【摘 要】
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液体的界面张力(IFT)是作用在单位长度液体界面上的收缩力,当形成界面的两相中有一相是气相,则此时界面张力可被称作表面张力。IFT在工业、生物医学和合成化学应用中发挥着重要的作用。在工业流程中,例如评估洗涤剂品质、研制新型涂层配方、协助石油开发三次采油(EOR)技术等领域都需要IFT测量。传统针对表面张力的测量方法有动态张力测量法和静态张力测量法两类,比较有代表性的静态表面张力测量法有Du Noü
【机 构】
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中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院)
【出 处】
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中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院)
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液体的界面张力(IFT)是作用在单位长度液体界面上的收缩力,当形成界面的两相中有一相是气相,则此时界面张力可被称作表面张力。IFT在工业、生物医学和合成化学应用中发挥着重要的作用。在工业流程中,例如评估洗涤剂品质、研制新型涂层配方、协助石油开发三次采油(EOR)技术等领域都需要IFT测量。传统针对表面张力的测量方法有动态张力测量法和静态张力测量法两类,比较有代表性的静态表面张力测量法有Du Noüy-拉环法、气泡压力法等;动态表面张力的代表性测量方法为振荡射流法等。如今生命健康相关话题成为热点,生物的血液、尿液、汗液等体液的物理特性往往能反映出身体健康状况,针对生物体液的IFT测量可以有效地实现疾病的早期诊断。然而测量IFT通常需要足量的待测液体来浸润探针或容纳气泡,或是需要缓慢滴液测量外形和质量数据。针对生物体液样品量少,检测需求大,检测时效性强等特点,本文提出了一种一种基于声表面波(SAW)的微量样品液体表面张力测量方案。该张力测量方案受到基于液滴外形的无柄液滴法和悬滴法的启发,通过SAW作用在液滴上时液滴产生的振动形变的外形数据,利用Taylor形变方程针对其IFT进行计算。由于不同液滴IFT的差异,其与SAW相互作用时,液滴内部声流诱发的形变也会有所不同,从而实现张力测量的目的。为此我们选用叉指换能器(IDT)产生SAW来诱发声流,分别对IDTs表面和液滴内部的物理场进行了有限元仿真计算,使用铌酸锂(YX128°Li Nb O3)作为压电基底,通过光刻、磁控溅射等技术加工制成用于产生操控SAW的IDT,最后对其进行声场表征,所制得器件可激励产生稳定的19.52 MHz的SAW。利用此器件产生的SAW在高速图像采集设备下控制液滴产生形变,采集液滴形变的图像数据并进行量化计算,使用泰勒的变形方程来最终计算待测液体的IFT。本次实验中利用SAW方法测得去离子水的表面张力系数值为68.369 N/m,甘油为60.44 N/m,对比悬滴法的数据72.75 N/m和63 N/m,其误差幅度仅为±5%(25°C),验证了声表面波测量方法的准确性。SAW方法仅仅利用了极微量的待测样液(低至1~2μL)和较短的测量时间(3 min以内)即可获得较为准确的结果。为了验证SAW方法在生命健康领域的应用前景,我们分别对健康小鼠和糖尿病小鼠进行了血浆IFT测量,正常小鼠的血浆IFT在72.82 N/m左右,而糖尿病小鼠的血浆IFT在56.23 N/m左右,该结果成功展现了IFT测量在筛选糖尿病血浆时的灵敏性和准确性。针对IFT的SAW测量法具有所需样品量少、成本低廉、机制简易、测量速度快等优势,在工业生产和生命健康领域拥有广阔的应用前景。
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