微波反应的基本原理篇1
此研究报告刊登于《农业工程学报》2010年第5期，题为《微波预处理原料对苹果汁褐变的影响》，第一作者为山西师范大学工程学院的张少颖博士，通讯作者为该校的王向东教授。
防止苹果汁褐变一直是果汁研究的热点难题之一。苹果汁褐变是苹果汁在加工或储存过程中颜色由诱人的金黄色逐渐转变为发暗的红棕色过程。其褐变主要是酶促褐变和非酶褐变。酶促褐变是由于在打浆、取汁等工序过程中，由于果肉组织破碎，酶与底物的细胞区域化被打破，在有氧气的条件下。果蔬中的多酚氧化酶(ppo)催化酚类物质氧化变色所致。非酶褐变是在果蔬汁的加工和储藏过程中引起的，这类褐变主要是由还原糖和氨基酸之间的美拉德反应引起的，而还原糖和氨基酸都是果蔬汁本身所含的成分，因此较难控制。通常果汁发生褐变时，感官品质变差，营养价值降低，商品价值也随之下降。目前，人们或者通过活性炭、树脂吸附脱色等方式来减轻褐变；或者添加苯甲酸、亚硫酸氢钠等食品添加剂来防止褐变。这些加工方式成本偏高，也不符合当前食品安全的发展趋势。
为了在符合食品安全的条件下经济合理地寻找一种防止苹果汁褐变的方法，山西师范大学王向东教授课题组应用微波预处理苹果原料，首次探讨微波的处理功率和处理时间对苹果汁褐变的影响。
他们采用藤木1号苹果为原料，将苹果洗净，切成1厘米×1厘米的小方块。分别以90、270、450、720、900瓦的微波功率和25、50、75、100、125秒时间梯度进行组合，分别辐照果块。考察微波处理对苹果汁褐变的影响。同时测定了经不同功率和不同时间微波处理后苹果汁的色值、多酚氧化酶的活性、氨基态氮含量和酸度的变化，并观察了苹果汁储存45天后的色值。课题组研究发现，微波功率720-900瓦和处理时间75-125秒，能够有效防止苹果汁的褐变。在微波处理功率900瓦，处理时间100秒时，所得苹果汁的色值为82.0，且在室温储存45天后，其色值为67.8，比未经微波处理的高91.5％，此结果说明经微波处理的原料所得苹果汁的颜色稳定性较好。
由试验结果可推断。微波在较短时间(0-25秒)和较低功率(90-270瓦)作用下，促进酶促褐变。此时的多酚氧化酶的活性高于对照；而微波在长时间(125秒)和大功率(900瓦)作用下，加速非酶褐变(美拉德反应)；微波在较长时间(75～125秒)和较高功率(720～900瓦)下处理原料果块，能有效抑制褐变。在中等强度微波作用条件下，既可以迅速钝化酶，防止发生酶促褐变，又不至于使原料果块过度受到微波作用，引发剧烈的美拉德反应。
有研究表明，在胡萝卜片和苹果片的干燥加工中，中等强度微波处理可使果片的褐变程度较热风干燥降低。也有研究发现，微波处理苹果浆可以提高出汁率，并且能改善苹果汁的营养品质。而对于微波处理对苹果汁色值方面的影响还未见报道。本试验研究结果为苹果汁的生产提供了一种简便安全、合理经济的防止褐变的方法。
拓展阅读――微波
什么是微波
微波是指频率为300mHz～300GHz的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称。即波长在1米(不合1米)到1毫米之间的电磁波。是分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波的统称。微波频率比一般的无线电波频率高，通常也称为“超高频电磁波”。
微波的性质
微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是穿越而不被吸收。对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热。而对金属类东西，则会反射微波。
微波的特点
从电子学和物理学观点来看，微波这段电磁频谱具有不同于其他波段的如下重要特点：
穿透性微波比其他用于辐射加热的电磁波。如红外线、远红外线等波长更长，因此具有更好的穿透性。微波透入介质时，由于介质损耗引起的介质温度的升高。使介质材料内部、外部几乎同时加热升温，形成体热源状态，大大缩短了常规加热中的热传导时间，且在条件为介质损耗因数与介质温度呈负相关关系时，物料内外加热均匀一致。
