專利名稱：管型液體和軟物質(zhì)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(cè)量?jī)x器，特別是一種測(cè)量液體和軟物質(zhì)的切變波共振吸收譜儀。
背景技術(shù)：
在凝聚態(tài)物質(zhì)范疇里，軟物質(zhì)和溶液中的團(tuán)簇間、長(zhǎng)鍵間和多鍵間的交互作用范圍，分子和團(tuán)簇的集團(tuán)行為，高分子溶液中的長(zhǎng)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(jí)或其他化學(xué)溶液和絡(luò)合物中的基團(tuán)，其涉及的尺度處于從略小于1nm至若干微米的量級(jí)。而通常電磁波(光波和微波)的共振吸收或散射(可見(jiàn)光譜、Raman、紅外、NMR、ESR等)頻率都在106～1013Hz之間或以上，它們所能探測(cè)到的是電子能級(jí)和鍵間各種振動(dòng)(包括轉(zhuǎn)動(dòng))能級(jí)的躍遷，但對(duì)于納米和納米以上尺度物質(zhì)的整體能態(tài)和結(jié)構(gòu)特征，它們卻很難測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能在10-5～103Hz頻率范圍測(cè)量液體和軟物質(zhì)中切變波共振吸收譜儀，用于測(cè)量研究液體和軟物質(zhì)中切變波共振吸收波數(shù)譜、切變波共振吸收頻率譜、共振能吸收溫度譜，測(cè)量凝聚態(tài)物質(zhì)的動(dòng)態(tài)模量(復(fù)模量的模及實(shí)部)隨波數(shù)、頻率和溫度的變化關(guān)系，測(cè)量液體的粘度隨波數(shù)、頻率和溫度的變化關(guān)系，及液體和軟物質(zhì)在加電場(chǎng)、磁場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)或變溫過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。
本發(fā)明的切變波共振吸收譜儀，由懸掛扭擺裝置和計(jì)算機(jī)檢測(cè)裝置組成(

圖1-2)。懸掛扭擺裝置由起振元件、上固定夾頭、下固定夾頭、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)夾頭、擺桿、永久磁鐵、電磁驅(qū)動(dòng)線圈、轉(zhuǎn)管、支架組成，其中起振元件一端被固定在支架上的上固定夾頭夾持，另一端被固定在擺桿末端的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)夾頭夾持，轉(zhuǎn)管一端固定在下固定夾頭，另一端為擺桿下端的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)夾頭所夾持，擺桿兩側(cè)對(duì)稱地安裝有一永久磁鐵，對(duì)應(yīng)永久磁鐵的每一端外面有一電磁驅(qū)動(dòng)線圈，轉(zhuǎn)管中可盛入被測(cè)液體或軟物質(zhì)。計(jì)算機(jī)檢測(cè)裝置由準(zhǔn)直光源、反射鏡、差分光電池、A/D轉(zhuǎn)換器、傅立葉變換器、計(jì)算機(jī)接口、恒應(yīng)力或恒應(yīng)變反饋器、應(yīng)力信號(hào)發(fā)生器、D/A轉(zhuǎn)換器、功放、電磁驅(qū)動(dòng)線圈組成，其中反射鏡安裝在擺桿上，反射鏡與準(zhǔn)直光源、差分光電池構(gòu)成計(jì)算機(jī)檢測(cè)裝置的應(yīng)變信號(hào)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(jì)算機(jī)接口，另一路依次連接應(yīng)變振幅恒定反饋器、應(yīng)力信號(hào)發(fā)生器、D/A轉(zhuǎn)換器、功放、電磁驅(qū)動(dòng)圈、傅立葉交換器、計(jì)算機(jī)接口(圖3)。
