基于光学捕获气溶胶中微粒及实现拉曼光谱检测的装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于光学捕获气溶胶中微粒及实现拉曼光谱检测的装置，包括两个激光器、中空激光束产生机构、气溶胶微粒光学捕获机构以及拉曼光谱检测机构，通过中空激光束产生机构将第一激光器产生的激光分为两束圆锥中空激光束，所获得的两束圆锥中空激光束在所述气溶胶微粒光学捕获机构的作用下聚焦于气溶胶微粒光学捕获机构的石英腔的气溶胶流通道中，构建由两束圆锥中空光束形成的囊结构光学捕获陷阱，实现对气溶胶微粒的光学捕获；拉曼光谱检测机构用于实现对捕获微粒的实时光谱检测。所述方法可以对气溶胶微粒进行稳定的光学捕获和拉曼光谱检测，并消除微粒拉曼信号中的荧光背景，过程快速无损，最终实现对气溶胶中微粒的鉴别。

Raman Spectrum Detection Device Based on Optical Capture of Particles in Aerosol

The invention discloses a device based on optical capture of particles in aerosol and Raman spectrum detection, which includes two lasers, a hollow laser beam generating mechanism, an aerosol particle optical capture mechanism and a Raman spectrum detecting mechanism. The laser generated by the first laser is divided into two beams by a hollow laser beam generating mechanism. A conical hollow laser beam, two conical hollow laser beams obtained under the action of the aerosol particle optical trapping mechanism are focused in the aerosol flow channel of the quartz cavity of the aerosol particle optical trapping mechanism, and a capsular structure optical trap formed by two conical hollow beams is constructed to realize the trapping of aerosol particles. Optical capture; Raman spectrum detection mechanism is used to realize real-time spectrum detection of captured particles. The method can achieve stable optical capture and Raman spectroscopy detection of aerosol particles, eliminate the fluorescence background in the Raman signal of particles, and achieve rapid and non-destructive identification of aerosol particles.

【技术实现步骤摘要】
基于光学捕获气溶胶中微粒及实现拉曼光谱检测的装置
本专利技术涉及光镊、光谱分析和微小微粒物检测领域，尤其涉及一种于光学捕获气溶胶中微粒及实现拉曼光谱检测的装置。
技术介绍
气溶胶是一种液体或者固体颗粒悬浮于气体介质中形成的悬浮体系，其中颗粒相的特征粒径尺寸一般为1nm至100μm。当大气中的煤烟、传染性细菌等微粒的浓度超过某一阈值时，该气溶胶将会对空气质量、气候变化、人体健康有着至关重要的影响，因此对大气气溶胶中微粒的检测已成为环境检测的重要一部分。对气溶胶微粒的光学检测可以得到微粒的物质特性，当结合其他特征如微粒的形状或表面结构时可以得到气溶胶微粒的更多信息，并且气溶胶微粒的光学检测技术具有快速、无损、高灵敏度等优点，已是目前主要研究趋势之一。虽然微粒的拉曼散射与其弹性散射或荧光相比，包含了更加丰富的物质信息，但由于空气中漂浮的微粒的拉曼散射信号太弱，使得目前对悬浮于空气中的微粒样品的检测主要采用荧光光谱技术。