CN1105910C - 表面压力测定装置 - Google Patents
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Abstract
一种在液气两相界面形成的膜的表面压力的测定装置，包括检测器装置和传感器装置，检测器装置包括光源；位置感测检测器，其活性表面位于光源的光束中，传感器装置包括：可以与待测的膜接触的传感器；遮蔽装置，对应由膜施加给传感器的力，在活性表面和光源之间的光束中移动。
Description
技术领域
本发明涉及一种膜的表面压力测定装置，这种膜为Langmuir膜，在液气材料的相分界面上形成。
背景技术
一些诸如液晶类表面活性剂的有机化合物在液气界面上形成单分子层，例如由长链芳香烃链，脂肪酸或它们的衍生物取代的磷酸甘油和垂糖醇(treitol)衍生物。这种膜称为Langmuir膜，并转移到固体基底上(Langmuir-Blodgett即LB膜)。这种膜可以用于诸如电子学、光学和光电化学领域，如用于传感器、微电路、光电管等中。在Irwin Langmuir(Langmuir，I.(1917)，J.Am.Chem.Soc.39，1848)的早期出版物中，根据化合物自身排列而形成单分子表面膜而提出有关原理。在George Gaines的专题论文(Gaines，G.L.，Jr(1966)：lnsoluble Monolayers at Liquid-Gas interface，lnterscience Publisters，John Wiley and Sons lnc.，New York 1966)中广泛地讨论了单分子表面膜的制备和研究的各种方法。
简而言之，Langmuir-Blodgett的制膜技术是基于这样的事实，即使成膜的表面活性材料在两个不同的相之间自动排列，这两相可以是液相(如水、甘油等)和气相(如空气、氩气等)，从而使分子的亲水部分进入液相中而疏水部分远离液相。溶解在适当的有机溶剂或溶剂混合物，如三氯甲烷和环己烷中的有机物在槽中液体的表面扩散成单分子层，溶剂蒸发，借助位于槽边缘处并与液体表面接触的挡板可以限制对膜有用的液气界面的面积，从而可以使单分子表面膜的总面积增加或减少。
借助于挡板可以调节膜的表面张力，其与表面压力π成反比。当作为基底或载体的支承体移动通过界面时(最好是以恒定的速度)，膜作为单分子层转移到支承体上，当支承体从气相向液相的方向通过界面时，疏水部分朝向支承体，当方向相反时，亲水部分朝向支承体。单膜层的厚度主要取决于制造膜所采用的有机化合物，特别是取决于其中所含酸链的长度，通常单膜层厚度在20-30埃的量级上。通过移动挡板，在涂覆过程中膜的表面压力保持恒定。这要求要连续并准确地监测表面压力。
借助于灵敏天平，通过测量施加在膜内传感器的力而得到表面压力值。例如，可以采用薄铂金板(wilhelmy板)作为传感器，通常尺寸为1×2cm，并放置在液/气界面，与膜层接触。表面压力的变化表现为附着在板上的液体(水)数量或质量的变化。当液体的表面压力增加时，附着在板上的水的数量线性地减少，反之亦然。由于表面压力的影响，传感器的表面润湿，这表现为传感器板的重量增加或施加在传感器上的载荷增加。表面压力作用在传感器上的力反过来使传感器在垂直方向上移动。该力可采用如商业上的微量天平(Sartorius Cahn等)进行测量。
现在，也采用所谓LVDT传感器来测量表面压力，LVDT(线性电压位移转换器)由套筒里的螺线管内移动的铁心构成，螺线管内铁心的位置影响螺线管的输出电压。缺点在于铁心为能磁化的材料，并且必须较重。铁心的质量限制了在LVDT最敏感时可以检测到的力(质量)。这种装置的测量灵敏度不能令人满意。另一方面，微量天平非常昂贵并且需要较大的空间。在一些测量应用中，还额外需要采用保护气体(如氩气)来稳定膜。这种应用例如为膜荧光显微术，其中，在激励光的影响下，氧分子与类脂膜中的荧光基团发生反应，从而使它们在光化学上改性并消除荧光。另一方面，荧光显微镜的样品空间很小，以致在测量过程中无法使用诸如微量天平和保护性气体。
发明内容
根据本发明，提供一种装置，可以通过与光源一起采用位置感测检测器来测量传感器的位移而高精度地测量表面压力。
因此，本发明的目的在于提供一种测量在液相和气相界面形成的膜的表面压力，该装置包括检测器装置和传感器装置，其特征在于，检测器装置包括：
-光源；
-位置感测检测器，其活性表面位于光源的光束中，传感器装置包括：
-可以与待测的膜接触的传感器，
-遮蔽装置，对应由膜施加给传感器的力，在活性表面和光源之间的光束中移动。