在懸掛扭擺裝置中，一永久磁鐵穿過(guò)擺桿并使外露兩側(cè)對(duì)稱，也可用一對(duì)永久磁鐵替代橫穿過(guò)擺桿的一塊磁鐵，起振元件和轉(zhuǎn)管分處于擺桿上下兩端，也可同處于擺桿上端或下端；起振元件和轉(zhuǎn)管兩端分別固定在轉(zhuǎn)動(dòng)夾頭和固定夾頭上，起振元件為固體絲或固體片。懸掛扭擺裝置可以采用正扭擺方式(圖1)，懸掛扭擺裝置還可以采用倒扭擺方式(圖2)。當(dāng)采用倒扭擺方式時(shí)，固定夾頭可升降，起振元件由轉(zhuǎn)管所替代，轉(zhuǎn)管同時(shí)起起振元件的作用，擺桿另一端通過(guò)細(xì)線連接至定滑輪和配重砝碼，定滑輪固定在支架上，配重砝碼通過(guò)定滑輪和細(xì)線連接至擺桿上。
在正懸掛和倒懸掛扭擺裝置中，都可以在轉(zhuǎn)管中盛入液體或軟物質(zhì)，轉(zhuǎn)管的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)可在管中液體或軟物質(zhì)中產(chǎn)生波陣面為水平面的切變波。還可以在正懸掛扭擺裝置的下方或上方裝一條盛液管，其上端同心地固定在扭桿上，下端同心地固定于下方的固定夾頭；當(dāng)扭桿作扭轉(zhuǎn)振動(dòng)時(shí)，管中的液體隨之產(chǎn)生波陣面為水平面的切變波。也可用盛液的轉(zhuǎn)管替代(既用來(lái)盛液，又用作起振)起振元件來(lái)進(jìn)行測(cè)量(圖2)。此時(shí)利用轉(zhuǎn)管本身的回復(fù)力來(lái)起振。未盛入液體或軟物質(zhì)時(shí)測(cè)得的是轉(zhuǎn)管的共振吸收，盛入液體或軟物質(zhì)時(shí)測(cè)得的是轉(zhuǎn)管和液體(或軟物質(zhì))的總共振吸收。由于轉(zhuǎn)管本身的共振吸收除吸收尖峰外其背景很低，所以，液體(或軟物質(zhì))的共振吸收峰很容易識(shí)別(見(jiàn)圖4)。
本發(fā)明的切變波共振吸收譜儀，是利用強(qiáng)迫振動(dòng)方法在凝聚態(tài)物質(zhì)中產(chǎn)主切變波，并應(yīng)用固體和液體中切變波速度遠(yuǎn)小于光速的原理，可使10-5～103HZ頻段的連續(xù)變頻的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)在液體中產(chǎn)生波數(shù)為10-3～103cm(固體為10-8～10cm-1)的切變波，通過(guò)測(cè)量其共振吸收峰，即可測(cè)得液體以及固體材料中處于從略小于1nm至若干微米的量級(jí)尺度范圍的共振源的特征，包括能測(cè)得共振源的能級(jí)、尺寸和質(zhì)量，交互作用能和鍵力，團(tuán)簇和生命液體中或生物膜中的相變，固體中超長(zhǎng)波橫聲子模的軟化，以及變溫及加(電、磁、力)場(chǎng)條件下的(生命、化學(xué)或物理)過(guò)程動(dòng)力學(xué)特征。其波數(shù)連續(xù)變化范圍可覆蓋Raman譜的下半部、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(xué)、有機(jī)化學(xué)、生物化學(xué)和生命過(guò)程的研究中得到廣泛的應(yīng)用。
在本發(fā)明的切變波共振吸收譜儀中，當(dāng)被測(cè)量物為液體時(shí)，轉(zhuǎn)管中盛入被測(cè)量液體或軟物質(zhì)。通過(guò)電磁驅(qū)動(dòng)線圈施加一個(gè)交變電信號(hào)時(shí)，永久磁鐵受到交變應(yīng)力，從而通過(guò)盛液管的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)在液體或軟物質(zhì)中形成切變波。由計(jì)算機(jī)通過(guò)軟件(或硬件)產(chǎn)生的可連續(xù)變頻的正弦波電信號(hào)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換和功率放大后輸入驅(qū)動(dòng)線圈6并驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)管的液體中形成切變波。由光電池接收的應(yīng)變信號(hào)放大后，一部分反饋給應(yīng)力發(fā)生器使保持應(yīng)變或應(yīng)力的幅值的恒定。另一部分與線圈6中的應(yīng)力信號(hào)同時(shí)輸入計(jì)算機(jī)，經(jīng)傅里葉交換后即可得出應(yīng)變落后于應(yīng)力的相差Φ。