專利名稱：管型液體和軟物質切變波共振吸收譜儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種測量儀器，特別是一種測量液體和軟物質的切變波共振吸收譜儀。
背景技術：
在凝聚態(tài)物質范疇里，軟物質和溶液中的團簇間、長鍵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、核酸、糖、脂等的水溶液)中的二、三、四級或其他化學溶液和絡合物中的基團，其涉及的尺度處于從略小于1nm至若干微米的量級。而通常電磁波(光波和微波)的共振吸收或散射(可見光譜、Raman、紅外、NMR、ESR等)頻率都在106～1013Hz之間或以上，它們所能探測到的是電子能級和鍵間各種振動(包括轉動)能級的躍遷，但對于納米和納米以上尺度物質的整體能態(tài)和結構特征，它們卻很難測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能在10-5～103Hz頻率范圍測量液體和軟物質中切變波共振吸收譜儀，用于測量研究液體和軟物質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，測量凝聚態(tài)物質的動態(tài)模量(復模量的模及實部)隨波數(shù)、頻率和溫度的變化關系，測量液體的粘度隨波數(shù)、頻率和溫度的變化關系，及液體和軟物質在加電場、磁場、應力場或變溫過程中的動力學參數(shù)。
本發(fā)明的切變波共振吸收譜儀，由懸掛扭擺裝置和計算機檢測裝置組成(

圖1-2)。懸掛扭擺裝置由起振元件、上固定夾頭、下固定夾頭、扭轉振動夾頭、擺桿、永久磁鐵、電磁驅動線圈、轉管、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振動夾頭夾持，轉管一端固定在下固定夾頭，另一端為擺桿下端的扭轉振動夾頭所夾持，擺桿兩側對稱地安裝有一永久磁鐵，對應永久磁鐵的每一端外面有一電磁驅動線圈，轉管中可盛入被測液體或軟物質。計算機檢測裝置由準直光源、反射鏡、差分光電池、A/D轉換器、傅立葉變換器、計算機接口、恒應力或恒應變反饋器、應力信號發(fā)生器、D/A轉換器、功放、電磁驅動線圈組成，其中反射鏡安裝在擺桿上，反射鏡與準直光源、差分光電池構成計算機檢測裝置的應變信號源，差分光電池一路依次連接A/D轉換器、傅立葉變換器、計算機接口，另一路依次連接應變振幅恒定反饋器、應力信號發(fā)生器、D/A轉換器、功放、電磁驅動圈、傅立葉交換器、計算機接口(圖3)。
在懸掛扭擺裝置中，一永久磁鐵穿過擺桿并使外露兩側對稱，也可用一對永久磁鐵替代橫穿過擺桿的一塊磁鐵，起振元件和轉管分處于擺桿上下兩端，也可同處于擺桿上端或下端；起振元件和轉管兩端分別固定在轉動夾頭和固定夾頭上，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)。當采用倒扭擺方式時，固定夾頭可升降，起振元件由轉管所替代，轉管同時起起振元件的作用，擺桿另一端通過細線連接至定滑輪和配重砝碼，定滑輪固定在支架上，配重砝碼通過定滑輪和細線連接至擺桿上。
在正懸掛和倒懸掛扭擺裝置中，都可以在轉管中盛入液體或軟物質，轉管的扭轉振動可在管中液體或軟物質中產(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；當扭桿作扭轉振動時，管中的液體隨之產(chǎn)生波陣面為水平面的切變波。也可用盛液的轉管替代(既用來盛液，又用作起振)起振元件來進行測量(圖2)。此時利用轉管本身的回復力來起振。未盛入液體或軟物質時測得的是轉管的共振吸收，盛入液體或軟物質時測得的是轉管和液體(或軟物質)的總共振吸收。由于轉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)的共振吸收峰很容易識別(見圖4)。
本發(fā)明的切變波共振吸收譜儀，是利用強迫振動方法在凝聚態(tài)物質中產(chǎn)主切變波，并應用固體和液體中切變波速度遠小于光速的原理，可使10-5～103HZ頻段的連續(xù)變頻的扭轉振動在液體中產(chǎn)生波數(shù)為10-3～103cm(固體為10-8～10cm-1)的切變波，通過測量其共振吸收峰，即可測得液體以及固體材料中處于從略小于1nm至若干微米的量級尺度范圍的共振源的特征，包括能測得共振源的能級、尺寸和質量，交互作用能和鍵力，團簇和生命液體中或生物膜中的相變，固體中超長波橫聲子模的軟化，以及變溫及加(電、磁、力)場條件下的(生命、化學或物理)過程動力學特征。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、有機化學、生物化學和生命過程的研究中得到廣泛的應用。
在本發(fā)明的切變波共振吸收譜儀中，當被測量物為液體時，轉管中盛入被測量液體或軟物質。通過電磁驅動線圈施加一個交變電信號時，永久磁鐵受到交變應力，從而通過盛液管的扭轉振動在液體或軟物質中形成切變波。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轉換和功率放大后輸入驅動線圈6并驅動轉管的液體中形成切變波。由光電池接收的應變信號放大后，一部分反饋給應力發(fā)生器使保持應變或應力的幅值的恒定。另一部分與線圈6中的應力信號同時輸入計算機，經(jīng)傅里葉交換后即可得出應變落后于應力的相差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)。本發(fā)明產(chǎn)生切變波的方式為利用轉管的扭轉振動產(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，均可直接測量固體試樣(即起振元件或轉管本身，)的共振吸收特征。其切變波的運動方程為Iθ..=M0exp(iωt)-γθ.-(M1-M2)θ----(1)]]>其中M0exp(iωt)是外加力矩，I為裝置的轉動慣量，θ扭轉角，γ為轉管扭動時產(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對為被測液體粘度。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)可以用應變落后于應力的相角φ才來表達。解得的結果為tgφ(ω)系數(shù)＝tgφ(ω)扭絲+tgφ(ω)液體(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，必須對儀器測量值進行如下修正測量液體的共振吸收時，應先排干盛液管或碟中的被測液體并測量起振元件的背景耗散 值tgφL，再在盛液器9中盛入被測液體或軟物質測出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遠大于tgφS，所以后者往往可以忽略不計，以所測tgφL作為tgφ測量。再由(4)式即可得出液體的振動能耗散tgφ隨頻率的變化關系。
