一种用空心光纤锥光镊分类和收集大气PM2.5粒子的装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用空心光纤锥光镊分类和收集大气PM2.5粒子的装置，包括532nm半导体激光器1、半透半反镜2、空心光纤锥3、粒子分离池4、高倍生物显微镜5、计算机控制单元6、垫片7、分流垫片8、石英窗口片9、粒子悬浮液10、PM2.5粒子11。光入射到微米尺寸的空心光纤锥3后，可在其锥尖附近形成倏逝场光镊，利用该光镊产生的光学俘获力可实现对微小粒子的操控。本发明专利技术提出了一种利用该结构实现对大气PM2.5粒子分类和收集的方法。通过改变光学俘获力的大小和角度，可从复杂组分的大气PM2.5粒子中分离出不同质量的粒子，并移动到不同的收集容器内，进行相应的实验研究。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种针对大气PM2.5粒子的分类和收集装置，具体涉及一种用空心光纤锥光镊分类和收集大气PM2.5粒子的装置。
技术介绍
近年来，空气污染严重影响人类正常的生产、生活，其中PM2.5粒子由于其对人类健康的巨大威胁，近年来受到人们的广泛关注。特别是PM2.5粒子由于体积小，可被直接吸入肺部，引起呼吸系统疾病；PM2.5粒子会引发血管炎症和动脉粥样硬化，最终导致心血管疾病的发生；此外，粒径小于10nm的PM2.5粒子甚至可以直接进入人类大脑，危及人类生命安全。中国科学院陈竺院士等研宄者的调查数据显示，中国每年因室外空气污染导致的早死人数在35万到50万之间。为了有效遏制PM2.5粒子的产生和扩散，就必须针对性地研宄其中包含的各种成分粒子的生化特性，因此需要对大气PM2.5粒子进行有效的分类和研宄。本专利技术提出了一种用空心光纤锥光镊，实现对大气PM2.5粒子分类和收集的装置，既可以根据PM2.5粒子的质量有效分离和收集不同粒子，又利用光场来完成相应操作，不会对粒子造成接触性污染。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题 本专利技术解决了空气污染中PM2.5粒子的有效和高精度分类和收集问题，提供了一种用空心光纤锥光镊分类和收集大气PM2.5粒子的装置。(二)技术方案 为了达到上述目的，本专利技术提出了一种用空心光纤锥光镊俘获、分类和收集大气PM2.5粒子的结构，包括532nm半导体激光器1、半透半反镜2、空心光纤锥3、粒子分离池4、高倍生物显微镜5、计算机控制单元6、垫片7、分流垫片8、石英窗口片9、粒子悬浮液10、PM2.5粒子11、粒子通道12、粒子通道13、粒子通道14、收集容器15、收集容器16、收集容器17、粉尘粒子18、金属络合物粒子19、生物病菌粒子20。其中，532nm半导体激光器I发出波长为532nm的入射光，该入射光经由半透半反镜2反射进入空心光纤锥3，入射光在其亚波长直径的尖端处会产生倐逝场，可形成光镊，实现对粒子分离池4中的PM2.5粒子11进行俘获和转移，部分反射光经由半透半反镜2透射进入高倍生物显微镜5，采集到的图像和视频信息传输到计算机控制单元6，可实现对整个操作过程的观测、记录，同时，该计算机控制单元6可根据不同质量PM2.5粒子的分离条件，实时调节532nm半导体激光器I的输出功率，实现对指定质量PM2.5粒子11进行俘获和收集。上述方案中，所述的532nm半导体激光器I的输出功率范围为IpW到30mW，半透半反镜2的反射率为90%、透射率为10%。空心光纤锥3由内径为100 μm、外径为350 μπι的空心石英毛细管经加热熔融后拉制获得，最终得到的空心光纤锥3的外径为5 μπκ内径为I μ m、锥尖直径为300nm，高倍生物显微镜5的放大倍率为50到2600倍。上述方案中，所述的粒子分离池4由厚度为Imm的垫片7和分流垫片8，厚度为0.1mm、边长为15mm的融石英正方形的石英窗口片9，内部填充去离子水粒子悬浮液10和粒径为0.5 μ m到2 μ m的大气污染物颗粒PM2.5粒子11，被俘获和分离的粒径为I μ m的粉尘粒子18，粒径为2 μ m的金属络合物粒子19，粒径为1.5 μ m的生物病菌粒子20，分别经由宽度为2_的粒子通道12、粒子通道13、粒子通道14，进入对应的收集容器15、收集容器16、收集容器17。(三)有益效果 与现有技术相比，本专利技术的有益效果是 1)本专利技术中的入射光进入空心光纤锥3会产生倏逝场，在光纤锥尖端形成光镊，通过调节入射光功率和角度，可以通过高倍生物显微镜下的微光学操控，在单分子水平上实现对粒径范围为500nm到2.5 μ m、不同质量PM2.5粒子的有效分类和收集； 2)本专利技术中使用的光镊技术对PM2.5粒子进行操作，不会对粒子造成接触性污染。