整個(gè)過(guò)程均由計(jì)算機(jī)按測(cè)量程序自動(dòng)進(jìn)行并可在屏幕上實(shí)時(shí)顯示tgΦ-k，模量M-k曲線(k是波數(shù))，也可實(shí)時(shí)或測(cè)量完成后打印圖形和數(shù)據(jù)。本發(fā)明產(chǎn)生切變波的方式為利用轉(zhuǎn)管的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)產(chǎn)生在垂直方向傳播的切變波。在本發(fā)明的譜儀中，只要不放入液體，均可直接測(cè)量固體試樣(即起振元件或轉(zhuǎn)管本身，)的共振吸收特征。其切變波的運(yùn)動(dòng)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(dòng)慣量，θ扭轉(zhuǎn)角，γ為轉(zhuǎn)管扭動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的粘滯力矩，M1為起振元件的恢復(fù)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對(duì)為被測(cè)液體粘度。裝置振動(dòng)一周耗散的能量(由液體和起振元件吸收的振動(dòng)能)可以用應(yīng)變落后于應(yīng)力的相角φ才來(lái)表達(dá)。解得的結(jié)果為tgφ(ω)系數(shù)＝tgφ(ω)扭絲+tgφ(ω)液體(3)當(dāng)裝置的強(qiáng)迫振動(dòng)頻率ω可與系統(tǒng)共振頻率ωr比較時(shí)，必須對(duì)儀器測(cè)量值進(jìn)行如下修正測(cè)量液體的共振吸收時(shí)，應(yīng)先排干盛液管或碟中的被測(cè)液體并測(cè)量起振元件的背景耗散 值tgφL，再在盛液器9中盛入被測(cè)液體或軟物質(zhì)測(cè)出tgφL，其差值tgφ＝tgφL-tgφS(5)即為液體的共振吸收值。但在一般情況下，tgφL遠(yuǎn)大于tgφS，所以后者往往可以忽略不計(jì)，以所測(cè)tgφL作為tgφ測(cè)量。再由(4)式即可得出液體的振動(dòng)能耗散tgφ隨頻率的變化關(guān)系。
另外，液體中切變波的波長(zhǎng)λ與振動(dòng)頻率ω等的關(guān)系為λ＝1/k＝(2η/ρω)1/2(6)其中η為被測(cè)液體的粘滯系數(shù)，ρ為被測(cè)液體的密度，k為被測(cè)液體的波數(shù)。由(4)至(6)式即可得知液體的共振吸收值tgφ隨波數(shù)k以及液體的粘度η的變化關(guān)系。
對(duì)于圓柱狀軟物質(zhì)和凝膠，其切變波波數(shù)為k＝f/(G/ρ)1/2(7)此處G為被測(cè)軟物質(zhì)切變模量，ρ為被測(cè)軟物質(zhì)的密度，f為測(cè)量頻率。由于軟物質(zhì)和凝膠的切變模量大約只有通常固體的108分之一，所以，軟物質(zhì)和凝膠中的切變波波數(shù)只比液體低約一個(gè)量級(jí)?？梢詼y(cè)量液體(或軟物質(zhì))的耗散tgφ隨頻率或波數(shù)的變化；也可固定裝置于某一強(qiáng)迫振動(dòng)頻率ω，改變液體的溫度，即可得知液體(或軟物質(zhì))的耗散tgφ隨溫度的變化關(guān)系，以進(jìn)一步研究液體或軟物質(zhì)中的相變、弛豫以及液體液體(或軟物質(zhì))的耗散tgφ隨在加電場(chǎng)、磁場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)或變溫過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。
當(dāng)切變波的頻率為10-4～103Hz時(shí)，水的波數(shù)為0.1～560cm-1(相當(dāng)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(shí)，液體的粘度η和軟物質(zhì)的切變模量G降低；因此，通過(guò)頻率及液體的粘度和軟物質(zhì)的切變模量G隨溫度的變化可使波數(shù)在10-3～103cm-1間連續(xù)變化，這已覆蓋了從Raman譜下半部、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(cè)到液體中尺寸為nm～μm或更大的共振源。
