專利名稱：一種液體膜的切變波共振吸收譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量儀器，特別是一種液體膜的切變波共振吸收譜儀。
溶液中的團簇間、長鏈間和多鍵間的交互作用范圍，分子和團簇的集團行為，高分子溶液中的長鏈，生命液體(如蛋白質(zhì)、核酸、糖、脂等的水溶液)中的二、三、四級或其他化學溶液和絡(luò)合物中的基團，其涉及的尺度處于從略小于1nm至100nm的量級。而通常電磁波(光波和微波)的共振吸收(可見光譜、Raman、紅外、NMR、ESR等)頻率都在106--1013Hz以上，它們所能所探測到的是電子能級和鍵間各種振動(包括轉(zhuǎn)動)能級的躍遷，但對于納米和納米以上尺度液體的整體和結(jié)構(gòu)特征，它們卻無能為力。
本發(fā)明的目的在于提供一種在10-5--103Hz頻段測量液體膜的切變波共振吸收譜儀。
本發(fā)明的另一目的在于提供液體膜的切變波共振吸收譜儀在測量液體膜的切變波共振吸收波數(shù)譜中的應(yīng)用。
本發(fā)明的另一目的在于提供液體膜的切變波共振吸收譜儀在測量液體膜的切變波共振吸收頻譜中的應(yīng)用。
本發(fā)明的另一目的在于提供液體膜的切變波共振吸收譜儀在測量液體膜的共振能吸收溫度譜中的應(yīng)用。
本發(fā)明的另一目的在于提供液體膜的切變波共振吸收譜儀在測量液體膜的動態(tài)模量隨波數(shù)、頻率和溫度的變化關(guān)系中的應(yīng)用。
本發(fā)明的另一目的在于提供液體膜的切變波共振吸收譜儀在測量液體膜的粘度隨波數(shù)、頻率和溫度的變化關(guān)系中的應(yīng)用。
本發(fā)明的另一目的在于提供液體膜的切變波共振吸收譜儀在測量液體膜中的相變的應(yīng)用。
本發(fā)明的另一目的在于提供液體膜的切變波共振吸收譜儀在測量液體膜中的弛豫的應(yīng)用。
本發(fā)明的另一目的在于提供液體膜的切變波共振吸收譜儀在測量液體膜在加電、磁場、應(yīng)力場或變溫過程中的動力學參數(shù)的應(yīng)用。
本發(fā)明液體膜的切變波共振吸收譜儀，由懸掛扭擺裝置和計算機檢測裝置組成。懸掛扭擺裝置由起振元件、固定夾頭、扭轉(zhuǎn)振動夾頭、擺桿、平衡裝置、永久磁鐵、電磁驅(qū)動線圈、扭轉(zhuǎn)振動板、固定板、支架組成，其中起振元件一端被固定在支架上的固定夾頭夾持，另一端被帶有擺桿的扭轉(zhuǎn)振動夾頭夾持，擺桿另一端連接有平衡裝置，擺桿上安裝有一扭轉(zhuǎn)振動板，扭轉(zhuǎn)振動板下面有一固定板，固定安裝在支架上，擺桿兩側(cè)對稱地安裝有一對永久磁鐵，對應(yīng)每塊永久磁鐵外面有一電磁驅(qū)動線圈。計算機檢測裝置由反射鏡、準直光源、差分光電池、A/D轉(zhuǎn)換器、傅立葉變換器、計算機接口、反饋器、應(yīng)力信號發(fā)生器、D/A轉(zhuǎn)換器、功放、電磁驅(qū)動線圈組成，其中反射鏡安裝在擺桿上，反射鏡與準直光源、差分光電池構(gòu)成計算機檢測裝置的應(yīng)變信號源，差分光電池一路依次連接A/D轉(zhuǎn)換器、傅立葉變換器、計算機接口，另一路依次連接恒應(yīng)力或恒應(yīng)變反饋器、應(yīng)力信號發(fā)生器、D/A轉(zhuǎn)換器、功放、電磁驅(qū)動圈、傅立葉變換器、計算機接口。
