同步斬波法測量膠體粒子間相互作用勢及其測量系統(tǒng)設(shè)計.pdf

1、大量的物理、化學(xué)和生物體系都是由不同種類的微小粒子分散在介質(zhì)中構(gòu)成的所謂分散體系。對它們的宏觀性質(zhì)的規(guī)律已經(jīng)有了廣泛深入的研究。人們也一直試圖從體系中微小粒子間的相互作用出發(fā)更深入地認(rèn)識決定體系宏觀性質(zhì)的微觀基礎(chǔ)。但是，長期以來一直沒有合適的實驗手段來對微小粒子間相互作用進(jìn)行直接的實驗研究。無法實現(xiàn)對微小粒子的操控，且又不干擾其周圍環(huán)境，從而使粒子間的相互作用規(guī)律的研究能在可控的物理，化學(xué)條件下進(jìn)行。 光鑷是利用光與物質(zhì)相互作用

2、產(chǎn)生的力學(xué)效應(yīng)，來俘獲、移動、和定位微小粒子，因而可以把粒子以一定的幾何配置定位于空間，使得對微粒的運(yùn)動的顯微觀測成為可能。又由于光鑷對微粒的操控是非機(jī)械接觸的，對粒子周圍環(huán)境的干擾很小。光鑷的這些獨(dú)特性能非常適合于微小粒子個體行為的研究，很快就被成功地用于分散體系領(lǐng)域，對體系中微小粒子的性質(zhì)進(jìn)行研究。本文的工作就是將光鑷應(yīng)用于微小粒子個體行為研究。 分散體系的穩(wěn)定性是膠體科學(xué)領(lǐng)域中的重要內(nèi)容，在理論和實踐上都有重大的意義。分散

3、體系穩(wěn)定性取決于微小粒子之間的排斥力和吸引力，前者是穩(wěn)定的主要因素，而后者則為聚沉的主要因素。根據(jù)這兩種力產(chǎn)生的原因極其相互作用情況，建立起三大穩(wěn)定理論：DLNO理論、空間穩(wěn)定理論、空位穩(wěn)定理論。 光鑷操控、高分辨率成像以及數(shù)字圖像分析一般是結(jié)合在一起的，它們的結(jié)合形成了一種強(qiáng)大的實驗技術(shù)。在該實驗技術(shù)中，光鑷技術(shù)解決了對粒子的捕獲、懸浮、操控或固定的關(guān)鍵技術(shù)，而對實驗結(jié)果的分析，一般是結(jié)合高分辨率成像和數(shù)字圖像分析等手段。為了

4、進(jìn)行特定的研究，還需要對光鑷系統(tǒng)本身進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)，構(gòu)成適合于特定實驗研究的光鑷系統(tǒng)。以一定頻率不斷開關(guān)的閃頻光鑷，可以交替地捕獲和釋放粒子，在光鑷關(guān)閉的時間中，粒子可以保持在熱隨機(jī)力和其它作用力的作用下的運(yùn)動狀態(tài)，再利用數(shù)字顯微攝像技術(shù)就可以精確的測量其自由運(yùn)動的軌跡。在膠體相互作用勢測量實驗中，為保證CCD采集到的粒子圖像所記錄的信息都是在光鑷完全關(guān)閉并經(jīng)過設(shè)定的時間后采集的，需要使CCD與光鑷開關(guān)精確同步，保證實驗條件一致。本文設(shè)計

5、了一套CCD同步斬波器，CCD在開始拍攝顯微圖像的同時發(fā)出一個同步脈沖信號觸發(fā)斬波控制器，控制器根據(jù)設(shè)定的程序精確驅(qū)動伺服電機(jī)，由電機(jī)帶動斬光盤旋轉(zhuǎn)，從而順序擋住和恢復(fù)激光，以保證CCD是在光鑷完全關(guān)閉并經(jīng)過設(shè)定的時間后采集下一個圖像信息。這套方案涉及的關(guān)鍵技術(shù)是斬光器與CCD的精確同步技術(shù)。斬波器的開關(guān)切換時間小于0.2ms，即光鑷從完全開啟狀態(tài)到被斬光器完全擋光所需要的時間不超過0.2ms；CCD圖像采集時間與光鑷開關(guān)時間的同步精度

6、優(yōu)于0.5ms。另外，斬波器還具有原點(diǎn)記憶和回歸功能，上電后，能自動讀取預(yù)先存儲的原點(diǎn)位置，并自動返回到原點(diǎn)，從而可以保證每次實驗條件一致。 將同步斬波器與雙光鑷系統(tǒng)結(jié)合構(gòu)建了微小粒子相互作用勢測量系統(tǒng)并建立了相應(yīng)的實驗方法。利用該方法測量了1μm聚苯乙烯球懸浮液中兩個小球間的相互作用勢，其結(jié)果與經(jīng)典DLVO理論相符。研究結(jié)果表明，我們所建立的實驗系統(tǒng)和方法是行之有效的，并且測量方法具有較高的數(shù)據(jù)采集效率，該方法不但可以用于測量