同步斬波法測量膠體粒子間相互作用勢及其測量系統(tǒng)設計.pdf

1、大量的物理、化學和生物體系都是由不同種類的微小粒子分散在介質中構成的所謂分散體系。對它們的宏觀性質的規(guī)律已經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)更深入地認識決定體系宏觀性質的微觀基礎。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，化學條件下進行。 光鑷是利用光與物質相互作用

2、產生的力學效應，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，使得對微粒的運動的顯微觀測成為可能。又由于光鑷對微粒的操控是非機械接觸的，對粒子周圍環(huán)境的干擾很小。光鑷的這些獨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域，對體系中微小粒子的性質進行研究。本文的工作就是將光鑷應用于微小粒子個體行為研究。 分散體系的穩(wěn)定性是膠體科學領域中的重要內容，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合在一起的，它們的結合形成了一種強大的實驗技術。在該實驗技術中，光鑷技術解決了對粒子的捕獲、懸浮、操控或固定的關鍵技術，而對實驗結果的分析，一般是結合高分辨率成像和數(shù)字圖像分析等手段。為了

4、進行特定的研究，還需要對光鑷系統(tǒng)本身進行相應改進，構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的閃頻光鑷，可以交替地捕獲和釋放粒子，在光鑷關閉的時間中，粒子可以保持在熱隨機力和其它作用力的作用下的運動狀態(tài)，再利用數(shù)字顯微攝像技術就可以精確的測量其自由運動的軌跡。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閉并經過設定的時間后采集的，需要使CCD與光鑷開關精確同步，保證實驗條件一致。本文設計

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)設定的程序精確驅動伺服電機，由電機帶動斬光盤旋轉，從而順序擋住和恢復激光，以保證CCD是在光鑷完全關閉并經過設定的時間后采集下一個圖像信息。這套方案涉及的關鍵技術是斬光器與CCD的精確同步技術。斬波器的開關切換時間小于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時間的同步精度

6、優(yōu)于0.5ms。另外，斬波器還具有原點記憶和回歸功能，上電后，能自動讀取預先存儲的原點位置，并自動返回到原點，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)結合構建了微小粒子相互作用勢測量系統(tǒng)并建立了相應的實驗方法。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，其結果與經典DLVO理論相符。研究結果表明，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