在懸掛扭擺裝置中，固定夾頭可升降，一對永久磁鐵置于擺桿上，該對永久磁鐵也可以用橫穿過擺桿的一塊磁鐵替代，起振元件和扭轉(zhuǎn)振動板、固定板分處于擺桿上下兩端，起振元件和扭轉(zhuǎn)振動板、固定板也可同處于擺桿上端或下兩端。起振元件為固體絲或固體片，扭轉(zhuǎn)振動板下表面為平面或凸面，固定板上表面為平面或凹面，扭轉(zhuǎn)振動板、固定板由塑料、金屬、陶瓷或玻璃制成。懸掛扭擺裝置可以采用正扭擺方式，當采用正扭擺方式時，懸掛扭擺裝置中的平衡裝置為連接在擺桿另一端的配重砝碼，配重砝碼也可以浸沒在阻尼油中；懸掛扭擺裝置還可以采用倒扭擺方式，當采用倒扭擺方式時，懸掛扭擺裝置中的平衡裝置為連接在擺桿另一端的定滑輪和配重砝碼，定滑輪安裝在支架上，配重砝碼通過定滑輪連接在擺桿上端。
本發(fā)明液體膜的切變波共振吸收譜儀，是利用機械方法在液體膜中產(chǎn)生切變波，并應(yīng)用液體中切變波速度遠小于光速的原理，使10-5--103Hz頻段的連續(xù)變頻的低頻橫切振動在液體中產(chǎn)生波數(shù)為10-4--103cm-1的切變波，通過測量溶液的共振吸收峰，即可測得溶液中共振源處于0.2nm-50nm尺度的物質(zhì)特征，包括共振源的尺寸、體積和質(zhì)量，能級差、交互作用能、弛豫過程激活能和鍵力，團簇和生命液體中或生物膜中的相變，以及變溫及加(電、磁、力)場條件下的(生命)過程動力學特征。其連續(xù)變化的波數(shù)范圍可覆蓋Raman譜、MNR譜、ESR譜一直到微波，因而可在凝聚態(tài)物理、溶液研究、膠體化學、有機化學、生物化學和生命過程的研究中得到廣泛的應(yīng)用。
在本發(fā)明液體膜的切變波共振吸收譜儀中，通過電磁驅(qū)動線圈施加一個交變電信量時，永久磁鐵受到交變應(yīng)力，從而使起振元件與扭轉(zhuǎn)振動板一起建立一個與交變信號相同頻率的扭轉(zhuǎn)振動。其運動方程為Iθ..=M0exp(iωt)-γθ.-(M1-M2)θ---(1)]]>其中M0exp(iωt)是外加力矩，I為裝置的轉(zhuǎn)動慣量，θ為扭轉(zhuǎn)角，γ為轉(zhuǎn)筒扭動時產(chǎn)生的粘滯力矩，M1為起振元件的恢復力矩，M2為起振元件的耗散力矩。其中可算得γ=Aη(2)其中A為儀器常數(shù)，η為被測液體粘度。裝置振動一周耗散的能量(由液體和起振元件吸收的振動能)可以用應(yīng)變落后于應(yīng)力的相角φ來表達。解得的結(jié)果為tgφ測量(ω)=tgφ起振元件(ω)+tgφ液體(ω) (3)當裝置的強迫振動頻率ω可與系統(tǒng)共振頻率ωr比較時，tgφ(ω)=tgφ測量(ω)/(1-ω2/ωr2) (4)液體與起振元件的恢復力系數(shù)M為M=M測量(1-ω2/ωr2)(1+tg2φ)1/2(5)測量液膜的共振吸收時，應(yīng)在將可升降的固定夾頭上移時測出儀器的背景tgφs值，再在扭轉(zhuǎn)振動板上滴入已計量體積的被測液體，并將可升降的固定夾頭下移至與扭轉(zhuǎn)振動板貼緊并使液體剛好不被擠出。然后測量液膜的tgφ液體膜值，其差值tgφ=(tgφ液體膜-tgφs)(6)即為液體膜的共振吸收值。但一般情況下，tgφ液體膜遠大于tgφs，所以后者往往可以忽略不計。再由(3)、(4)式即可得知液體膜所吸收的振動能，由(5)式即可得知液體膜的模量以及它隨裝置的強迫振動頻率ω的變化關(guān)系。
另外液體中切變波的波長λ與振動頻率ω的關(guān)系為λ=(2η/ρω)1/2=1/k (7)其中η為被測液體的粘滯系數(shù)，ρ為被測液體的密度，k為被測液體的波數(shù)。由(4)至(7)式即可得知液體膜的共振吸收值tgφ液體膜和模量隨波數(shù)k以及液體的粘度η的變化關(guān)系。固定裝置的某一強迫振動頻率ω，改變液體的溫度，即可得知液體膜的模量隨液體溫度的變化關(guān)系，進一步測量液體中的相變、弛豫以及液體在加電場、磁場、應(yīng)力場或變溫過程中的動力學參數(shù)。
