气溶胶单颗粒操控方法及其光学特性研究

Aerosol particles, as the basic unit of the aerosol, are mainly responsible for the overall properties of the aerosols. Measurement of the characteristics of the aerosol particle can provide scientific data for the characterization of aerosols with research and application significance in the environment safety and life health areas. The previous studies are focused on the optical properties of the ensemble aerosol, and are lack of those of the single aerosol particle in the static condition. We have proposed a single aerosol control method (optical tweezers), and integrated it into optical cavity ring-down spectroscopy. And thus the optical properties of the aerosol particles are systematically investigated. Herein the two scientific problems are resolved: techniques of non-contact manipulation of single aerosol particle and its optical properties measurements, and analysis of the influence factors on the optical properties of single aerosol particle. The project has realized the manipulation of the single aerosol and its optical properties measurement with a great scientific significance, and discovered multiple application techniques during the innovative design process, which has good application background and development potentials.

气溶胶颗粒是气溶胶的基本组成单元，对气溶胶整体特性起到决定性作用，气溶胶颗粒特性的测量能够为气溶胶的表征提供科学的数据，在环境安全、生命健康领域具有重要的研究及应用意义。当前的报道侧重于气溶胶整体光学特性的研究，缺乏对气溶胶单颗粒的光学特性的研究。本项目提出了一种新颖的单颗气溶胶颗粒的光镊操控方法，并融合高灵敏度腔衰荡光谱技术，系统地研究了气溶胶单颗粒光学特性。重点解决了两个科学问题：气溶胶单颗粒的非接触操控及光学特性测量技术研究和气溶胶单颗粒光学特性影响因素分析研究。本项目实现了对单颗气溶胶的控制与光学特性研究，具有重大科学意义，又通过创新性的设计发掘出多种应用技术，具有良好的应用背景和开发潜力。

气溶胶是悬浮在气体介质中的固态或液态颗粒所组成的气态分散体系，包含大量的有机物和其他危害物质，对大气环境和人体健康有很大的影响。本项目基于单颗粒光镊操控技术、精密成像技术和腔衰荡光谱技术研究了单颗粒物的物理特性、光学特性等。项目研究获得了单颗气溶胶光镊操控技术及平台，利用该平台实现了10μm单颗碳颗粒的捕获与悬浮，悬浮时间长达30分钟，光镊最小激光功率为7.5mW；获得了精密成像技术和平台，结合光镊平台，实现了颗粒物200μmx230μm区域内成像，放大倍率20X，对~10μm碳粉颗粒在捕获时颗粒物面积、圆形度、径向位移等参数进行了研究，结果揭示了颗粒物在捕获时具有旋转、位移及聚集等现象，造成了捕获瞬间的不稳态，但随之趋向稳定；研制了气溶胶整体光学特性和单颗粒光学特性测量装置，利用衰荡光谱技术实验研究了大气气溶胶消光系数时间变化情况和颗粒物尺寸、位置等因素对单颗碳颗粒消光系数的影响变化情况，显示了颗粒大小、位置及运动情况均会对颗粒的光学特性产生影响，而颗粒物整体光学特性呈现稳定特性，是大量个体光学特性的相互作用形成的。.该项目的研究及成果可深入应用到实际大气气溶胶颗粒物，研究大气颗粒物物理化学性质，有助于理解大气颗粒物与气相环境的相互作用及关系；另外，生物气溶胶相关研究较少，但是其对健康、安全有着重要的影响，利用本项目成果可研究生物气溶胶的物理化学特性及其源解析，进而认识生物气溶胶的产生、影响及治理。该项目研究及成果是联系和研究颗粒物及其整体的特性的重要方法，在大气环境、生命健康及生物化学方面有着巨大的潜在应用价值和社会价值，应用前景广阔。.