[发明专利]一种基于原子力显微镜的极低流速测量装置及方法

说明书

本发明提供一种基于原子力显微镜的极低流速测量装置和方法。本发明包括原子力显微镜、激光发射器、四象限光电探测器和流动装置，流动装置用于模拟极低流速液体的流动，原子力显微镜的长臂探针能够接触流体以测量流体速度，激光发射器用于发射激光，四象限光电探测器用于检测经悬臂梁反射后的激光。本发明利用原子力显微的长臂探针，将探针伸入到流体内部，从而受到流动的阻力，带动悬臂产生扭转变形，扭转变形被四象限光电探测器记录下，实现了对极低流速流体速度的测量。此方法能通过感受流体的微弱作用力来测量极低流速流体的流速，不会对被测流体的波动产生较大的影响，可以在几乎不影响流体流动的情况下达到非常高的灵敏度。

技术领域

本发明涉及原子力显微镜应用技术领域，尤其涉及一种基于原子力显微镜的极低流速测量装置及方法。

背景技术

原子力显微镜(AFM)是一种可通过扫描样品表面获得材料表面微观三维形貌的光学仪器。在检测过程中，将探针悬臂一端固定，用饰有针尖的另一端接近样品，悬臂受针尖与样品间作用力的影响而发生形变或运动状态的变化，这些变化通过光学方法测量、记录下来。近年来，随着研究不断深入，原子力显微镜已从传统的表面三维形貌观测仪器发展成样品-探针间微弱作用力的测量设备。例如利用原子力显微镜监测液体表面水合力变化、检测溶液的粘度等。

传统的流速测量方法主要有流量法、浮标法、颜色示踪法等，这些方法能有效测量流体常规状态下的流速。但对于一些极低流速的流体的流速，例如人体血管内血液的流速、医院输液管内药液的流速，传统的测量方法很难精确且简便地测量，并且会对流体的流动产生较大的波动。而原子力显微镜长臂探针的长度有几十微米而针尖尖端的曲率半径却只有几十微米，不仅能通过感受流体的微弱作用力来测量极低流速流体的流速，而且不会对被测流体的波动产生较大的影响，同时由于针尖对于流体分子间微小的作用力十分敏感，可以在几乎不影响流体流动的情况下达到非常高的灵敏度。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种基于原子力显微镜的极低流速测量装置及方法。本发明采用的技术手段如下：

一种基于原子力显微镜的极低流速测量装置，包括：原子力显微镜、激光发射器、四象限光电探测器和流动装置，所述流动装置用于模拟极低流速液体的流动，所述原子力显微镜的长臂探针能够接触流体以测量流体速度，所述激光发射器用于发射激光，所述激光发射器设置在测量悬梁臂上方，所述四象限光电探测器用于检测经悬臂梁反射后的激光。

本发明还公开上述基于原子力显微镜的极低流速测量装置的极低流速测量方法，包括如下步骤：

步骤1、插入长臂探针测扭转力：安装好激光发射器和四象限光电探测器后，将原子力显微镜的长臂探针伸入到流体内部，利用光学的方法将悬梁臂的形变程度转化为电信号，获取扭转力数据；

步骤2、标定力与速度的对应关系：在保持步骤1插入液体深度相同的情况下，不同扭转力对应不同的速度，通过调节流动装置的流速和测量得到的扭转力数据标定扭转力；

步骤3、进行速度测量：在保持步骤1插入液体深度相同的情况下，测量出扭转力的大小，通过步骤2所标定的力与速度的对应关系来确定速度。

进一步地，所述步骤2中，流体的流速通过调节流动装置水箱的高度来调节，扭转力通过光电传感器收集到的电压来测量，力与速度的关系即为电压与水箱高度的关系，实验测得电压与水箱高度的对应关系。

本发明利用原子力显微的长臂探针，将探针伸入到流体内部，从而受到流动的阻力，带动悬臂产生扭转变形，扭转变形被四象限光电探测器记录下，从而实现了对极低流速流体速度的测量。此方法不仅能通过感受流体的微弱作用力来测量极低流速流体的流速，而且不会对被测流体的波动产生较大的影响，同时由于针尖对于流体分子间微小的作用力十分敏感，可以在几乎不影响流体流动的情况下达到非常高的灵敏度。

附图说明