于更准确地描述大气气溶胶的组成和尺寸分布是至关重要的。硝酸铵是亚微米颗粒物的主要组成部分,特别是在高污染事件中。为了更深入的了解硝酸铵气溶胶的气粒分配问题,利用激光悬浮技术捕获、悬浮半挥发性无机物硝酸铵液滴单颗粒（2～10 μm）,控制相对湿度条件、温度条件,并采集氢-氧振动带的受激拉曼峰位信息,利用非弹性米氏散射理论计算实时液滴半径尺寸、折射率和浓度,利用稳态传质模型Maxwell公式推算出了不同湿度下的蒸汽压。实验数据计算出的硝酸铵的饱和蒸汽压值的数量级与文献报道一致。当RH分别恒定在80%, 73%, 68%, 57.3%, 55.4%, 44.8%时,饱和蒸汽压值为(1.67±0.24)×10-3, (1.82±0.19)×10-3, (2.91±0.13)×10-3, (3.5±0.28)×10-3, (4.59±0.22)×10-3和(6.64±0.3)×10-3 Pa,显然,随着相对湿度的降低,饱和蒸汽压值增大,即湿度降低促进硝酸铵的挥发。此外,还推算了不同湿度下硝酸铵气溶胶液滴的挥发通量,挥发通量值在(4.01±0.79)×10-7～(3.32±0.77)×10-8 mol·(s·m2)-1之间。这对更好的了解气溶胶在挥发过程中的微观过程有重要意义。     

近场光镊技术研究新进展

光镊技术,又称光学捕获技术,它是利用光的辐射压力来捕获和操纵包括电介质颗粒、生物细胞及生物大分子在内的微小粒子的。近场光镊技术利用近场光学倏逝场随距离急剧衰减的特征,可显著地降低捕获粒子的尺寸,实现纳米捕获。追踪了近场光镊技术的最新进展,包括全内反射相干倏逝场、近场光学镀膜光纤探针尖、激光照明金属探针尖和聚焦倏逝场用于近场光学捕获,并对其进行了比较,分析了它们存在的主要问题和未来发展方向。     

利用不同的湿度调节方法研究醋酸镁气溶胶中水的传质过程（英文）

利用一种自制的湿度调节设备与真空红外光谱仪相结合,提出了一种研究醋酸镁气溶胶的吸湿性和传质动力学的新方法。湿度调节装置通过改变纯水汽压力来调节样品室的相对湿度,这样可以实现湿度以不同的速度发生变化。与红外光谱手段相结合,湿度缓慢变化,让气溶胶时刻处于准稳态过程,可以研究气溶胶在热力学稳态的吸湿性质。湿度脉冲式改变,可以研究气溶胶的动态吸湿性质以及传质动力学过程。红外光谱的扫描方式随着湿度的改变速度进行调节。由于实验中的相对湿度由纯水气提供,因此通过对红外方光谱中纯水气的特征吸收峰面积的定量计算获得与光谱同步的相对湿度值。研究发现,当湿度稳定在一个高湿度时,醋酸根和液态水的峰面积在持续下降。并且首次发现经过一个准稳态的湿度循环后(1.05×10~4 s),在80%RH条件下,水峰面积由1.5降低至1.1。通过改变实验方案并对其结果进行对比可知,在高湿度条件下,醋酸镁发生水解,生成的醋酸由于样品室内的负压而挥发,因此引起气溶胶含水量下降。采用脉冲发式快速改变样品室的湿度,一个湿度脉冲循环需要10s。计算脉冲循环过程中气溶胶的含水量发现,在湿度高于70%RH时,气溶胶含水量没有减少。但是加湿过程的水传输比去湿过程的水传输快。这些现象说明醋酸镁的水解速率小于湿度的脉冲改变速率。在湿度快速变化的过程中,气溶胶液滴表面难溶物的形成引起水传输发生受阻现象。     

用光镊技术研究硝酸铵气溶胶的挥发性（英文）

研究半挥发性气溶胶物质的气粒分配对于更准确地描述大气气溶胶的组成和尺寸分布是至关重要的。硝酸铵是亚微米颗粒物的主要组成部分,特别是在高污染事件中。为了更深入的了解硝酸铵气溶胶的气粒分配问题,利用激光悬浮技术捕获、悬浮半挥发性无机物硝酸铵液滴单颗粒(2～10μm),控制相对湿度条件、温度条件,并采集氢-氧振动带的受激拉曼峰位信息,利用非弹性米氏散射理论计算实时液滴半径尺寸、折射率和浓度,利用稳态传质模型Maxwell公式推算出了不同湿度下的蒸汽压。实验数据计算出的硝酸铵的饱和蒸汽压值的数量级与文献报道一致。当RH分别恒定在80%, 73%, 68%, 57.3%, 55.4%, 44.8%时,饱和蒸汽压值为(1.67±0.24)×10~(-3),(1.82±0.19)×10~(-3),(2.91±0.13)×10~(-3),(3.5±0.28)×10~(-3),(4.59±0.22)×10~(-3)和(6.64±0.3)×10~(-3) Pa,显然,随着相对湿度的降低,饱和蒸汽压值增大,即湿度降低促进硝酸铵的挥发。此外,还推算了不同湿度下硝酸铵气溶胶液滴的挥发通量,挥发通量值在(4.01±0.79)×10~(-7)～(3.32±0.77)×10~(-8) mol·(s·m~2)~(-1)之间。这对更好的了解气溶胶在挥发过程中的微观过程有重要意义。     

基于光镊技术的研究性实验

从光的动量基本原理出发,阐述利用光镊技术进行光的力学效应实验的设计思路和实验内容,探讨如何利用"光学镊子"开展研究性实验,为高等院校的基础和前沿物理研究性实验教学提供参考.     

