CN1168959C - 碟型液体和软物质切变波共振吸收谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量仪器，特别是一种测量液体及软物质的切变波共振吸收谱仪。该谱仪由悬挂扭摆装置和计算机检测装置组成。悬挂扭摆装置由起振元件、固定夹头、扭转振动夹头、摆杆、永久磁铁、电磁驱动线圈、转碟、支架组成；计算机检测装置由准直光源、反射镜、差分光电池、A/D转换器、傅立叶变换器、计算机接口、恒应力或恒应变反馈器、应力信号发生器、D/A转换器、功放、电磁驱动线圈组成。本发明的切变波共振吸收谱仪可以在-20～150℃(液体)温度范围内，10^-5～10³Hz频率范围内，10^-4-10³cm^-1波数范围内测量液体和软物质的切变波共振吸收谱。

Description

碟型液体和软物质切变波共振吸收谱仪

技术领域

本发明涉及一种测量仪器，特别是一种测量液体及软物质的切变波共振吸收谱仪。

背景技术

在凝聚态物质范畴里，软物质和溶液中的团簇间、长键间和多键间的交互作用范围，分子和团簇的集团行为，高分子溶液中的长链，生命液体(如蛋白质、核酸、糖、脂等的水溶液)中的二、三、四级或其他化学溶液和络合物中的基团，其涉及的尺度处于从略小于1nm至若干微米的量级。而通常电磁波(光波和微波)的共振吸收或散射(可见光谱、Raman、红外、NMR、ESR等)频率都在10⁵～10¹³Hz之间或以上，它们所能探测到的是电子能级和键间各种振动(包括转动)能级的跃迁，但对于纳米和纳米以上尺度物质的整体能态和结构特征，它们却很难测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能在10^-5～10³Hz频率范围测量液体和软物质中切变波共振吸收谱仪，用于测量研究液体和软物质中切变波共振吸收波数谱、切变波共振吸收频率谱、共振能吸收温度谱，测量凝聚态物质的动态模量(复模量的模及实部)随波数、频率和温度的变化关系，测量液体的粘度随波数、频率和温度的变化关系，及液体和软物质在加电场、磁场、应力场或变温过程中的动力学参数。

本发明的切变波共振吸收谱仪，由悬挂扭摆装置和计算机检测装置组成；悬挂扭摆装置由起振元件、固定夹头、扭转振动夹头、摆杆、永久磁铁、电磁驱动线圈、转碟、支架组成，其中起振元件一端被固定在支架上的固定夹头夹持，另一端被带有摆杆的扭转振动夹头夹持，摆杆两侧对称地安装有一永久磁铁，对应永久磁铁的每一端外面有一电磁驱动线圈，转碟开口向上，同心固定在摆杆上，碟中盛入被测液体或软物质；计算机检测装置由准直光源、反射镜、差分光电池、A/D转换器、傅立叶变换器、计算机接口、恒应力或恒应变反馈器、应力信号发生器、D/A转换器、功放、电磁驱动线圈组成，其中反射镜安装在摆杆上，反射镜与准直光源、差分光电池构成计算机检测装置的应变信号源，差分光电池一路依次连接A/D转换器、傅立叶变换器、计算机接口，另一路依次连接应变振幅恒定反馈器、应力信号发生器、D/A转换器、功放、电磁驱动圈、傅立叶交换器、计算机接口。

在悬挂扭摆装置中，一永久磁铁穿过摆杆并使外露两侧对称，也可用一对永久磁铁替代横穿过摆杆的一块磁铁，起振元件和转碟分处于摆杆上下两端，也可同处于摆杆上端或下端，起振元件为固体丝或固体片。悬挂扭摆装置可以采用正扭摆方式，悬挂扭摆装置还可以采用倒扭摆方式。当采用倒扭摆方式时，固定夹头可升降，摆杆另一端可以连接有定滑轮和配重砝码，定滑轮固定在支架上，配重砝码通过定滑轮连接在摆杆上。为了防止液体挥发而保持被测物的浓度不变，也可采用封闭式(在转碟上加盖)的盛液转碟以(见图3)；为了加强盛液转碟与液体或入物质间的粘连以有利于液碟转动时能有效地带动被测物运动，也可在碟的底部加上一个凸出的齿芯，或在转碟的内壁设置一些齿，以保持被测物与盛液转碟的同步振动并从而在被测物中产生切变波(图4)。

