專利名稱：液相亞微觀環(huán)境可視化裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種用于亞微觀可視化觀察、跟蹤和測量化學反應的液相 亞微觀環(huán)境可視化裝置，通過本裝置能觀察、跟蹤和測量到溶液體系中微 米級的微團的運動情況、界面?zhèn)鬟f及化學反應情況，屬化工領域。
背景技術：
目前，用于實驗研究的反應器只能從宏觀狀態(tài)觀察到反應器內物料的 混合與反應的情況，但不能用于實驗室研究微觀狀態(tài)下的流體微團運動情 況，尤其是相界面處的流體微團運動情況及化學反應規(guī)律。由此導致了傳 統(tǒng)的研究方法主要是基于平衡性質的理論，對實驗數(shù)據進行關聯(lián)、推斷和 估算，用傳質系數(shù)的方法對過程體系進行定量的描述和分析。這種黑箱式 的研究方法無法從機理上揭示傳遞現(xiàn)象的本質，其研究結果帶有很大的經 驗性和局限性。國外對微反應器的研究尚不成熟，而國內對微反應器的研 究還剛剛開始。微反應器有一個根本特點，那就是把化學反應控制在盡量 微小的空間內，化學反應空間的尺寸數(shù)量級一般為微米甚至納米。到目前為止，液相微反應器的種類非常少。主要有BASF設計的維生素前體合成而英國Hull大學則設計了 一種'T形液-液相微反應器。但是以上所述微反 應器不能可視化，即不能觀察微觀狀態(tài)下的流體微團運動情況，尤其是相 界面處的流體微團運動情況及化學反應規(guī)律。作為微觀測量裝置，現(xiàn)代電子顯微鏡，原子力顯微鏡能實現(xiàn)納米級尺 度的觀察與測量。但這些觀察與測量的實現(xiàn)，只能是基于固體的、靜態(tài)的 表面。對與液態(tài)的、運動的環(huán)境下的觀察與測量，確實無能為力。Z:L200420064900。 4 一種微型可枧化反應器，本實用新型涉及一種微 型可視化反應器，它是由立式或臥式的光學顯微鏡，微型反應器，攝像機， 視頻采集卡和計算機組成。微型反應器為一透明的容器，容器的下端連接 一個底座，底座與小槽連通，采用磁力攪拌器對體系進行撓動。本微型可 視化反應器是研究兩相界面處化學反應規(guī)律和傳質過程的實驗裝置，可觀 察并記錄微米級的^lt團在相界面處的水平運動和垂直運動，可應用于兩相 界面處的微觀狀態(tài)下的運動與幾何測量。Z.L200520096019, 7 種聲振蕩擾動的微型可視化反應器，本實用新 型涉及一種聲振蕩擾動的微型可視化反應器。它是由冷光源系統(tǒng)、立式或臥式的相差顯微鏡、微型具有可視化光學平面的反應器、聲發(fā)射和接收與 測試系統(tǒng)、高速攝像機、視頻采集卡、測量軟件及微型計算機組成。微型 反應器為一透明的容器，容器的下端連接一個底座，下面安置聲振蕩擾動 發(fā)生裝置，容器的頂端放置接收與測試裝置。本微型可視化反應器是研究 兩相界面處化學反應規(guī)律和傳質過程的實驗裝置，可觀測在相界面處及界 面相中進行的高速化學反應體系的傳質過程和化學反應情況，還可以觀測 壓力的變化對化學反應的影響，同時，對以往不能觀測的透明物系也可清' 本課題組上述的兩項發(fā)明創(chuàng)造雖然在一定程度上實現(xiàn)了亞微觀環(huán)境的 可視化觀察與測量，但可視化觀察的視場角度范圍十分有限。