丁二酸钠和硫酸铵混合气溶胶的光镊受激拉曼光谱研究

采用光镊悬浮技术捕获颗粒尺寸3～8μm的丁二酸钠/硫酸铵混合气溶胶液滴,控制湿度条件、温度条件,通过调节不同相对湿度(RH)并采集氢-氧振动带的受激拉曼峰位信息,利用非弹性米氏散射理论计算实时液滴半径尺寸。计算结果表明,当液滴尺寸响应完湿度的变化后在RH恒定时,液滴半径仍持续减小,这说明丁二酸钠和硫酸铵之间发生了反应,释放出氨气使得液滴半径减小。     

纳米光镊技术发展与应用的研究

阐述了纳米光镊技术的特点,它将操作和探测精度从微米提高到纳米。归纳和总结了纳米光镊技术最新方面的研究进展,叙述了一些先进组合技术在改进光镊装置构造、操作精度以及校准方面的应用,并在此基础上提出了一些构想和建议。     

利用光镊技术演示光的自旋角动量

阐述了光与物体相互作用时自旋角动量的传递与扭力矩原理.基于光镊光致旋转原理,利用能够悬浮单个粒子的光镊技术并采用具有双折射特性的CaCO3晶体粒子,设计了微粒在不同偏振光场中的旋转运动实验内容,研究光与双折射晶体粒子相互作用产生的光致旋转效应,观察和测量由自旋角动量引起粒子的扭转力矩的大小、方向以及旋转速度等力学效应.     

飞秒激光光镊的理论研究

本文从理论角度论证了飞秒激光作为光镊光源的可行性，给出了飞秒激光作用时微粒所受力理论计算公式，并在此基础上给出了对应于不同参数的光镊稳定性图形。我们还进一步分桥了飞秒激光作为光镊光属相对于其他激光的特有性质。     

湿度影响下的气溶胶粒子的偏振特性

气溶胶散射特性对大气辐射和气候研究具有重要意义。为研究气溶胶在不同相对湿度下的散射特性,根据Mie散射理论建立了湿度偏振模型,在0.55μm的可见光下,分析比较了3种气溶胶的单粒子和粒子群在不同相对湿度下的偏振特性。结果表明,相对湿度变化对气溶胶偏振度有规律性的影响,尤其在120°～150°的后向散射角区域,3种粒子偏振度都随相对湿度的增大而增大,说明了部分后向散射角上散射光偏振度能有效反映气溶胶粒子随相对湿度变化的信息。     

光热效应用于光纤光镊焦点位置的研究

光镊是利用光穿过处于系统焦点的物体时产生的动量变化对其施加力的作用,因此确定光镊系统焦点位置是极其重要的.但目前缺少有效确定光镊焦点的方法.本文提出利用测量皮安培量级电流的膜片钳技术,基于光在溶液中产生的光热效应来确定光纤端面出射光斑的焦点.基于水的吸收光谱,选用波长为980 nm、845 nm和功率为100 mW的激光作为光源.由于光热效应引起溶液电导的改变,影响流过玻璃微电极的电流,再用标准温度引起电流变化对膜片器放大器记录的电流标定,将电流值转换成温度值,获得微电极尖端点的温升值.用三维微操纵器控制玻璃微电极的空间位置,获得温度空间分布,从而确定该光斑焦点位置.     

光热效应用于光纤光镊焦点位置的研究

光镊是利用光穿过处于系统焦点的物体时产生的动量变化对其施加力的作用,因此确定光镊系统焦点位置是极其重要的.但目前缺少有效确定光镊焦点的方法.本文提出利用测量皮安培量级电流的膜片钳技术,基于光在溶液中产生的光热效应来确定光纤端面出射光斑的焦点.基于水的吸收光谱,选用波长为980nm、845nm和功率为100mW的激光作为光源.由于光热效应引起溶液电导的改变,影响流过玻璃微电极的电流,再用标准温度引起电流变化对膜片器放大器记录的电流标定,将电流值转换成温度值,获得微电极尖端点的温升值.用三维微操纵器控制玻璃微电极的空间位置,获得温度空间分布,从而确定该光斑焦点位置.     