當切變波的頻率為10-4--103Hz時，水的波數(shù)為0.1---560cm-1(相當于電磁波的毫米至紅外波段)，k變化了5000倍以上。因此液體中切變波共振吸收譜所覆蓋的連續(xù)波數(shù)范圍比Raman(雙光柵Raman譜的低頻極限為30cm-1)及紅外譜之和還要寬。
溫度升高時，液體的粘度η降低；因此，通過頻率及液體的粘度變化可使波數(shù)在10-4-103cm-1間連續(xù)變化，這已覆蓋了從Raman譜、紅外譜、NMR譜、ESR譜甚至于超聲波的波數(shù)范圍，因此本譜儀可探測到液體中尺寸為0.2--102nm或更大的共振源。
本發(fā)明的液體膜的切變波共振吸收譜儀可以在0--150℃溫度范圍內(nèi)，10-5---500Hz頻率范圍內(nèi)，測量液體膜的切變波共振吸收譜。其相角差分辨率優(yōu)于5×10-6。本發(fā)明的液體膜的切變波共振吸收譜儀可以在強迫振動(可在系統(tǒng)的共振頻率ωr以下或以上進行)、自由衰減、恒應(yīng)變條件下的應(yīng)力弛豫或恒應(yīng)力條件下的應(yīng)變流變方式下工作。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細的說明。


圖1為懸掛扭擺裝置為倒扭擺方式的液體膜的切變波共振吸收譜儀結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為懸掛扭擺裝置為正扭擺方式的液體膜的切變波共振吸收譜儀結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為懸掛扭擺裝置為倒扭擺方式的液體膜的切變波共振吸收譜儀結(jié)構(gòu)示意圖；圖4(a)、(b)為圖3中液體膜的切變波共振吸收譜儀扭轉(zhuǎn)振動板、固定板A-A剖面放大圖；圖5為液體膜的切變波共振吸收譜儀的計算機檢測裝置連接框圖。
圖1中懸掛扭擺裝置采用倒扭擺方式。起振元件1一端被固定在支架13上的固定夾頭2夾持，另一端被帶有擺桿3的扭轉(zhuǎn)振動夾頭4夾持，擺桿3另一端通過固定在支架13上的兩個定滑輪14和配重砝碼5相連接，擺桿3下端安裝有一扭轉(zhuǎn)振動板8，對應(yīng)扭轉(zhuǎn)振動板下面有一固定板9，固定板9安裝在支架13上。擺桿3中部兩側(cè)對稱地安裝一對永久磁鐵7，對應(yīng)每塊永久磁鐵7外面有一電磁驅(qū)動線圈6，反射鏡11安裝在擺桿3上，它與準直光源10、接收振動信號的差分光電池12構(gòu)成計算機檢測裝置的反變信號源。
圖2中懸掛扭擺裝置采用正扭擺方式。起振元件1一端被固定在支架13上的固定夾頭2夾持，另一端被帶有擺桿3的扭轉(zhuǎn)振動夾頭4夾持，擺桿3另一端和配重砝碼5相連接，配重砝碼5浸沒在阻尼油內(nèi)，擺桿3上安裝有一扭轉(zhuǎn)振動板8、中部兩側(cè)對稱地安裝有一對永久磁鐵7，對應(yīng)每塊永久磁鐵7外面有一電磁驅(qū)動線圈6，對應(yīng)扭轉(zhuǎn)振動板下面有一固定板9，固定板9安裝在支架13上。反射鏡11安裝在擺桿3上，它與準直光源10、接收振動信號的差分光電池12構(gòu)成計算機檢測裝置的反變信號源。
考慮到上、下方扭力的平衡，即固體起振元件的抗力和液膜粘滯阻力的平衡，圖1、圖2中將施加扭轉(zhuǎn)力的磁鐵置于擺桿的中部，而起振元件和扭轉(zhuǎn)振動板分別處于上下二端，因此振動系統(tǒng)易于平衡和具有更好的抗干擾能力。
圖3起振元件1一端被固定在支架13上的固定夾頭2夾持，另一端被帶有擺桿3的扭轉(zhuǎn)振動夾頭4夾持，擺桿3另一端通過固定在支架13上的兩個定滑輪14和配重砝碼5相連接，擺桿3上安裝有一扭轉(zhuǎn)振動板8，中部兩側(cè)對稱地安裝一對永久磁鐵7，對應(yīng)每塊永久磁鐵7外面有一電磁驅(qū)動線圈6，對應(yīng)扭轉(zhuǎn)振動板下面有一固定板9，固定板9安裝在支架13上。反射鏡11安裝在擺桿3上，它與準直光源10、接收振動信號的差分光電池12構(gòu)成計算機檢測裝置的反變信號源。