發(fā)明內容本實用新型的目的為了克服上所述可視化微反應器觀察角度范圍十分 有限的缺點，而提供一種反應器中亞微觀環(huán)境可視化裝置，通過本裝置能 觀察、跟蹤和測量到溶液體系中微米級的微團的運動情況及化學反應情況。本實用新型的技術方案為反應器中亞微觀環(huán)境可視化裝置，由光學顯微鏡、微型反應器、攝像 機、視頻采集卡、計算機、步進電機控制器、三維組合電控位移平臺、光 纖耦合器、影象傳導光纖、光纖卡頭、磁性底座、萬向桿架、接桿、光學 平板組成，攝像機的一端通過攝像裝置接頭與光學顯微鏡的目鏡筒連接， 另 一端通過數(shù)據信號線與視頻采集卡連接，視頻采集卡插在計算機的主板 上，微型反應器放置在水平工作臺上，攝像頭對準配有光纖耦合器的光纖 一端，光纖的另一端對準反應器中待觀察與跟蹤的目標，光纖穿入光纖卡 頭，光纖卡頭固定在萬向桿架上，萬向桿架通過接桿固定在三維組合電控 位移平臺上，三維組合電控位移平臺固定在光學平板上并與步進電機控制 器相連，步進電機控制器通過標準的接口與計算機相連。所述光學顯微鏡為水平光路顯微鏡。所述光學顯微鏡的物鏡的放大倍數(shù)為io-ioo倍。所述視頻采集卡的采集速率為24幀-1500幀/秒。所述用于觀察微型反應器的影象傳導光纖的材質為玻璃、有機玻璃、 石英、聚碳酸酯或聚酯。由于本實用新型用光纖探頭可從任意角度觀察和測量微型反應器中被 跟蹤的目標，而且5艮蹤測量目標的方式可以是手動方式，也可以是自動3艮 蹤方式，因此本實用新型觀察和測量范圍就十分廣。本實用新型的有益效果是操作簡便，能從任意角度對相界面處微米級的微團進行觀察、跟蹤和測量，使研究者可以詳細、直觀地了解在相界 面上進行的傳質過程，為進一步研究相間化學反應機理提供了條件。


圖1為本實用新型的連接示意圖。圖2為本實用新型的三維組合電控位移平臺上的示意圖。 圖3為本實用新型的步進電機控制器的示意圖。 圖4為本實用新型的光學顯微鏡示意圖。圖中l(wèi)-光學平板，2-電控位移平臺X軸信號線接口， 3-電控位移平 臺的X軸，4-電控位移平臺的Y軸，5-電控位移平臺的z軸，6-電控位移 平臺Z軸信號線接口， 7-接桿，8-萬向桿架，9-光纖卡頭，10-微型反應器， 11-磁力攪拌系統(tǒng)，12-電控位移平臺Y軸信號線接口； 13-步進電機控制 器，14-與電控位移平臺Z軸相連的信號線接口， 15-與電控位移平臺Y軸 相連的信號線接口， 16-與電控位移平臺X軸相連的信號線接口， 17-標準 的RS-232接口， 18-外控接口， 19-電源接口， 20-儀器開關，21-儀器風扇； 22-熒光遮擋筒，23-目鏡，24-粗動調焦旋鈕，25-《汰動調焦旋鈕，26-底 座，27-光口， 28-物鏡轉換器，29-物鏡，30-支架。
具體實施方式