选择性加热物质吸收微波的能力，主要由其介质损耗因数来决定。介质损耗因数大的物质对微波的吸收能力就强，相反。介质损耗因数小的物质吸收微波的能力也弱。由于各物质的损耗因数存在差异。微波加热就表现出选择性加热的特点。物质不同，产生的热效果也不同。水分子属极性分子，介电常数较大，其介质损耗因数也很大，对微波具有强吸收能力。而蛋白质、碳水化合物等的介电常数相对较小，其对微波的吸收能力比水小得多。因此，对于食品来说，含水量的多少对微波加热效果影响很大。
热惯性小微波对介质材料是瞬时加热升温，能耗也很低。另一方面，微波的输出功率随时可调，介质温升可无惰性的随之改变，不存在“余热”现象，极有利于自动控制和连续化生产的需要。
似光性和似声性微波波长很短，比地球上的一般物体(如飞机、舰船、汽车建筑物等)尺寸相对要小得多，或在同一量级上，使得微波的特点与几何光学相似，即所谓的似光性。因此使用微波工作，能使电路元件尺寸减小，使系统更加紧凑，可以制成体积小、波束窄方向性很强、增益很高的天线系统，接受来自地面或空间各种物体反射回来的微弱信号，从而确定物体方位和距离，分析目标特征。
由于微波波长与物体(实验室中无线设备)的尺寸有相同的量级，使得微波的特点又与声波相似，即所谓的似声性。例如微波波导类似于声学中的传声筒：喇叭天线和缝隙天线类似与声学喇叭，萧与笛：微波谐振腔类似于声学共鸣腔。
非电离性微波的量子能量还不够大。不足与改变物质分子的内部结构或破坏分子之间的键。原子核在外加电磁场的周期力作用下所呈现的许多共振现象都发生在微波范围，因而微波为探索物质的内部结构和基本特性提供了有效的研究手段。另一方面，利用这一特性，还可以制作许多微波器件。
信息性由于微波频率很高，所以在不大的相对带宽下，其可用的频带很宽。可达数百甚至上千兆赫兹。这是低频无线电波无法比拟的。这意味着微波的信息容量大，所以现代多路通信系统，包括卫星通信系统，几乎无例外都是工作在
微波波段。另外，微波信号还可以提供相位信息，极化信息。多普勒频率信息。这在目标检测。遥感目标特征分析等应用中十分重要。
微波的产生
微波能通常由直流电或50Hz交流电通过一个特殊的器件来获得。可以产生微波的器件有许多种，但主要分为两大类：半导体器件和电真空器件。电真空器件是利用电子在真空中运动来完成能量变换的器件，或称之为电子管。在电真空器件中能产生大功率微波能量的有磁控管、多腔速调管、微波三／四极管、行波管等。在目前微波加热领域特别是工业应用中使用的主要是磁控管及速调管。
微波的热效应
微波对生物体的热效应是指由微波引起的生物组织或系统受热而对生物体产生的生理影响。热效应主要是生物体内有极分子在微波高频电场的作用下反复快速取向转动而摩擦生热：体内离子在微波作用下振动也会将振动能量转化为热量：一般分子也会吸收微波能量后使热运动能量增加。如果生物体组织吸收的微波能量较少，它可借助自身的热调节系统通过血循环将吸收的微波能量(热量)散发至全身或体外。如果微波功率很强，生物组织吸收的微波能量多于生物体所能散发的能量，则引起该部位体温升高。局部组织温度升高将产生一系列生理反应，如使局部血管扩张。并通过热调节系统使血循环加速，组织代谢增强。白细胞吞噬作用增强，促进病理产物的吸收和消散等。
微波的非热效应
微波的非热效应是指除热效应以外的其他效应，如电效应、磁效应及化学效应等。在微波电磁场的作用下，生物体内的一些分子将会产生变形和振动，使细胞膜功能受到影响，使细胞膜内外液体的电状况发生变化，引起生物作用的改变，进而可影响中枢神经系统等。微波干扰生物电(如心电、脑电、肌电、神经传导电位、细胞活动膜电位等)的节律，会导致心脏活动、脑神经活动及内分泌活动等一系列障碍。对微波的非热效应，人们还了解的不很多。当生物体受强功率微波照射时，热效应是主要的(一般认为，功率密度在在10mw／cm2者多产生微热效应，且频率越高产生热效应的阍强度越低)；长期的低功率密度(1mw／cm2以下)微波辐射主要引起非热效应。