但是当激发光源在可见光波段，如488nm、633nm和780nm，许多生物微粒(花粉、真菌孢子等)将会在很大的光谱区域内(如400nm-800nm)出现一个或多个荧光包，这将使得气溶胶中微粒样品的荧光光谱缺少相应的关键性光谱特征，进而阻碍对其正确鉴别。因此，如何对气溶胶中的微粒进行有效的拉曼检测并对其实现正确鉴别是一个急需解决的问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种可以有效地对微粒进行光学捕获和拉曼检测，并实现对气溶胶微粒鉴定的装置。为解决上述技术问题，本专利技术所采取的技术方案是：一种基于光学捕获气溶胶中微粒及实现拉曼光谱检测的装置，其特征在于包括：两个激光器、中空激光束产生机构、气溶胶微粒光学捕获机构以及拉曼光谱检测机构，第一激光器和第二激光器的发射波长不等，通过中空激光束产生机构将第一激光器产生的激光分为两束圆锥中空激光束，所获得的两束圆锥中空激光束在所述气溶胶微粒光学捕获机构的作用下聚焦于气溶胶微粒光学捕获机构的石英腔的气溶胶流通道中，构建由两束圆锥中空光束形成的囊结构光学捕获陷阱，实现对经气溶胶微粒光学捕获机构中喷嘴喷入的气溶胶微粒的光学捕获；第二激光器产生的激光用于对捕获微粒进行光漂白数秒后，去除所采集拉曼信号中的荧光背景；拉曼光谱检测机构用于对捕获微粒的反射拉曼信号进行采集，实现对捕获微粒的实时光谱检测。进一步的技术方案在于：所述第一激光器的激发波长为480nm-550nm，功率为900mW-1400mW；所述第二激光器的激发波长为330nm-450nm，功率为1mW-10mW。进一步的技术方案在于：所述中空激光束产生机构包括第一反射镜、第一半透半反镜、第一凸透镜、第一互补圆锥透镜组、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、第二凸透镜以及第二互补圆锥透镜组；通过第一片反射镜对第一激光器产生激光的传播方向进行调整，随后通过第一半透半反镜将上述激光分为两束能量相同的实心激光，其中一束激光依次经过第一凸透镜、第一互补圆锥透镜组后产生中空激光束Ⅰ，另一束激光依次经过第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、第二凸透镜以及第二互补圆锥透镜组产生与中空激光束Ⅰ功率相同的中空激光束Ⅱ。进一步的技术方案在于：所述气溶胶微粒光学捕获机构包括对称设置的第一显微物镜、第二显微物镜以及石英腔，所述第一显微物镜用于对中空激光束Ⅰ进行汇聚，所述第二显微物镜用于对中空激光束Ⅱ进行汇聚，中空激光束Ⅰ和中空激光束Ⅱ通过两个显微物镜的作用后产生圆锥中空激光束，并聚焦于石英腔的气溶胶流通道中，利用光镊原理构造出囊状光学捕获陷阱，通过石英腔上的喷嘴将气溶胶喷入石英腔中，待气溶胶颗粒落入准备好的陷阱中，即可实现捕获。进一步的技术方案在于：所述拉曼光谱检测机构包括第三显微物镜、第一双色镜、陷波滤波器、第三凸透镜、第四凸透镜、长通滤波器、CCD相机以及光谱仪，气溶胶中微粒的反射信号依次通过第三显微物镜和双色镜后分为两路，其中的一路反射信号依次经陷波滤波器、第四凸透镜后抵达CCD相机，实现对气溶胶中微粒的反射信号的采集，由CCD相机对气溶胶中微粒进行实时成像；第二路反射信号经第三凸透镜和长通滤波器后抵达光谱仪。进一步的技术方案在于：两圆锥中空激光束的焦点距离为0-1000μm可调，且两圆锥中空激光束的传播方向与水平方向成0-15°夹角。进一步的技术方案在于：所述第三显微物镜为20倍显微物镜。进一步的技术方案在于：所述第一显微物镜和第二显微物镜为50倍显微物镜。采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述装置可以有效地对微粒进行光学捕获和拉曼检测，通过光漂白法对其产生的荧光进行抑制，并通过双色镜与滤波器对拉曼信号中的瑞利散射进行消除，在一段时间内可获得样品A的无荧光背景的拉曼光谱，通过样品A的拉曼光谱的谱峰归属，实现对气溶胶微粒的鉴定。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。图1是本专利技术实施例所述装置的原理框图；图2是本专利技术实施例中空激光束产生结构中的光路示意图；图3是本专利技术实施例中气溶胶微粒光学捕获结构的工作示意图；其中：1、第一激光器2、第二激光器3、第一反射镜4、第一半透半反镜5、第一凸透镜6、第一互补圆锥透镜组7、第一显微物镜8、石英腔9、喷嘴10、第三显微物镜11、第一双色镜12、第三凸透镜13、长通滤波器14、CCD相机15、第四凸透镜16、陷波滤波器17、光谱仪18、第二反射镜19、第三反射镜20、第四反射镜21、第二凸透镜22、第二互补圆锥透23、第二显微物镜。