結構附圖結合附圖對本實用新型作進一步的描述。如圖1所示，本實用新型由光學顯微鏡、微型反應器、攝像機、視頻 采集卡、計算機、步進電機控制器、三維組合電控位移平臺、光纖耦合器、 光纖、光纖卡頭、箱f性底座、萬向桿架、接桿、光學平板組成，攝像機的 一端通過攝像裝置接頭與光學顯微鏡的目鏡筒連接，另一端通過數(shù)據信號 線與視頻采集卡連接，視頻采集卡插在計算機的主板上，微型反應器放置 水平工作臺上，攝像頭對準配有光纖耦合器的光纖一端，光纖的另一端對 準微型反應器中的待測目標，光纖穿入光纖卡頭，光纖卡頭固定在萬向桿 架上，萬向桿架通過接桿固定在三維組合電控位移平臺上，三維組合電控 位移平臺固定在光學平板上并與步進電機控制器相連，步進電機控制器通 過標準的RS-232接口與計算機相連。本裝置中的微型反應器是以釜式反應器為設計雛形，以透明物質為材 料做成的容器，垂直于光束的兩個壁面應嚴格平行，以獲得良好的光學可 視化效果，容器的兩個平行面之間的距離為0. l-25mm，容器的下端連接一 個底座，棱臺與圓臺均可，底座與小槽連通，在底座中裝有攪拌器。根據 微型反應器的特點，攪拌器采用磁力攪拌器，磁力攪拌器是利用轉動產生 的旋轉磁場帶動玻璃容器中的攪拌轉子來完成攪拌操作的，主要供小型試驗時粘度較小的溶液攪拌或混合之用，根據不同使用要求，磁力攪拌器又 可分為恒溫磁力攪拌器、定時恒溫磁力攪拌器及普通磁力攪拌器等。在微 型反應器下部放置旋轉磁場，微型反應器內放入轉子，轉子為細小的鐵棒， 外面包裹聚四氟乙烯塑料。磁場的轉動帶動轉子的轉動，從而達到攪拌的 目的。本套裝置中的顯微鏡是用來觀察亞微觀狀態(tài)下的粒子運動情況的光學 儀器，可采用相襯、暗場、熒光、紅外、偏振和普通生物光學顯微鏡，本 實驗裝置的目鏡直接由攝像機取代，攝像機一端連接光學顯微鏡目鏡筒、 另一端連接視頻采集卡，通過視頻采集卡和計算機將圖像在顯示器上顯示 出來，攝像裝置接頭的兩端設置有可與光學顯微鏡目鏡筒和攝像裝置端接 的連接結構，可十分方便的將光學顯微鏡目鏡筒和攝像機串接在一起，攝 像機只要配上攝像裝置接頭，就可將經由顯微鏡放大的標本實像再通過攝 像裝置接頭的光學系統(tǒng)成像于攝像機的光敏元件上，由攝像機將光學信號 轉變?yōu)殡娦盘?，經?shù)據信號線傳輸給計算機。整個顯微鏡的性能一_視頻 放大率和衍射分辨率主要由它的物鏡決定的。本實驗裝置配有若干個不同 倍率的物鏡互換使用以滿足對不同體系的需求。本裝置中的光纖根據實驗需要選擇合適的型號，根據光纖不易折斷的 特性，結合電控位移平臺和步進電機控制器來觀察不同微團處在不同位置 的運動^l犬況。本裝置中的顯微鏡根據校正像差的情況不同而采用相應的物鏡。消色 差物鏡只校正軸上點的球差和軸向色差，以及正弦差，不校正二級光譜色差。消色差物鏡的倍率大約為3-100倍，數(shù)值孔徑在0. 10-0. 30mm。將攝像機與光學顯微鏡連接，將視頻采集卡插入計算機的主板上，用 信號線將攝像機與視頻采集卡連接起來，當把反應體系放在水平工作上后， 顯微鏡將其顯微放大，攝像機將圖像信號轉化后傳入視頻采集卡，計算機 通過處理視頻釆集卡釆集的信號后由視頻捕捉軟件將其還原為圖像并顯示 出來，此時觀察到的情況即為放大后的微觀狀態(tài)下的情況，從而實現(xiàn)了微 觀狀態(tài)化學反應的可視化。通過視頻捕捉軟件可將有價值的圖像錄下來， 再用粒子速度測量軟件對其進行幾何與運動形態(tài)的測量，實現(xiàn)了測量的可 視化，達到研究相界面處化學反應的目的。具體的操作方法是開啟計算機，攝像機電源。啟動視頻捕捉軟件， 觀察視頻圖像。開啟光學顯微鏡電源開關，并繼續(xù)轉動旋鈕8，使亮度調 至適中。