不同偏振态光镊三维光阱刚度的比较研究

为了研究激光偏振态对光阱刚度的影响,本文比较了四种不同偏振态光场(方位角偏振光、径向偏振光、线偏振光、圆偏振光)捕获不同尺寸SiO_2微粒的三维光阱刚度.研究结果表明:当SiO_2微粒的尺寸和激光波长相近时,圆偏振光和线偏振光的三维光阱刚度大于径向偏振光和方位角偏振光的三维光阱刚度;而随着SiO_2微粒尺寸的增加,方位角偏振光和径向偏振光的三维光阱刚度大于圆偏振光和线偏振光的三维光阱刚度.此外,实验也表明:使用浸油物镜捕获微粒时,物镜匹配油的折射率和水的折射率不一致引起的球差,会降低系统对物镜数值孔径的利用.通过这些研究工作,可以为不同偏振态光场的测力研究提供一定的指导和参考.     

脉动相对湿度方法观测由体相及界面控制的气溶胶传质过程

设计搭建了可以控制样品室内相对湿度发生脉动式变化的压力控制装置。将这种装置与真空红外快速扫描技术联用,采集的时间分辨傅里叶变换红外光谱可以提供在亚秒时间尺度内,脉动相对湿度的准确数值以及湿度变化过程中气溶胶颗粒的含水量。分析这些数据可以了解相对湿度脉动变化过程中气溶胶的动态吸湿特性。选择硝酸钠,硫酸镁和硝酸镁三种无机盐气溶胶为研究对象,比较了他们在相对湿度发生脉动变化和准稳态变化条件下的吸湿特性。结果发现,实验0.12 s的时间分辨率下不足以观察到水在硝酸钠气溶胶和环境之间的传质受阻过程。而对于老化的硫酸镁气溶胶颗粒,胶态的形成减缓了水的扩散速率,体相传质成为速控步骤。对于老化的硝酸镁气溶胶颗粒,由于在颗粒表面难溶物的生成和富集,使得界面水的传质速率成为气溶胶与环境发生传质的决定性因素。这证明脉动压力变化装置与快速扫描真空红外联用可以有效便捷地观测区分体相和界面控制的气溶胶传质过程。     

一种与光镊结合的显微拉曼光谱技术

论述了一种与光镊结合的显微拉曼光谱即"光镊-显微拉曼光谱"系统的构建方案。给出了利用该系统测得的活细胞(大白鼠血细胞,酵母细胞)的微区拉曼光谱,并将红外光镊束缚下的Ar+激光激发的血细胞的拉曼光谱,与用单一Ar+激光光镊束缚并同时激发的血细胞拉曼光谱,以及血细胞直接贴在基底上的拉曼光谱进行了分析对比。实验表明,前者比后两种实验方案的血细胞拉曼光谱信号有显著提高。分析了红外1064 nm光镊激光和可见514.5 nm Ar+激光对活细胞的损伤效应,发现高功率的红外激光对细胞的损伤作用远小于低功率的Ar+激光。并将该系统应用于碳纳米管材料分析,获得了单壁碳纳米管的拉曼光谱。     

基于低损光学相变和超透镜的可控多阱光镊

为提升光镊在三维空间中对粒子的捕获性能,本文设计和分析了新型的双阱和多阱超透镜光镊方案.首先基于低损耗相变材料Sb₂S₃设计了可控超透镜双阱光镊,并对两个半径为250 mm的SiO₂粒子所受光力进行了矢量横向分析和轴向分析.仿真实验结果表明,当Sb₂S₃在晶态下时,超透镜捕获的两个粒子的横向光阱刚度k_x分别达到了约25.7 pN/(μm·W)和37.4 pN/(μm·W),轴向光阱刚度k_z均约为10.0 pN/(μm·W);而当Sb₂S₃在非晶态下时,k_x和k_z值均降低到其对应晶态下的1/10,且此时粒子在z方向上不能被稳定捕获,从而实现了在三维空间中对粒子的可控捕获.进一步本文给出了阵列式的可控多阱光镊.通过调控相变材料Sb₂S₃的晶态和非晶态,能形成不同组合粒子的三维捕获方案.这些新型可控光镊可实现多...     

人肝癌组织细胞的激光光镊拉曼光谱研究

激光光镊与拉曼光谱相结合形成的激光光镊拉曼光谱系统(LTRS)已用于分析生物组织标本,可对单个活细胞进行操控和光谱收集。从拉曼光谱特征峰位置、强度和线宽可得到有关细胞的组成、结构及细胞内物质相互作用的信息。文章应用LTRS系统,分析了来自人的恶性肝癌组织的不同病变部位标本,包括肝癌组织细胞、肝癌癌旁细胞和远离肝癌组织的肝脏正常的组织细胞,观察到了随肝癌的病变部位变化所出现的一些有趣的拉曼光谱峰的变化。正常的肝组织细胞在1 070和1 266 cm-1处的峰很明显,而肝癌和肝癌癌旁组织细胞的这两个峰则不明显,肝正常组织细胞的1 445 cm-1峰明显高于肝癌和肝癌癌旁组织细胞。已知1 070 cm-1峰代表脂类和核酸,1 266和1 445 cm-1峰代表脂类和蛋白。引起这些峰变化的物质很可能参与了肝癌的发生。上述初步研究结果表明：单细胞激光光镊拉曼光谱可以区分肝癌的不同病变部位,将是检测和分析肝癌组织标本的一种很好的方法。