本发明的切变波共振吸收谱仪，是利用强迫振动方法在凝聚态物质中产生切变波，并应用液体中切变波速度远小于光速的原理，可使10^-5～10³HZ频段的连续变频的扭转振动在液体中产生波数为10^-3～10³cm(固体为10^-8～10cm^-1)的切变波，通过测量其共振吸收峰，即可测得液体以及固体材料中处于从略小于1nm至若干微米的量级尺度范围的共振源的特征，包括能测得共振源的能级、尺寸和质量，交互作用能和键力，团簇和生命液体中或生物膜中的相变，固体中超长波横声子模的软化，以及变温及加(电、磁、力)场条件下的(生命、化学或物理)过程动力学特征。其波数连续变化范围可覆盖Raman谱的下半部、MNR谱、ESR谱一直到微波，因而可在凝聚态物理、溶液研究、胶体化学、有机化学、生物化学和生命过程的研究中得到广泛的应用。

在本发明的切变波共振吸收谱仪中，当被测量物为液体时，转碟中盛入被测量液体或软物质。通过电磁驱动线圈施加一个交变电信号时，永久磁铁受到交变应力，通过盛液转碟的扭转振动在被盛的液体或软物质中形成切变波。由计算机通过软件(或硬件)产生的可连续变频的正弦波电信号，经D/A转换和功率放大后输入驱动线圈6并驱动转筒在盛液夹层套的液体中形成切变波。由光电池接收的应变信号放大后，一部分反馈给应力发生器使保持应变或应力的幅值的恒定。另一部分与线圈6中的应力信号同时输入计算机，经傅里叶交换后即可得出应变落后于应力的相差Φ。整个过程均由计算机按测量程序自动进行并可在屏幕上实时显示tgΦ-k，模量M-k曲线(k是波数)，也可实时或测量完成后打印图形和数据。

本发明产生切变波的方式为利用转碟中液体随碟的扭转振动产生在垂直方向传播的切变波。在本发明的谱仪中，只要不盛入液体，均可直接测量固体试样(即起振元件)的共振吸收特征。其切变波的运动方程为：

$I\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}=M_0\exp \left(\mathrm{i\ωt}\right)-\mathrm{\γ}\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}-(M_1-M_2)\mathrm{\θ}---\left(1\right)$

其中M0exp(iωt)是外加力矩，I为装置的转动惯量，θ为扭转角，γ为转筒扭动时产生的粘滞力矩，M₁为起振元件的恢复力矩，M₂为起振元件的耗散力矩。其中可算得

        γ＝Aη                                    (2)

其中A为仪器常数，η对为被测液体粘度。装置振动一周耗散的能量(由液体和起振元件吸收的振动能)可以用应变落后于应力的相角φ才来表达。解得的结果为：

tgφ(ω)_系数＝tgφ(ω)_扭丝+tgφ(ω)_液体            (3)

当装置的强迫振动频率ω可与系统共振频率ωr比较时，必须对仪器测量值进行如下修正：

测量液体的共振吸收时，应先排干盛液管或碟中的被测液体并测量起振元件的背景耗

散值tgφ_L，再在盛液器9中盛入被测液体或软物质测出tgφ_L，其差值

            tgφ＝tgφ_L-tgφ_S                      (5)

即为液体的共振吸收值。但在一般情况下，tgφ_L远大于tgφ_S，所以后者往往可以忽略不计，以所测tgφ_L作为tgφ_测量。再由(4)式即可得出液体的振动能耗散tgφ随频率的变化关系。

另外，液体(包括溶液和溶胶)中切变波的波长λ与振动频率ω等的关系为：

          λ＝1/k＝(2η/ρω)^1/2                   (6)