微波加热的原理
微波是频率在300兆赫到300千兆赫的电波，被加热介质物料中的水分子是极性分子。它在快速变化的高频点磁场作用下。其极性取向将随着外电场的变化而变化。造成分子的运动秀相互摩擦效应，此时微波场的场能转化为介质内的热能，使物料温度升高，产生热化和膨化等一系列物化过程而达到微波加热干燥的目的。
微波杀菌的原理
微波杀菌是利用了电磁场的热效应和生物效应的共同作用的结果。微波对细菌的热效应是使蛋白质变化，使细菌失去营养，繁殖和生存的条件而死亡。微波对细菌的生物效应是微波电场改变细胞膜断面的电位分布，影响细胞膜周围电子和离子浓度。从而改变细胞膜的通透性能，细菌因此营养不良。不能正常新陈代谢，细胞结构功能紊乱，生长发育受到抑制而死亡。此外，微波能使细茵正常生长和稳定遗传繁殖的核酸(Rna)和脱氧核糖核酸(Dna)，是由若干氢键松弛。断裂和重组，从而诱发遗传基因突变。或染色体畸变甚至断裂。
微波反应的基本原理篇2
关键词：微波等离子；化学气相沉积；金刚石薄膜；乙醇
中图分类号：o484文献标识码：a文章编号：1006-4311（2014）24-0297-03
0引言
金刚石具有极其优异的性质，极高的硬度和导热率，优异的光学透过性能，高的禁带宽度和场发射特性，因此在光学、半导体、真空微电子学、平面显示、机械及航空、航天和国防等领域都有广泛的应用[1]。然而在自然界中天然金刚石产量少，价格昂贵，人造金刚石具有与天然金刚石几乎相同的性能，价格却具有很强的优势[2]。因此人工合成金刚石，将会给国防、电子、光学和机械等领域的高科技发展带来巨大的经济效益和社会效益。
金刚石薄膜在发达国家起步较早，在某些方面，工业化已经初具规模。我国在这方面起步较晚，与发达国家相比还有一定的差距。制备金刚石薄膜的方法主要有热丝CVD法（HFCVD）、直流电弧等离子体喷射、微波等离子体CVD法、燃烧火焰法等方法，其中微波等离子体CVD对生长金刚石薄膜具有综合优势[3]。高的衬底温度会限制金刚石膜的使用范围，特别是在微电学的应用上。因此研究微波等离子体低温沉积金刚石膜，具有非常重要的现实意义。目前低压CVD法制金刚石所采用的气源绝大多数都是CH4与H2，乙醇是非常常见且价格低廉的工业原料，因此用乙醇和氢气作为工作气源势必会带来更好的经济
效益。
1实验方法
该微波等离子体CVD法制金刚石薄膜装置如图1所示，将微波发生器（一般为磁控管）产生的微波经矩形波导、功率监测器和阻抗调配器传输到垂直穿过波导的石英反应管中，微波激发工作气体成等离子体状态，在一定条件下，基片上就沉积出金刚石膜。该实验采用尺寸大约为5cm×10cm镜面抛光的单晶硅片作为反应基片，采用金刚石粉研磨的方法进行基片预处理。用金刚石粉手工研磨10分钟，再用乙醇超声清洗大约5分钟，风干，在光学显微镜下观察到致密细微的划痕，否则再次研磨。
2金刚石薄膜生长的影响因素
金刚石薄膜的生长由多种因素决定，如：基片温度、氢原子作用、乙醇浓度、反应气压等。本文主要研究乙醇浓度及反应气压对生长金刚石膜的影响。
2.1乙醇浓度对生长金刚石膜的影响
CVD法制金刚石膜是由金刚石沉积和氢气对石墨的刻蚀作用相平衡所组成的。在压强一定的情况下，乙醇浓度增加较小时，氢气的刻蚀作用基本不变，因此膜生长率的任何改变都是由金刚石的沉积所引起的，而不是石墨相的减少。[5]
乙醇浓度依赖于气源，由乙醇―氢气流量比所决定，在本文中，乙醇浓度是指乙醇所占气源的体积百分比。选取三个比较有代表性的乙醇浓度为10%、20%、30%，其它工作参数为：反应气压5kpa，微波功率700w，基片温度521℃，沉积时间12小时。其成膜质量由X射线衍射仪检测，如图2所示。
