(19)国家知识产权局 (12)发明 专利 (10)授权公告 号 (45)授权公告日 (21)申请 号 202210489287.3 (22)申请日 2022.05.07 (65)同一申请的已公布的文献号 申请公布号 CN 114577681 A (43)申请公布日 2022.06.03 (73)专利权人 之江实验室 地址 311121 浙江省杭州市余杭区文一西 路1818号中国人工智能小镇10号楼 专利权人 浙江大学 (72)发明人 李帅　章逸舟　陈志明　王颖颖　 胡慧珠　 (74)专利代理 机构 杭州求是专利事务所有限公 司 33200 专利代理师 林松海(51)Int.Cl. G01N 15/00(2006.01) G01N 21/65(2006.01) G01N 21/01(2006.01) (56)对比文件 CN 114088478 A,202 2.02.25 CN 205719979 U,2016.1 1.23 CN 113820301 A,2021.12.21 D. R. Burnham 等.Co ntrolled aeroso l manipulation using holographic optical tweezers. 《Proc. of S PIE》 .2016,1-7页. 审查员 李媛媛 (54)发明名称 一种气溶胶微弱拉曼光谱信号探测装置及 其应用方法 (57)摘要 本发明公开了一种气溶胶微弱拉曼光谱信 号探测装置及其应用方法。 所述装置包括计算 机、 空间光调制器单元、 光镊单元、 气溶胶样品 室、 气溶胶样品室环境条件调控 单元和光谱仪单 元。 所述应用方法： 将全息图加载到空间光调制 器单元； 打开光镊单元的激光器， 在气溶胶样品 室内形成光阱阵列； 向气溶胶样品室喷入待测气 溶胶； 光阱阵列捕获多个气溶胶； 调控气溶胶样 品室环境条件的相对湿度； 将多个气溶胶的拉曼 光谱信号收集到光谱仪单元。 本发 明利用空间光 调制器在气溶胶样品室内形成光阱阵列， 同时捕 获多个气溶胶， 将多个气溶胶的拉曼光谱信号同 时收集到光谱仪单元， 提高气溶胶微弱拉曼光谱 信号的探测性能， 可实现气溶胶微弱拉曼光谱信 号的高分辨 率探测。 权利要求书1页 说明书6页 附图5页 CN 114577681 B 2022.09.09 CN 114577681 B 1.一种气溶胶微弱拉曼光谱信号探测方法， 其特征在于， 采用的气溶胶微弱拉曼光谱 信号探测装置包括计算机 （1） 、 空间光调制器单元 （2） 、 光镊单元 （3） 、 气溶胶样品室 （4） 、 气 溶胶样品室环境条件调控单 元 （5） 和光谱仪单 元 （6） ； 所述的计算机 （1） 用于生成全息图， 加载到空间光调制器单 元 （2） ； 所述的空间光调制器单 元 （2） 用于调控光镊单 元 （3） 的光场相位； 所述的光镊单 元 （3） 用于捕获气溶胶样品室 （4） 内的气溶胶； 所述的气溶胶样品室环境条件调控单 元 （5） 用于调控气溶胶样品室 （4） 内的环境条件； 所述的光谱仪单 元 （6） 用于收集气溶胶样品室 （4） 内捕获的气溶胶的拉曼光谱信号； 所述的计算机 （1） 通过建立空气中捕获气溶胶的动力学理论模型， 结合傅里叶变换算 法， 生成满足气溶胶的吸湿与挥发特性、 气溶胶的氧化特性和气溶胶的相分离特性的全息 图； 所述的全息图根据光阱阵列数量需求 生成阵列图案； 所述的空间光调制器单元 （2） 采用液晶空间光调制器， 所述的液晶空间光调制器包括 反射型液晶空间光调制器或透射型 液晶空间光调制器； 所述的光镊单 元 （3） 配合空间光调制器单 元 （2） 实现多个气溶胶的同时捕获； 方法包括以下步骤： 1） 将计算机 （1） 生成的全息图加载到空间光调制器单 元 （2） ； 2） 打开光镊单元 （3） 的激光器， 在气溶胶样品室 （4） 内形成光阱阵列； 3） 利用超声雾化器向气溶胶样品室 （4） 喷入待测气溶胶； 4） 光阱阵列同时捕获多个气溶胶； 5） 利用气溶胶样品室环境条件调控单 元 （5） 调控气溶胶样品室环境条件的相对湿度； 6） 将多个气溶胶的拉曼光谱信号收集到光谱仪单元 （6） ， 实现气溶胶的原位、 在线、 实 时测量， 增强气溶胶的总体拉曼光谱信号， 从而实现气溶胶微弱 拉曼光谱信号探测 性能的 提升。 