其中η为被测液体的粘滞系数，ρ为被测液体的密度，k为被测液体的波数。由(4)至(6)式即可得知液体的共振吸收值tgφ随波数k以及液体的粘度η的变化关系。对于圆柱状软物质和凝胶，其切变波波数为：

             k＝f/(G/ρ)^1/2                        (7)

此处G为被测软物质切变模量，ρ为被测软物质的密度，f为测量频率。由于软物质和凝胶的切变模量大约只有通常固体的10⁸分之一，所以，软物质和凝胶中的切变波波数只比液体低约一个量级。

固定装置于某一强迫振动频率ω，改变液体和软物质的温度，即可得知液体和软物质的耗散tgφ随温度的变化关系，以进一步研究液体和软物质中的相变、弛豫以及液体在加电场、磁场、应力场或变温过程中的动力学参数。

当切变波的频率为10^-4～10³Hz时，水的波数为0.1～560cm^-1(相当于电磁波的毫米至红外波段)，k变化了5000倍以上。因此液体中切变波共振吸收谱所覆盖的连续波数范围比Raman(双光栅Raman谱的低频极限为30cm^-1)及红外谱之和还要宽。

温度升高时，液体的粘度η降低，软物质的G亦下降；因此，通过频率及液体的粘度或和软物质G的变化可使波数在10^-4～10³cm^-1间连续变化，这已覆盖了从Raman谱下半部、红外谱、NMR谱、ESR谱甚至于超声波的波数范围，因此本谱仪可探测到液体中尺寸为nm～μm或更大的共振源。

本发明的切变波共振吸收谱仪可以在-20～150℃温度范围内，10^-5～10³Hz频率范围内，测量液体和软物质的切变波共振吸收谱。其相角差分辨率优于5*10^-5弧度。本发明的切变波共振吸收谱仪可以在强迫振动(可在系统的共振频率ω_r以下或以上进行)、自由衰减、恒应变条件下的应力弛豫或恒应力条件下的应变流变等方式下工作。由于采用碟型，其用液量可少至约1ml或以下。这种装置更便于用作生命液体、生物试剂、药剂，特别是可用于相关生命软物质的测量。

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

图1为悬挂扭摆装置为倒扭摆方式的碟型切变波共振吸收谱仪结构示意图。

图2为悬挂扭摆装置为正扭摆方式的碟型切变波共振吸收谱仪结构示意图。

图3为悬挂扭摆装置为倒扭摆方式的密封式(加盖)碟型切变波共振吸收谱仪结构示意图。

图4为悬挂扭摆装置为正扭摆方式的密封式(加盖)碟型切变波共振吸收谱仪结构示意图。

图5为悬挂扭摆装置为倒扭摆方式的带齿芯(可开口或加盖)碟型切变波共振吸收谱仪结构示意图。

图6为悬挂扭摆装置为正扭摆方式的带齿芯(可开口或加盖)碟型切变波共振吸收谱仪结构示意图。

图7为切变波共振吸收谱仪的计算机检测装置连接框图。

图8为软物质一琼胶溶液的频率谱图。

图1中悬挂扭摆装置采用倒扭摆方式。起振元件1一端被固定在支架14上的固定夹头2夹持，另一端被固定在摆杆3一端的扭转振动夹头13夹持，摆杆3两侧中部对称地安装有一对永久磁铁7，上端(或下端)安装有一个开口向上的转碟8，对应每块永久磁铁7外面有一电磁驱动线圈6，摆杆3的另一端末端通过连线4绕过固定在支架14上的两个定滑轮9与配重砝码5相连接，反射镜11安装在摆杆3上，它与准直光源10、接收振动信号的差分光电池12构成计算机检测装置的应变信号源。转碟可以用塑料、金属、陶瓷、玻璃、橡胶或木材制成。要求所用材料不与被测物发生反应、与被测物的浸润性足以带动液体运动。