圖4(a)中扭轉(zhuǎn)振動板8下表面為兩端為平面，中間為凸弧面，固定板9上表面為兩端為平面，中間為凹弧面；(b)中扭轉(zhuǎn)振動板8下表面為兩端為平面，中間為凸折面，固定板9上表面為兩端為平面，中間為凹折面。
圖5中差分光電池12一路依次連接A/D轉(zhuǎn)換器15、傅立葉變換器16、計算機接口17，另一路依次連接應(yīng)變振幅恒定反饋器18、應(yīng)力信號發(fā)生器19、D/A轉(zhuǎn)換器20、功放21、電磁驅(qū)動圈22、傅立葉變換器16、計算機接口17。測量時，先將可升降的固定夾頭2上移并使扭轉(zhuǎn)振動板8和固定板9分開，再在固定板9上滴入已計量體積的被測液體，將可升降的固定夾頭2下移至與固定板9貼緊并使液體剛好不被擠出。液體膜的厚度可在106-102nm范圍內(nèi)調(diào)節(jié)并可從液面面積和體積計算出。通過線圈6施加一個交變電信號時，永久磁鐵7受到交變應(yīng)力，從而使起振元件1中建立一個與交變電信號相同頻率ω的扭轉(zhuǎn)振動并在盛液膜中形成切變波。由計算機通過軟件(或硬件)產(chǎn)生的可連續(xù)變頻的正弦波電信號，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換和功率放大后輸入驅(qū)動線圈22。由光電池12接收的應(yīng)變信號放大后，一部分反饋給應(yīng)力發(fā)生器19使保持應(yīng)變或應(yīng)力幅值的恒定。另一部分與線圈22中的應(yīng)力信號同時輸入計算機，經(jīng)傅里葉變換后即可得出應(yīng)變落后于應(yīng)力的相差φ。整個過程均由計算機按測量程序自動進行并可在屏幕上實時顯示tgφ-k，模量M-k曲線(k是波數(shù))，也可實時或測量完成后打印圖形和數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求
1.一種液體膜的切變波共振吸收譜儀，其特征在于該譜儀由懸掛扭擺裝置和計算機檢測裝置組成。
2.如權(quán)利要求1所述的液體膜的切變波共振吸收譜儀，其特征在于懸掛扭擺裝置由起振元件、固定夾頭、扭轉(zhuǎn)振動夾頭、擺桿、平衡裝置、永久磁鐵、電磁驅(qū)動線圈、扭轉(zhuǎn)振動板、固定板、支架組成，其中起振元件一端被固定在支架上的固定夾頭夾持，另一端被帶有擺桿的扭轉(zhuǎn)振動夾頭夾持，擺桿另一端連接有平衡裝置，擺桿上安裝有一扭轉(zhuǎn)振動板，扭轉(zhuǎn)振動板下面有一固定板，固定安裝在支架上，擺桿兩側(cè)對稱地安裝有一對永久磁鐵，對應(yīng)每塊永久磁鐵外面有一電磁驅(qū)動線圈。
3.如權(quán)利要求1所述的液體膜的切變波共振吸收譜儀，其特征在于計算機檢測裝置由反射鏡、準直光源、差分光電池、A/D轉(zhuǎn)換器、傅立葉變換器、計算機接口、恒應(yīng)力或恒應(yīng)變反饋器、應(yīng)力信號發(fā)生器、D/A轉(zhuǎn)換器、功放、電磁驅(qū)動線圈組成，其中反射鏡安裝在擺桿上，反射鏡與準直光源、差分光電池構(gòu)成計算機檢測裝置的應(yīng)變信號源，差分光電池一路依次連接A/D轉(zhuǎn)換器、傅立葉變換器、計算機接口，另一路依次連接恒應(yīng)力或恒應(yīng)變反饋器、應(yīng)力信號發(fā)生器、D/A轉(zhuǎn)換器、功放、電磁驅(qū)動圈、傅立葉變換器、計算機接口。