具体实施方式下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本专利技术，但是本专利技术还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本专利技术内涵的情况下做类似推广，因此本专利技术不受下面公开的具体实施例的限制。如图1所示，本专利技术实施例公开了一种基于光学捕获气溶胶中微粒及实现拉曼光谱检测的装置，包括：两个激光器、中空激光束产生机构、气溶胶微粒光学捕获机构以及拉曼光谱检测机构。第一激光器1和第二激光器2的发射波长不等，通过中空激光束产生机构将第一激光器1产生的激光分为两束圆锥中空激光束，所获得的两束圆锥中空激光束在所述气溶胶微粒光学捕获机构的作用下聚焦于气溶胶微粒光学捕获机构的石英腔8的气溶胶流通道中，构建由两束圆锥中空光束形成的囊结构光学捕获陷阱，实现对经气溶胶微粒光学捕获机构中喷嘴9喷入的气溶胶微粒的光学捕获；第二激光器2产生的激光用于对捕获微粒进行光漂白数秒后，去除所采集拉曼信号中的荧光背景；拉曼光谱检测机构用于对捕获微粒的反射拉曼信号进行采集，实现对捕获微粒的实时光谱检测。进一步的，第一激光器1产生激光，且为中波长设计，由于其会使得样品产生荧光干扰，所以使用第二激光器2产生的激光照射在样品上，产生反射拉曼信号并利用光漂白原理去除荧光背景。优选的，所述第一激光器1的激发波长为480nm-550nm，功率为900mW-1400mW；所述第二激光器2的激发波长为3本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光学捕获气溶胶中微粒及实现拉曼光谱检测的装置，其特征在于包括：两个激光器、中空激光束产生机构、气溶胶微粒光学捕获机构以及拉曼光谱检测机构，第一激光器(1)和第二激光器(2)的发射波长不等，通过中空激光束产生机构将第一激光器(1)产生的激光分为两束圆锥中空激光束，所获得的两束圆锥中空激光束在所述气溶胶微粒光学捕获机构的作用下聚焦于气溶胶微粒光学捕获机构的石英腔(8)的气溶胶流通道中，构建由两束圆锥中空光束形成的囊结构光学捕获陷阱，实现对经气溶胶微粒光学捕获机构中喷嘴(9)喷入的气溶胶微粒的光学捕获；第二激光器(2)产生的激光用于对捕获微粒进行光漂白数秒后，去除所采集拉曼信号中的荧光背景；拉曼光谱检测机构用于对捕获微粒的反射拉曼信号进行采集，实现对捕获微粒的实时光谱检测。

【技术特征摘要】
1.一种基于光学捕获气溶胶中微粒及实现拉曼光谱检测的装置，其特征在于包括：两个激光器、中空激光束产生机构、气溶胶微粒光学捕获机构以及拉曼光谱检测机构，第一激光器(1)和第二激光器(2)的发射波长不等，通过中空激光束产生机构将第一激光器(1)产生的激光分为两束圆锥中空激光束，所获得的两束圆锥中空激光束在所述气溶胶微粒光学捕获机构的作用下聚焦于气溶胶微粒光学捕获机构的石英腔(8)的气溶胶流通道中，构建由两束圆锥中空光束形成的囊结构光学捕获陷阱，实现对经气溶胶微粒光学捕获机构中喷嘴(9)喷入的气溶胶微粒的光学捕获；第二激光器(2)产生的激光用于对捕获微粒进行光漂白数秒后，去除所采集拉曼信号中的荧光背景；拉曼光谱检测机构用于对捕获微粒的反射拉曼信号进行采集，实现对捕获微粒的实时光谱检测。2.如权利要求1所述的基于光学捕获气溶胶中微粒及实现拉曼光谱检测的装置，其特征在于：所述第一激光器(1)的激发波长为480nm-550nm，功率为900mW-1400mW；所述第二激光器(2)的激发波长为330nm-450nm，功率为1mW-10mW。3.如权利要求1所述的基于光学捕获气溶胶中微粒及实现拉曼光谱检测的装置，其特征在于：所述中空激光束产生机构包括第一反射镜(3)、第一半透半反镜(4)、第一凸透镜(5)、第一互补圆锥透镜组(6)、第二反射镜(18)、第三反射镜(19)、第四反射镜(20)、第二凸透镜(21)以及第二互补圆锥透镜组(22)；通过第一片反射镜(3)对第一激光器(1)产生激光的传播方向进行调整，随后通过第一半透半反镜(4)将上述激光分为两束能量相同的实心激光，其中一束激光依次经过第一凸透镜(5)、第一互补圆锥透镜组(6)后产生中空激光束Ⅰ，另一束激光依次经过第二反射镜(18)、第三反射镜(19)、第四反射镜(20)、第二凸透镜(21)以及第二互补圆锥透镜组(22)产生与中空激光束Ⅰ功率相同的中空...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘开元，金怀洲，金尚忠，胡孔新，杨宇，王杰，徐冰冰，朱磊磊，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33