微力传感

在测量液滴表面张力前，需标定FDVP外力与光谱响应关系，确定微力灵敏度。搭建微力传感测试系统如图1（a）所示，主要包括：宽带光源、光学光谱分析仪（分辨率20 pm）、3 dB光纤耦合器、高精度压电位移台（行程80 μm，分辨率0.1 nm）、三维位移台、CCD摄像机，整体置于隔振平台并覆盖防风罩，安装于恒温恒湿超净间。

通过压电位移台驱动FDVP压向硬质玻璃基板，挠度d_c等于压电位移台位移d_p，结合弹簧常数k，受力为：

图1 微力传感测试：（a）微力传感测试系统；（b）外力作用下反射光谱演变；（c）谐振波长与外力关系曲线；（d）不同外力下谐振波长重复性测试

控制FDVP以27.8 nm步长逐渐加压，每步受力200 nN。图1（b）显示微力从0增至1400 nN过程中反射光谱演变，谐振波长蓝移约8.4 nm。提取谐振波长并拟合，得微力灵敏度为：5.75 nm/μN，线性拟合匹配度0.989。由光谱仪分辨率20 pm与灵敏度比值，得力探测下限为3.5 nN。重复性测试中，外力从0增至1400 nN再减至0，加载与卸载过程谐振波长响应稳定、可重复性好。

液滴表面张力测量

将去离子水微液滴置于洁净硅片基底，固定在三维位移台，实验温度25℃、相对湿度85%，密封无气流以减少蒸发。FDVP在压电位移台带动下接近液滴，接触瞬间探针周围形成毛细弯月面并产生垂直毛细力；缓慢拉出时弯月面被拉长，拉力增大，弯月面破裂瞬间最大拉力即为液滴表面张力。

大直径FDVP测量去离子水时，谐振波长红移27.1 nm。三次重复测量拉力分别为4.68、4.71、4.73 μN，平均4.707 μN。圆柱形探针浸入液体受到拉力F表示为：

F = 2π r γ cosθ

式中：r为探针半径；γ为液体表面张力系数；θ为液体与探针接触角。大直径探针半径10.3 μm，经严格清洁后接触角θ近似为0，代入平均拉力得去离子水表面张力系数约72.7 mN/m，与文献值一致。

利用大直径FDVP测量异丙醇、乙醇和丙酮微液滴（体积2～20 nL），三次重复测量拉力分别换算为表面张力系数：异丙醇21.88 mN/m、乙醇22.49 mN/m、丙酮23.94 mN/m，与文献误差分别在5%和3%以内，证明FDVP可区分不同液滴表面张力微小差别。

配制不同体积分数水-异丙醇混合液，封闭静置3 h后，利用小直径FDVP测量（液滴体积1～20 pL）。结果显示：随异丙醇体积分数增加，表面张力逐渐减小；异丙醇体积分数增至30%时，表面张力由1176.2 nN降至454.8 nN；体积分数达100%时仅为354.5 nN。飞秒激光TPP技术可进一步制备亚微米探针，有望实现飞升级微液滴测量。

图2 液滴表面张力测量：（a）去离子水测量时反射光谱漂移及显微过程示意；（b）拉脱法测量示意图；（c）三种微液滴表面张力统计；（d）水-异丙醇混合液表面张力随异丙醇体积分数变化

结论

基于光纤端面双V型探针提出一种精确测量微液滴表面张力的拉脱法，为AFM表面张力测量技术提供替代方案。通过有限元仿真与结构力学优化设计不同直径探针，利用飞秒激光TPP技术在光纤端面一体化打印，微力灵敏度5.75 nm/μN，力探测下限3.5 nN，具备优良机械稳定性与可重复性。大直径FDVP准确测量去离子水、异丙醇、乙醇和丙酮表面张力系数；小直径FDVP实现皮升级水-异丙醇混合液表面张力量化，并揭示异丙醇浓度对表面张力的影响规律。FDVP具有体积小、精度高、易集成、使用灵活和全光操作优点，在纳米科学、生物医学、微流控等领域具有广阔应用前景。