4.如權(quán)利要求2所述的液體膜的切變波共振吸收譜儀，其特征在于固定夾頭可升降。
5.如權(quán)利要求2所述的液體膜的切變波共振吸收譜儀，其特征在于一對永久磁鐵可以用橫穿過擺桿的一塊磁鐵替代。
6.如權(quán)利要求2所述的液體膜的切變波共振吸收譜儀，其特征在于永久磁鐵置于擺桿中部，起振元件和扭轉(zhuǎn)振動板、固定板分處于擺桿上下兩端。
7.如權(quán)利要求2所述的液體膜的切變波共振吸收譜儀，其特征在于永久磁鐵置于擺桿中部，起振元件和扭轉(zhuǎn)振動板、固定板同處于擺桿上端或下兩端。
8.如權(quán)利要求2所述的液體膜的切變波共振吸收譜儀，其特征在于起振元件為固體絲或固體片。
9.如權(quán)利要求2所述的液體膜的切變共振吸收譜儀，其特征在于扭轉(zhuǎn)振動板下表面為平面或凸面。
10.如權(quán)利要求2所述的液體膜的切變波共振吸收譜儀，其特征在于固定板上表面為平面或凹面。
11.如權(quán)利要求9或10所述的液體膜的切變波共振吸收譜儀，其特征在于扭轉(zhuǎn)振動板、固定板由塑料、金屬、陶瓷或玻璃制成。
12.如權(quán)利要求2所述的液體膜的切變波共振吸收譜儀，其特征在于懸掛扭擺裝置采用正扭擺方式。
13.如權(quán)利要求12所述的液體膜的切變波共振吸收譜儀，其特征在于懸掛扭擺裝置中的平衡裝置為連接在擺桿下端的配重砝碼。
14.如權(quán)利要求12所述的液體膜的切變波共振吸收譜儀，其特征在于懸掛扭擺裝置中的平衡裝置為連接在擺桿下端的配重砝碼，配重砝碼浸沒在阻尼油中。
15.如權(quán)利要求2所述的液體膜的切變波共振吸收譜儀，其特征在于懸掛扭擺裝置采用倒扭擺方式。
16.如權(quán)利要求15所述的液體膜的切變波共振吸收譜儀，其特征在于懸掛扭擺裝置中的平衡裝置為連接在擺桿上端的定滑輪和配重砝碼，定滑輪安裝在支架上，配重砝碼通過定滑輪連接在擺桿下端。
17.權(quán)利要求1所述的液體膜的切變波共振吸收譜儀在測量液體膜的切變波共振吸收波數(shù)譜中的應(yīng)用。
18.權(quán)利要求1所述的液體膜的切變波共振吸收譜儀在測量液體膜的切變波共振吸收頻譜中的應(yīng)用。
19.權(quán)利要求1所述的液體膜的切變波共振吸收譜儀在測量液體膜的共振能吸收溫度譜中的應(yīng)用。
20.權(quán)利要求1所述的液體膜的切變波共振吸收譜儀在測量液體膜的動態(tài)模量隨波數(shù)、頻率和溫度的變化關(guān)系中的應(yīng)用。
21.權(quán)利要求1所述的液體膜的切變波共振吸收譜儀在測量液體膜的粘度隨波數(shù)、頻率和溫度的變化關(guān)系中的應(yīng)用。
22.權(quán)利要求1所述的液體膜的切變波共振吸收譜儀在測量液體膜中的相變的應(yīng)用。
23.權(quán)利要求1所述的液體膜的切變波共振吸收譜儀在測量液體膜中的弛豫的應(yīng)用。
24.權(quán)利要求1所述的液體膜的切變波共振吸收譜儀在測量液體膜在加電場、磁場、應(yīng)力場或變溫過程中的動力學參數(shù)的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種液體膜的切變波共振吸收譜儀,由懸掛扭擺裝置和計算機檢測裝置組成。本發(fā)明還公開了該譜儀在測量液體膜的切變波共振吸收波譜中的應(yīng)用。本發(fā)明的譜儀可在10
文檔編號G01N23/00GK1314589SQ0011413
公開日2001年9月26日 申請日期2000年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月17日
發(fā)明者張進修, 林國淙, 熊小敏, 丁喜東, 黃元士, 龔康 申請人:中山大學