轉動物鏡轉換器28，將所需物鏡29置入光路，將微型反應器10 置于水平工作臺上，并借助于顯微器的橫向移動手輪和縱向移動手輪，使所要觀察的區(qū)域進入聚光鏡的照明區(qū)域內。轉動粗動調焦旋鈕24使緩緩移動至見物像輪廓，再用微動調焦旋鈕25精細調焦，直到找到所需對象且圖像清晰。可通過調節(jié)光纖耦合器上的調節(jié)旋鈕，使光纖與物鏡對準?？赏ㄟ^在SC101型步進電機控制器的相應軟件上設置參數(shù)，控制取景端光纖的 移動，達到觀察不同微粒處于不同位置的狀態(tài)。如需記錄圖像，使用視頻 捕捉軟件的錄像功能即可。利用本實驗裝置可觀察的體系如乙苯一水界面處的粒子運動情況，液體石蠟一水界面處的粒子運動情況，液體石蠟一酒精界面處的粒子運動情 況，軋制油乳液體系以及氧化鐵紅顆粒在水中的沉降過程。目前已通過本 實驗裝置觀察并測量得到的最小粒徑為0. 38Mm。
權利要求1、液相亞微觀環(huán)境可視化裝置，由光學顯微鏡、微型反應器、攝像機、視頻采集卡、計算機、步進電機控制器、三維組合電控位移平臺、光纖耦合器、光纖、光纖卡頭、磁性底座、萬向桿架、接桿、光學平板組成，其特征在于攝像機的一端通過攝像裝置接頭與光學顯微鏡的目鏡筒連接，另一端通過數(shù)據信號線與視頻采集卡連接，視頻采集卡插在計算機的主板上，微型反應器放置于水平工作臺上，攝像頭對準配有光纖耦合器的光纖一端，光纖的另一端對準微型反應器中的待測目標，光纖穿入光纖卡頭，光纖卡頭固定在萬向桿架上，萬向桿架通過接桿固定在三維組合電控位移平臺上，三維組合電控位移平臺固定在光學平板上并與步進電機控制器相連，步進電機控制器通過標準的接口與計算機相連。
2、 根據權利要求1所述的微型反應器可視化裝置，其特征在于所述 光學顯微鏡為水平光路顯微鏡。
3、 根據權利要求1所述的微型反應器可視化裝置，其特征在于所述 光學顯微鏡的物鏡的放大倍數(shù)為10-100倍。
4、 根據權利要求1所述的微型反應器可視化裝置，其特征在于所述 視頻采集卡的采集速率為24幀-150G幀/秒。
5、 根據權利要求1-4之一所述的微型反應器可視化裝置，其特征在于 所述用于觀察微型反應器的影象傳導光纖的材質為玻璃、有機玻璃、石英、 聚碳酸酯或聚酯。
專利摘要本實用新型涉及一種液相亞微觀環(huán)境可視化裝置，將攝像機的一端通過攝像裝置接頭與光學顯微鏡的目鏡筒連接，另一端通過數(shù)據信號線與視頻采集卡連接，視頻采集卡插在計算機的主板上，微型反應器放置于水平工作臺上，攝像頭對準配有光纖耦合器的光纖一端，光纖的另一端對準微型反應器中的待測目標，光纖穿入光纖卡頭，光纖卡頭固定在萬向桿架上，萬向桿架通過接桿固定在三維組合電控位移平臺上，三維組合電控位移平臺固定在光學平板上并與步進電機控制器相連，步進電機控制器通過接口與計算機相連。本實用新型操作簡便，能對相界面處微米級的微團進行觀察、跟蹤和測量，使用本裝置能詳細、直觀了解相界面間傳質過程，為研究化學反應機理提供條件。
文檔編號G01N21/84GK201083692SQ200720087549
公開日2008年7月9日 申請日期2007年10月15日 優(yōu)先權日2007年10月15日
發(fā)明者瞿錦霞, 陳啟明, 陳金芳 申請人:武漢工程大學