2.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 所述的气溶胶样品室 （4） 的内置空间为45 立方厘米。 3.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 所述的气溶胶样品室环境条件调控单元 （5） 模拟气溶胶在大气环境中的真实状态， 通过向气溶胶样品室 （4） 内通入混合后的干氮气 和湿氮气， 实现气溶胶样品室 （4） 内环境相对湿度条件的调控。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114577681 B 2一种气溶胶微弱拉曼光谱信号 探测装置及其应用方 法 技术领域 [0001]本发明涉及光阱传感领域、 大气科学和环境科学领域， 特别涉及一种气溶胶微弱 拉曼光谱信号探测装置及其应用方法。 背景技术 [0002]气溶胶是指由固体或液体小质点分散并悬浮在气体介质中形成的胶体分散体系， 气溶胶的特性会随环境条件的改变而发生变化。 当环境相对湿度发生变化时， 可溶性气溶 胶会发生吸湿潮解、 挥发及吸湿增长、 相态转变等， 引起其辐射吸收、 多相反应过程及形成 云凝结核的活性等方面的改变。 当大气环境中的氧化剂与挥发性有机气溶胶发生氧化反应 时， 生成的二次有机气溶胶占环境有机气溶胶总 量的30%‑70%， 不仅危害人体健康， 而且还 会引起气候变化， 造成空气 污染。 相比于传统的气溶胶颗粒特性测量方法 （如傅里叶变换 红 外光谱法、 扫描电镜法、 透射电镜 法、 原子力显微镜法等） ， 采用悬浮光镊进 行气溶胶颗粒特 性测量时， 表现出两方面的优势： 一方面， 光镊 可以在空气中捕获并悬浮待测气溶胶单颗粒 而无基底接触影响； 另一方面， 通过光镊 悬浮气溶胶颗粒， 可以模拟大气环境中气溶胶颗粒 的真实状态而不会对待测气溶胶颗粒及所处环境产生影响。 目前， 在用悬浮光镊进行气溶 胶颗粒特性测量时， 存在气溶胶的拉曼光谱信号微弱难题。 由于待测亚微米尺寸气溶胶的 拉曼散射信号约为瑞利散射信号的千分之一至万分之一， 且粒径越小其拉曼散射截面越 小， 对应的拉曼散射信号越弱， 因而存在亚微米尺寸气溶胶的拉曼散射信号微弱难题。 虽然 现有的表面增强拉曼散射方法可以将拉曼散射信号增强102～1010倍， 但该方法是基于将待 测物质吸附到某些金属(如金、 银、 铜等)  、 半导体纳米材料或二维材料表面实现的拉曼散 射信号增强， 不适用于拉曼光镊中悬浮亚微米尺寸气溶胶的拉曼散射信号增强。 因此需要 探索气溶胶微弱拉曼光谱信号的高分辨率探测方案， 提高气溶胶的拉曼光谱信号的探测能 力， 最终实现气溶胶的吸湿和挥发、 氧化、 相态转变等特性测量。 发明内容 [0003]针对现有技术不足， 本发明提出了一种气溶胶微弱拉曼光谱信号探测装置及 其应 用方法。 [0004]为实现上述 技术目的， 本发明的技 术方案为： [0005]本发明实施例的第一方面提供了一种 气溶胶微弱拉曼光谱信号探测装置， 包括计 算机、 空间光调制器单元、 光镊单元、 气溶胶样品室、 气溶胶样品室环境条件调控单元和光 谱仪单元； 所述的计算机用于生成全息图， 加载到空间光调制器单元； 所述的空间光调制器 单元用于调控光镊单元 的光场相位； 光镊单元用于捕获气溶胶样品室内的气溶胶； 气溶胶 样品室环境条件调控单元用于调控气溶胶样品室内的环境条件； 光谱仪单元用于收集气溶 胶样品室内捕获的气溶胶的拉曼光谱信号。 根据气溶胶的研究需求， 用计算机设计全息图， 并将设计好的全息图加载到空间光调制器单元， 打开光镊单元的激光器， 通过空间光调制 器调控光镊单元 的光场相位， 在气溶胶样品室内形成不同的光阱阵列， 然后利用超声雾化说　明　书 1/6 页 3 CN 114577681 B 3