本發(fā)明的切變波共振吸收譜儀可以在-20～150℃、10-5～103Hz、10-3～103cm-1波數(shù)范圍內(nèi)頻率范圍內(nèi)，測(cè)量液體和軟物質(zhì)的切變波共振吸收譜。其相角差分辨率優(yōu)于5*10-5弧度。本發(fā)明的切變波共振吸收譜儀可以在強(qiáng)迫振動(dòng)(可在系統(tǒng)的共振頻率ωr以下或以上進(jìn)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)變流變等方式下工作。由于本發(fā)明采用管型，所產(chǎn)生的是波陣面沿垂直方向傳播的切變波，可以用醫(yī)療輸液管作盛液管，且用液量可少至約1ml或更少的液量，且管的兩端可處于封閉狀態(tài)，液體不易揮發(fā)，從而便于用作生命液體、生物試劑、藥劑以及相關(guān)軟物質(zhì)的測(cè)量。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明圖1為懸掛扭擺裝置為正扭擺方式的管型切變波共振吸收譜儀結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為懸掛扭擺裝置為倒扭擺方式的管型切變波共振吸收譜儀結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為切變波共振吸收譜儀的計(jì)算機(jī)檢測(cè)裝置連接框圖。
圖4為用懸掛扭擺裝置為正扭擺方式時(shí)的液體管切變波共振吸收譜儀測(cè)得水在室溫中波數(shù)譜圖。
圖1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14的上固定夾頭2夾持，另一端被固定在擺桿3一端的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)夾頭4夾持，擺桿3兩側(cè)中部對(duì)稱地安裝有一對(duì)永久磁鐵7，對(duì)應(yīng)于永久磁鐵7兩端，外面有一電磁驅(qū)動(dòng)線圈6，轉(zhuǎn)管8一端固定在下固定夾頭15，另一端為擺桿3下端的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)夾頭13夾持。反射鏡11安裝在擺桿3上，它與準(zhǔn)直光源10，接收振動(dòng)信號(hào)的差分光電池12構(gòu)成計(jì)算機(jī)檢測(cè)裝置的應(yīng)變信號(hào)源。轉(zhuǎn)管可以用塑料、金屬、陶瓷、玻璃、橡膠、竹管或木材制成，要求所用材料不與被測(cè)液體發(fā)生反應(yīng)、與被測(cè)液體的浸潤(rùn)性足以帶動(dòng)液體運(yùn)動(dòng)。
在圖2中，轉(zhuǎn)管8(兼為起振元件1)一端固定在下固定夾頭15，另一端為擺桿3下端的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)夾頭13夾持，擺桿3另一末端通過(guò)固定在支架上的兩個(gè)定滑輪9和連線與配重砝碼5相連接，其他與圖1相同。此時(shí)利用轉(zhuǎn)管本身的回復(fù)力來(lái)起振。未盛入液體或軟物質(zhì)時(shí)測(cè)得的是轉(zhuǎn)管的共振吸收，盛入液體或軟物質(zhì)時(shí)測(cè)得的是轉(zhuǎn)管和液體(或軟物質(zhì))的總共振吸收。由于轉(zhuǎn)管本身的共振吸收除吸收尖峰外其背景很低，所以，液體的共振吸收峰很容易識(shí)別(見(jiàn)圖4)。
考慮到上、下方扭力的平衡，即固體起振元件的抗力和液體粘滯阻力的平衡，將施加扭轉(zhuǎn)力的磁鐵置于擺稈的中部，而起振元件和轉(zhuǎn)管分別處于上下二端，因此振動(dòng)系統(tǒng)易于平衡和具有更好的抗干擾能力。
圖3中，差分光電池12一路依次連接A/D轉(zhuǎn)換器23、傅立葉變換器16、計(jì)算機(jī)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(hào)發(fā)生器19、D/A轉(zhuǎn)換器20。功放21、電磁驅(qū)動(dòng)圈22、傅立葉變換器16、計(jì)算機(jī)接口17。