图2中悬挂扭摆装置采用正扭摆方式。起振元件1一端被固定在支架14上的固定夹头2夹持，另一端被固定在摆杆3一端的扭转振动夹头13夹持，摆杆3两侧中部对称地安装一对永久磁铁7，下端安装一个开口向上的转碟8，对应永久磁铁7外面有一电磁驱动线圈6，摆杆下端通过连线4与砝码5相连，砝码为球形或长方形金属，可部分浸入油中，也可机械同心地固定；亦可以去掉砝码5。反射镜11安装在摆杆3上，它与准直光源10、接收振动信号的差分光电池12构成计算机检测装置的应变信号源。考虑到上、下方扭力的平衡，即固体起振元件的抗力和液体粘滞阻力的平衡，将施加扭转力的磁铁置于摆杆的中部，而起振元件和转筒分别处于上下二端，因此振动系统易于平衡和具有更好的抗干扰能力。

图3和图4中的盛液转碟为密封式。其上盖固定于扭杆下端，用螺纹或斜口与盛液转碟下部固定并在下方同心地连接细线4与砝码5。砝码为球形或长方形金属，可部分浸入油中，也可机械同心地固定；亦可以去掉砝码5。其余与图1-2相同。

图5和图6中的盛液转碟为密封式或开口式。为了加强被测物与齿间的粘合力，盛液转碟下部对中部位有一个凸出的齿芯15，或在转碟的内壁设置一些齿，其余与图1-2相同。

图7中，差分光电池12一路依次连接A/D转换器23、傅立叶变换器16、计算机接口17，另一路依次连接应变振幅恒定反馈器18、应力信号发生器19、D/A转换器20。功放21、电磁驱动圈22、傅立叶变换器16、计算机接口17。

测量时通过线圈6施加一个交变电信号时，永久磁铁7受到交变应力，从而使起振元件1中建立一个与交变电信号相同频率ω的扭转振动并在盛液膜中形成切变波。由计算机通过软件(或硬件)产生的可连续变频的正弦波电信号，经D/A转换和功率放大后输入驱动线圈22。由光电池12接收的应变信号放大后，一部分反馈给应力发生器19使保持应变或应力幅值的恒定。另一部分与线圈理中的应力信号同时输入计算机，经博里叶交换后即可得出应变落后于应力的相差φ。整个过程均由计算机按测量程序自动进行并可在屏幕上实时显示tgφ-k，M-k曲线(k是波数)，也可实时或测量完成后打印图形和数据。

图8给出了典型的软物质—琼胶溶液(琼胶与水的质量比为1∶80)采用悬挂扭摆装置为正扭摆方式(图2)时的开口碟型切变波共振吸收谱仪在室温测得的频率谱图。其中上方曲线(空心圆)为琼胶的共振吸收曲线；下方曲线(实心圆点和空心三角)为琼胶中的水份完全挥发后成为干胶(类似固体)时的共振吸收曲线。可见琼胶的两个宽散的共振吸收峰在于胶时已消失，所剩下的是干胶的吸收背景和起振元件(铜丝)的尖锐的共振吸收峰。

Claims (5)

1.一种切变波共振吸收谱仪，由悬挂扭摆装置和计算机检测装置组成，其特征是悬挂扭摆装置由起振元件、固定夹头、扭转振动夹头、摆杆、永久磁铁、电磁驱动线圈、转碟、支架组成，其中起振元件一端被固定在支架上的固定夹头夹持，另一端被带有摆杆的扭转振动夹头夹持，摆杆两侧对称地安装有一永久磁铁，对应永久磁铁的每一端外面有一电磁驱动线圈，转碟开口向上，同心固定在摆杆上，碟中盛入被测液体或软物质。

2.一种如权利要求1所述的切变波共振吸收谱仪，其特征是起振元件和转碟分处于摆杆上下两端，也可同处于摆杆上端或下端。

3.一种如权利要求1或2所述的切变波共振吸收谱仪，其特征是起振元件为固体丝或固体片。

4.一种如权利要求1或2所述的切变波共振吸收谱仪，其特征是在转碟的上面加上一上盖。

5.一种如权利要求1或2所述的切变波共振吸收谱仪，其特征是在转碟的下部对中部位加上一个凸出的齿芯，或在转碟的内壁设置一些齿。

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