本发明的装置因而包括检测器装置和传感器装置。检测器装置包括位置感测检测器和安装在壳体内或由支承结构或支承架支承的光源。位置感测检测器和光源相对设置成由光源发出的光束射在位置感测检测器。位置感测检测器(PSD-检测器)最好为一维的位置感测检测器，其包括硅基底和其上形成的层状结构，最外层为有阻抗的，即活性P层。落到活性P层上的入射光束转换为电荷，其与光能成正比。电荷被驱动通过P层达到与P层相连的电极，由于P层的阻抗为常数，在电极获得感光电流，其与入射光斑和电极之间的距离成反比。最敏感的PSD：S可以以0.1μm的精度检测到感光表面的光斑位置。
可以采用市场上可以买到的合适的发光二极管作为光源，如IR二极管PDI-E802(Phototronic Detectors，lnc.USA制造)。
该装置的传感器装置包括与待测的膜接触的传感器，及与传感器有效连接的遮蔽装置。根据本发明，膜的表面压力(即作用在传感器上的载荷)传递到遮蔽装置，然后遮蔽装置在光源和检测器之间的光束内顺序移动。术语“有效连接”指的是：由待测膜的表面压力施加给传感器的力(与表面压力成正比)线性地传递到遮蔽装置以影响遮蔽装置的位移。
诸如公知的用于此目的的铂金板或是镍铬线都可用作传感器放置在待测膜上。镍铬线由于在测量表面压力时不存在铂金中常出现的磁滞现象而具有特别的优势。在表面压力的影响下，传感器在垂直方向运动，该运动传递到遮蔽装置，遮蔽装置的尺寸和形状使它以合适的方式遮蔽感光表面的一部分，遮蔽装置可以成形为诸如方形或矩形，其最大的尺寸或表面大致垂直于光束并大致平行于位置感测检测器的活性表面。由于遮蔽装置的运动，检测器的感光表面上的照亮区域发生变化，从而使检测器的输出电流也发生变化。根据输出电流可以计算出移置传感器所需的力，即表面压力。由于PSD的敏感性，即使传感器上非常小的载荷和运动也能在PSD上显示出来。
可以采用各种方案将传感器的运动传递给遮蔽装置。本发明最简单的实施例为，将传感器经一灵敏簧片悬挂在如传感器轴上，弹簧大致水平地设置，其一端以适当的方式附着在如壳体或框架的支承物上。弹簧的另一自由端适当地弯曲或折叠形成大至垂直延伸的端部而构成遮蔽装置。根据另一实施例，传感器和遮蔽装置分别固定到其自身臂的一端，臂又依次与枢转点或销相连，枢转点或销将运动由一个臂传递到另一个臂。为此，可采用诸如张力线，张力线安装成在其附着到装置壳体或框架上的两端之间延伸，并且对运动敏感且传递该运动。
附图说明
下面参考附图，附图以简要方式示出了本发明装置的一个实施例：
图1为本发明一实施例的示意图；
图2示出了由本发明装置测出的作为表面面积函数的表面压力和压缩等温线。
具体实施方式
在图1中，下部的液相用标号l表示，其上的单分子膜用标号2表示，要测量的是单分子膜的表面压力。板状铂传感器3在垂直方向插入膜2，铂传感器3与刚性线或轴4相连，刚性线或轴4又依次由灵敏簧片5支承。簧片5的一端以适当的方式附着在支承物6上。簧片的另一自由端7垂直向上弯曲而形成舌状遮蔽装置。遮蔽装置位于由发光二极管9对准并向位置感测检测器8的感光表面发出的光束中。当膜表面的压力表化时，附着在传感器3上的液体质量变化，因而作用在传感器上的力或载荷也变化。产生的力使传感器垂直向上或向下对应表面压力的变化移动至一定程度，这种位移运动在线4和弹簧上传递到遮蔽装置7，遮蔽装置7在光的区域内对应移动。遮蔽装置改变了检测器8的照亮面积，又依次使检测器8的输出电流对应位移(或表面压力)而发生变化。
测量结果的可靠性和线性通过采用加在簧片上模拟由表面压力施加的载荷的不同量级的重物(代替传感器)来检验，已经发现，该装置在大约40mg至90mg的范围内线性地工作，这种情况对应表面压力测量实践中遇到的情况。通常，采用周长1.73mm镍铬线测量，纯水质量增加为11.8mg，对应测量范围最高限的水的表面张力71.8mNm-1。另一方面，从图2的压缩等温线可以看出该装置可以用高分辨率测量表面压力。
Claims (7)
1.一种测定在液气两相界面形成的膜的表面压力的装置，包括检测器装置和传感器装置，其特征在于，检测器装置包括：
光源；
位置感测检测器，其活性表面位于光源的光束中，传感器装置包括：
可以与待测的膜接触的传感器，
遮蔽装置，对应由膜施加给传感器的力，在活性表面和光源之间的光束中移动。
2.如权利要求1所述的测定装置，其特征在于，所述检测器为所谓一维位置感光PSD传感器。
3.如权利要求1所述的测定装置，其特征在于，所述光源为发光二极管。
4.如权利要求1至3中任一项所述的测定装置，其特征在于，所述传感器或与其相连的轴附着在或悬挂在弹簧上，弹簧安装在支承物上，其自由端形成遮蔽装置。
5.如权利要求4所述的测定装置，其特征在于，所述弹簧是簧片。
6.如权利要求1至3中任一项所述的测定装置，其特征在于，所述传感器和遮蔽装置由自身的臂支承，臂又与枢转点有效连接并相对枢转点枢转。
7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，枢转点通过在壳体或框架内延伸的张力线形成枢转点。
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