理论分析.doc

第八届全国流体力学学术会议
2014年9月18~21日甘肃兰州
文章编号: CSTAM2014-B01-0208
标题: Nano-PIV中隐失波界面基准光强I0的确定
作者:史飞,郑旭,李战华
单位:中国计量学院计量测试工程学院
中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室
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Nano-PIV中隐失波界面基准光强I0的确定1)
史飞*,郑旭+,李战华+,2)
*(中国计量学院计量测试工程学院,浙江杭州 310018)
+(中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室,北京海淀 100190)
摘要全内反射荧光显微技术(TIRFM)是用来直接测量荧光粒子在壁面附近运动的有效方法。在TIRFM中,隐失波的光强分布I(z)和其距壁面的距离z成指数衰减的关系(即I(z)=I0exp(z/dp),其中dp为穿透深度,I0为界面处的隐失波基准光强)。当荧光粒子处于隐失波光强分布中,粒子的亮度也将符合上述指数衰减关系,因此可通过测量粒子亮度来确定粒子垂向位置。然而在实际测量中,界面处I0是未知量且难以确定。本文根据近壁区的粒子浓度分布及粒子亮度指数衰减关系,并且考虑了粒子的粒径分散性,通过数值方法求解了粒子亮度的概率分布曲线。进而通过实验测量的粒子亮度分布,与理论分布对比后确定I0。我们采用ϕ100nm和ϕ250nm的荧光粒子,在超纯水中测量了荧光粒子的亮度,通过归一化后的实测粒子亮度的统计分布与理论分布曲线的对比,确定了基准光强I0。更进一步,在距壁面700nm范围内进行了分层速度测量,结果与理论值吻合很好,证明此方法在流动状态下的有效性。
关键词 Nano-PIV,隐失波,纳米粒子,光强分布
引言
在流体力学的研究中,粒子图像测速技术(PIV)是一种有效的可视化速度测量方法,至今仍然有着广泛的应用。在微流体领域,该技术发展为显微粒子图像测速技术(Micro-PIV)[1],以实现在微米尺度的流场区域速度测量。随着研究朝纳流动深入,速度测量需要更高的空间分辨率,因此,基于隐失波的全内反射荧光显微测速技术被发展起来。这种方法可以获得靠近壁面百纳米范围内的速度分布情况,又被成为Nano-PIV。
Nano-PIV利用壁面全反射时产生的隐失波照明近壁区,将观测区域限制在壁面附近几百纳米的薄层内,因此相比传统体照明显微技术,该技术具有较高信噪比和分辨率[2]。在Nano-PIV中,隐失波光强分布和其到壁面的距离成指数衰减的关系,当荧光粒子处于隐失波照明场中时,其散射光强的分布也符合这一规律。根据这一特性,测量粒子的亮度就可以依据指数衰减关系获得粒子垂向位置。隐失波照明最早使用在生物医学领域,近年来一些研究者尝试将该技术用于受限布朗运动的测量[3, 4]和近壁区速度滑移的测量[5-7]。Kihm、Banerjee等[3-4]采用全内反射荧光技术测量了近壁几百纳米区域内ϕ50-500nm粒子受限布朗运动。Huang等[5]采用Nano-PIV测量了光滑玻璃表面的速度滑移。Bouzigues等[6]采用该技术研究了德拜长度内亲疏水表面速度滑