基于后向散射法微体积液体折射率测量系统的研究

论文摘要

环境监测和快速测量生物药品成分组成已经是当今社会科学研究的热门课题。在很多高校以及相关的科研单位,这个课题已经成为研究的重点课题,不论是国家还是相关单位都有很大的投资在环境监测的科学研究上。介质的折射率在物理知识和实际应用中具有很重要的意义和作用,在实际应用中,折射率的应用范围是非常广泛的,可见对于准确的测量折射率的意义是多么重大,对于我们的生活是多么重要。在化学和生化研究上,折射率的测量是一种很普遍的测量技术。快速监测和测量微体积的溶液样本的需求也正在扩大,这种需求主要体现在环境和病情监测两个领域,包括很多应用方面,比如饮用水质量监测和食物质量检测等。截止到目前,已经有很多监测技术用来检测微体积溶液的折射率变化。在光学测量方法中,主要有干涉法,波导法以及前向散射的测量方法。尽管有些方法有比较理想的检测限,但依然有很多缺陷。前向散射方法非常适合纳升量级的溶液探测,但是这种方法的光是通过一个单通道光路,并且它的分辨率受到限制。波导法可以用来监测很小体积的溶液,但是这种方法需要很长的波导来实现。这些方法在大容量溶液探测以及分辨率方面都没有干涉和散射的方法好。为了攻克前面提到的这些缺陷,我们在实验室条件下,研究了一种基于后向散射干涉仪的新型探测器,这种探测器叫做微干涉后向散射探测器。微干涉后向散射探测器是很多分析方法中的一种。这种探测器通过相干光照射到圆形物体上时会产生高对比的干涉条纹,通过分别注入不同的目标溶液到毛细管中,然后来分析产生于毛细管周围的这些干涉条纹的变化情况来实现的。Bornhop是第一个提出和使用这种技术的科学家,在他的研究报告中,微干涉后向散射探测器可以探测折射率改变大约为10-7。在生物学以及化学的研究过程中,折射率的测量技术是一种很常见的测量技术。可是,对于纳升体积溶液的折射率测量而言,高精度小型化的探测器的研究依然面临巨大的挑战。本文采用一种比较灵活多变的的方法,利用新型面阵CCD来记录由于后向散射而产生的干涉条纹,然后结合快速傅立叶变化的方法,通过追踪条纹在空间上的位移来得到折射率变化的情况。通过这种方法,我们可以得到微体积液体折射率的检测限为2.44×10-7,相当于检测限浓度为1.37×10-6g/mL。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 论文背景
• 1.2 干涉测量技术的发展
• 1.3 后向散射干涉法的发展状况
• 1.3.1 光散射技术和研究历史
• 1.3.2 光散射的分类
• 1.3.3 微干涉后向散射法
• 1.4 本论文的主要工作
• 第二章 微体积液体折射率测量后向散射法的基本理论
• 2.1 引言
• 2.2 基于光线追踪的方法
• 2.2.1 四线追踪法模型
• 2.2.2 光程的变化
• 2.2.3 反射和透射
• 2.3 微体积液体折射率测法实验模型
• 2.3.1 六线追踪法模型
• 2.3.2 后向散射法测折射率的实验原理
• 2.4 本章小结
• 第三章 微体积液体折射率测量系统
• 3.1 引言
• 3.2 测量光源
• 3.3 温度控制系统和采集系统
• 3.3.1 温度传感器及电路
• 3.3.2 半导体制冷器及其驱动电路
• 3.3.3 数据采集和软件控制
• 3.4 图像采集系统
• 3.5 本章小结
• 第四章 微体积液体折射率测量实验结果及其分析
• 4.1 引言
• 4.2 实验光路平台搭建
• 4.3 目标溶液
• 4.3.1 溶液的选取
• 4.3.2 目标溶液的配制
• 4.4 实验数据和分析讨论
• 4.4.1 干涉图样采集
• 4.4.2 数据分析
• 4.4.3 结果讨论
• 4.5 小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者简介
• 导师简介
• 硕士研究生学位论文答辩委员会决议书