【附图说明】附图1为一种用空心光纤锥光镊分类和收集大气PM2.5粒子的装置。附图2为粒子分尚池4内二种PM2.5粒子的分尚不意图。【具体实施方式】下面通过【具体实施方式】阐明本专利技术的实质特点和显著进步。本专利技术提出了一种用空心光纤锥光镊分类和收集大气PM2.5粒子的装置。实施过程中涉及空心光纤锥光镊技术，该空心光纤锥3的外径为5 μπκ内径为I μπκ锥尖直径为300nm，由于该锥尖直径远小于入射光波长，当入射光由该空心光纤锥3出射时，会在其锥尖产生一层光学包络，即为光学倏逝场。光学倏逝场的强度与入射光的强度密切相关，当入射光强度增大时，相应的倏逝场强度也随之增大。由于倏逝场可形成光阱，微小物体会受到光压而被束缚在光阱处，当移动倏逝场时，被束缚的微小粒子就会随着光阱移动，以此实现对微小粒子的操控，因此被称之为光镊。在本专利技术中，存在于倏逝场附近的微米，甚至是纳米尺寸的PM2.5粒子，会受到倏逝场光阱的作用，借此可在显微镜下实现对PM2.5粒子的俘获和转移，最终根据粒子的质量不同，采用不同强度的倏逝场，将其移动到不同的收集容器内，实现PM2.5粒子的分类和收集。本专利技术的实施方式如图1所示，由532nm半导体激光器I发出波长为532nm的入射光，该入射光经由半透半反镜2反射进入空心光纤锥3，入射光在其亚波长直径的尖端处会产生倐逝场，可形成光镊，实现对粒子分离池4中的PM2.5粒子11进行俘获和转移，部分反射光经由半透半反镜2透射进入高倍生物显微镜5，采集到的图像和视频信息传输到计算机控制单元6，可实现对整个操作过程的观测、记录，同时，该计算机控制单元6可根据不同质量PM2.5粒子的分离条件，实时调节532nm半导体激光器I的输出功率，实现对指定质量的PM2.5粒子进行俘获和收集。其中，532nm半导体激光器I的输出功率范围为IpW到30mW。半透半反镜2的反射率为90%、透射率为10%。空心光纤锥3由空心石英毛细管经加热熔融拉制获得，外径为5μ m、内径为I μ m、锥尖直径为300nm。粒子分离池4由厚度为Imm的垫片7和分流垫片8，厚度为0.1_、边长为15_的融石英正方形的石英窗口片9，内部填充去离子水粒子悬浮液10和粒径为0.5 μ m到2 μ m的大气污染物颗粒PM2.5粒子11，被俘获和分离的粒子分别经由宽度为2_的粒子通道12、粒子通道13、粒子通道14，进入对应的收集容器15、收集容器16、收集容器17，高倍生物显微镜5的放大倍率为50到2600倍。图2所示为粒子分离池4内三种不同粒径和质量的PM2.5粒子进行分离的示意图。要实现PM2.5粒子的移动，必须保证倏逝场的俘获力大于粒子悬浮液10对PM2.5粒子的静摩擦力。图2示意了针对三种常见PM2.5粒子的分类和收集，分别是粒径为I ym的粉尘粒子18，被倐逝场俘获后，经通道12移动到收集容器15 ;粒径为2 μ m的金属络合物粒子19，被倐逝场俘获后，经通道13移动到收集容器16 ;粒径为1.5 ym的生物病菌粒子20，被倐逝场俘获后，经通道14移动到收集容器17。三种PM2.5粒子的质量大小关系为金属络合物粒子19的质量 > 生物病菌粒子20的质量 > 粉尘粒子18的质量。满足将其俘获并移动的倐逝场强度的大小关系为金属络合物粒子19所需倐逝场强度 > 生物病菌粒子20所需倐逝场强度 > 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用空心光纤锥光镊分类和收集大气PM2.5粒子的装置，包括532nm半导体激光器1、半透半反镜2、空心光纤锥3、粒子分离池4、高倍生物显微镜5、计算机控制单元6、垫片7、分流垫片8、石英窗口片9、粒子悬浮液10、PM2.5粒子11、粒子通道12、粒子通道13、粒子通道14、收集容器15、收集容器16、收集容器17，粉尘粒子18，金属络合物粒子19，生物病菌粒子20，其特征在于：输出功率范围为1pW到30mW的532nm半导体激光器1发出的光经由反射率为90%、透射率为10%的半透半反镜2反射后，进入融石英构造、外径为5μm、内径为1μm、锥尖直径为300nm的空心光纤锥3，并在其尖端产生倐逝场光镊，实现对粒子分离池4中的PM2.5粒子11进行俘获和转移，532nm半导体激光器1的部分反射光经由半透半反镜2透射进入放大倍率的范围为50到2600倍的高倍生物显微镜5，计算机控制单元6负责对整个操作过程的观测、记录，并根据需要调节532nm半导体激光器1的输出功率。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李晋，吴迪，吕日清，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21