測(cè)量時(shí)通過(guò)線圈6施加一個(gè)交變電信號(hào)時(shí)，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(gè)與交變電信號(hào)相同頻率ω的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)并在盛液膜中形成切變波。由計(jì)算機(jī)通過(guò)軟件(或硬件)產(chǎn)生的可連續(xù)變頻的正弦波電信號(hào)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換和功率放大后輸入驅(qū)動(dòng)線圈22。由光電池12接收的應(yīng)變信號(hào)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。另一部分與線圈理中的應(yīng)力信號(hào)同時(shí)輸入計(jì)算機(jī)，經(jīng)博里葉交換后即可得出應(yīng)變落后于應(yīng)力的相差φ。整個(gè)過(guò)程均由計(jì)算機(jī)按測(cè)量程序自動(dòng)進(jìn)行并可在屏幕上實(shí)時(shí)顯示tgφ-k，M-k曲線(k是波數(shù))，也可實(shí)時(shí)或測(cè)量完成后打印圖形和數(shù)據(jù)。
圖4給出了用懸掛扭擺裝置為正扭擺方式時(shí)的液體管切變波共振吸收譜儀測(cè)得水在室溫的波數(shù)譜圖。其中上方曲線(實(shí)心圓點(diǎn))為轉(zhuǎn)管與盛入的水的總的共振吸收曲線；下方曲線(空心方框)為轉(zhuǎn)管中完全無(wú)水時(shí)的共振吸收背景和管質(zhì)(醫(yī)用輸液管)本身的共振吸收峰，可見(jiàn)水的寬散共振吸收峰很容易識(shí)別。
權(quán)利要求
1.一種切變波共振吸收譜儀，由懸掛扭擺裝置和計(jì)算機(jī)檢測(cè)裝置組成，其特征是懸掛扭擺裝置由起振元件、上固定夾頭、下固定夾頭、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)夾頭、擺桿、永久磁鐵、電磁驅(qū)動(dòng)線圈、轉(zhuǎn)管、支架組成，其中起振元件一端被固定在支架上的上固定夾頭夾持，另一端被固定在擺桿末端的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)夾頭夾持，轉(zhuǎn)管一端固定在下固定夾頭，另一端為擺桿下端的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)夾頭所夾持，擺桿兩側(cè)對(duì)稱地安裝有一永久磁鐵，對(duì)應(yīng)永久磁鐵的每一端外面有一電磁驅(qū)動(dòng)線圈，轉(zhuǎn)管中可盛入被測(cè)液體或軟物質(zhì)。
2.一種如權(quán)利要求1所述的切變波共振吸收譜儀，其特征是起振元件和轉(zhuǎn)管分處于擺桿上下兩端，也可同處于擺桿上端或下端。
3.一種如權(quán)利要求1或2所述的切變波共振吸收譜儀，其特征是起振元件為固體絲或固體片。
4.一種如權(quán)利要求1或2所述的切變波共振吸收譜儀，其特征是起振元件可以為轉(zhuǎn)管所替代。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種測(cè)量?jī)x器,特別是一種測(cè)量液體及軟物質(zhì)的切變波共振吸收譜儀。該譜儀由懸掛扭擺裝置和計(jì)算機(jī)檢測(cè)裝置組成。懸掛扭擺裝置由起振元件、固定夾頭、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)夾頭、擺桿、永久磁鐵、電磁驅(qū)動(dòng)線圈、轉(zhuǎn)管、支架組成;計(jì)算機(jī)檢測(cè)裝置由準(zhǔn)直光源、反射鏡、差分光電池、A/D轉(zhuǎn)換器、傅立葉變換器、計(jì)算機(jī)接口、恒應(yīng)力或恒應(yīng)變反饋器、應(yīng)力信號(hào)發(fā)生器、D/A轉(zhuǎn)換器、功放、電磁驅(qū)動(dòng)線圈組成。本發(fā)明的切變波共振吸收譜儀可以在－20～150℃溫度范圍內(nèi),10
文檔編號(hào)G01J3/42GK1344919SQ0112985
公開(kāi)日2002年4月17日 申請(qǐng)日期2001年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月2日
發(fā)明者張進(jìn)修, 熊小敏, 林國(guó)淙, 丁喜冬 申請(qǐng)人:中山大學(xué)