另外，液體中切變波的波長λ與振動頻率ω等的關系為λ＝1/k＝(2η/ρω)1/2(6)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(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的變化關系。
對于圓柱狀軟物質和凝膠，其切變波波數(shù)為k＝f/(G/ρ)1/2(7)此處G為被測軟物質切變模量，ρ為被測軟物質的密度，f為測量頻率。由于軟物質和凝膠的切變模量大約只有通常固體的108分之一，所以，軟物質和凝膠中的切變波波數(shù)只比液體低約一個量級?？梢詼y量液體(或軟物質)的耗散tgφ隨頻率或波數(shù)的變化；也可固定裝置于某一強迫振動頻率ω，改變液體的溫度，即可得知液體(或軟物質)的耗散tgφ隨溫度的變化關系，以進一步研究液體或軟物質中的相變、弛豫以及液體液體(或軟物質)的耗散tgφ隨在加電場、磁場、應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和軟物質的切變模量G降低；因此，通過頻率及液體的粘度和軟物質的切變模量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)，測量液體和軟物質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、恒應變條件下的應力弛豫或恒應力條件下的應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、藥劑以及相關軟物質的測量。
下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細的說明圖1為懸掛扭擺裝置為正扭擺方式的管型切變波共振吸收譜儀結構示意圖。
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構示意圖。
圖3為切變波共振吸收譜儀的計算機檢測裝置連接框圖。
圖4為用懸掛扭擺裝置為正扭擺方式時的液體管切變波共振吸收譜儀測得水在室溫中波數(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3一端的扭轉振動夾頭4夾持，擺桿3兩側中部對稱地安裝有一對永久磁鐵7，對應于永久磁鐵7兩端，外面有一電磁驅動線圈6，轉管8一端固定在下固定夾頭15，另一端為擺桿3下端的扭轉振動夾頭13夾持。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構成計算機檢測裝置的應變信號源。轉管可以用塑料、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液體發(fā)生反應、與被測液體的浸潤性足以帶動液體運動。
在圖2中，轉管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下端的扭轉振動夾頭13夾持，擺桿3另一末端通過固定在支架上的兩個定滑輪9和連線與配重砝碼5相連接，其他與圖1相同。此時利用轉管本身的回復力來起振。未盛入液體或軟物質時測得的是轉管的共振吸收，盛入液體或軟物質時測得的是轉管和液體(或軟物質)的總共振吸收。由于轉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別(見圖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，將施加扭轉力的磁鐵置于擺稈的中部，而起振元件和轉管分別處于上下二端，因此振動系統(tǒng)易于平衡和具有更好的抗干擾能力。
圖3中，差分光電池12一路依次連接A/D轉換器23、傅立葉變換器16、計算機接口17，另一路依次連接應變振幅恒定反饋器18、應力信號發(fā)生器19、D/A轉換器20。功放21、電磁驅動圈22、傅立葉變換器16、計算機接口17。
測量時通過線圈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轉換和功率放大后輸入驅動線圈22。由光電池12接收的應變信號放大后，一部分反饋給應力發(fā)生器19使保持應變或應力幅值的恒定。另一部分與線圈理中的應力信號同時輸入計算機，經(jīng)博里葉交換后即可得出應變落后于應力的相差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，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)。
圖4給出了用懸掛扭擺裝置為正扭擺方式時的液體管切變波共振吸收譜儀測得水在室溫的波數(shù)譜圖。其中上方曲線(實心圓點)為轉管與盛入的水的總的共振吸收曲線；下方曲線(空心方框)為轉管中完全無水時的共振吸收背景和管質(醫(yī)用輸液管)本身的共振吸收峰，可見水的寬散共振吸收峰很容易識別。
權利要求
1.一種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，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、扭轉振動夾頭、擺桿、永久磁鐵、電磁驅動線圈、轉管、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振動夾頭夾持，轉管一端固定在下固定夾頭，另一端為擺桿下端的扭轉振動夾頭所夾持，擺桿兩側對稱地安裝有一永久磁鐵，對應永久磁鐵的每一端外面有一電磁驅動線圈，轉管中可盛入被測液體或軟物質。
2.一種如權利要求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管所替代。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種測量儀器,特別是一種測量液體及軟物質的切變波共振吸收譜儀。該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、扭轉振動夾頭、擺桿、永久磁鐵、電磁驅動線圈、轉管、支架組成;計算機檢測裝置由準直光源、反射鏡、差分光電池、A/D轉換器、傅立葉變換器、計算機接口、恒應力或恒應變反饋器、應力信號發(fā)生器、D/A轉換器、功放、電磁驅動線圈組成。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G01J3/42GK1344919SQ0112985
公開日2002年4月17日 申請日期2001年11月2日 優(yōu)先權日2001年11月2日
發(fā)明者張進修, 熊小敏, 林國淙, 丁喜冬 申請人:中山大學