从图2中可以看出，压强一定的情况下，随着乙醇浓度的增加，金刚石（111）面与金刚石（220）面的特征峰强度一直都在降低。其它工作参数不变，乙醇浓度的增加势必会引起氢气浓度的降低，原子氢对石墨相的刻蚀作用减弱，或是氢气对非晶碳的抑制作用降低，也可能会使金刚石相转变为非晶碳。当乙醇浓度增加到某一值时，这一影响将变得不容忽视，金刚石膜质量降低。因此，反应气压不变时，要想得到好的金刚石膜，乙醇浓度不宜超过某一值。但是乙醇浓度也不宜过小，乙醇浓度很小，氢气的浓度就会很大，这样氢气不仅会刻蚀掉石墨相和非金刚石碳，对金刚石相的刻蚀也很厉害，也会影响金刚石的成膜质量。
2.2反应气压对生长金刚石膜的影响
考查金刚石薄膜生成中反应气压的影响因素，就应该把其它的工作参数固定，选择三个比较有代表性的压强值2.00kpa、4.00kpa、6.00kpa。其它工作参数均为乙醇流量30ml/min，氢气流量70ml/min，沉积时间10小时，微波功率700w。所沉积膜的质量由X射线衍射检测，如图3所示。
从图3中可以清楚地看到，压强为2.00kpa时，金刚石（111）面处特征峰非常微弱，金刚石（220）面处的特征峰几乎没有，成膜的质量不高。随着压强的升高，金刚石（111）面的特征峰强度越来越强，金刚石（220）面处也开始出现特征峰，成膜质量变好。
当反应气压较低时，原子氢浓度较小，原子氢对非金刚石碳的刻蚀作用也就很小，金刚石结构就要少些，成膜质量不好。因此反应气压很低，乙醇浓度很高，不利于金刚石的生长。不改变工作气源，随着反应气压的升高，原子氢浓度也会增加，参加反应的氢也随之增加，原子氢对石墨相的刻蚀作用也会增加，金刚石膜的质量变好。因此乙醇浓度不变时，要想生长金刚石，反应气压就要超过某一值。
反应气压太低时，碳氢基团的密度太低，金刚石膜的生长速度也就很低。随着气压的升高，气体密度开始增加，电子与活性基团的碰撞加剧，参加反应的基团增多，膜的生长速率加快。而当反应气压过高时，气体分子的平均自由程变短，使基片表面处的原子氢和有效的活性碳氢基团浓度降低，引起膜的生长率降低。[6-7]
通过提高反应气压来增加氢原子浓度（其它工作参数不变），与改变氢气所占气源的百分比所引起的效果不同。因为增加氢气所占气源的百分比，势必会引起气源中乙醇浓度的降低，含碳基团浓度下降，会影响碳的活性基团的沉积。而其它参数不变，单纯提高压强引起的原子氢浓度增加，同时乙醇浓度也增加，不会影响碳活性基团的沉积。因此选择一个合适的反应气压很重要。
3总结
将乙醇――氢气作为工作气体，微波等离子CVD法在较低温度下制备了质量较好的金刚石薄膜，讨论了乙醇浓度、反应气压对成膜质量的影响。选取比较有代表性的乙醇浓度10%、20%、30%。随着乙醇浓度的增加，金刚石膜的特征峰强度越来越弱，金刚石结构越来越差。要想得到金刚石的生长，乙醇浓度不应超过某一值。其它工作参数相同，选用三个比较有代表性的气压。当压强为2.00kpa时，金刚石结构的特征峰非常微弱，随着压强升高，金刚石特征峰的强度也越来越强。因此要想生长金刚石膜，反应气压必须超过某一值。基片预处理、基片温度、氢原子作用等因素也会影响金刚石的成膜质量，因此找到这些因素的最优化配比将是制备金刚石膜的主要问题之一。
参考文献：
[1]满卫东，汪建华，马志斌，等.微波等离子体化学气相沉积―一种制备金刚石膜的理想方法[J].真空与低温，2003（01）.
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[3]马国欣，向鹏，邱胜宝，邬纪泽.CVD金刚石（膜）制备技术及应用进展[J].真空电子技术，2009（05）.
[4]马志斌.金刚石薄膜的低温沉积[J].武汉化工学院学报，2003（04）.
[5]满卫东.微波等离子体化学气相沉积金刚石薄膜的研究
[D].武汉化工学院，2002.
[6]舒兴胜，邬钦崇，梁荣庆.反应气压对mwpCVD金刚石膜中非金刚石相碳含量的影响[J].真空科学与技术学报，2001-02.
微波反应的基本原理篇3
【关键词】雷达发射机;驻波保护;双向定向耦合器;插入损耗
引言
大功率微波放大器件（如速调管、行波管twt）广泛应用于雷达、精确制导等电子装备中，是其大功率发射机的关键部件，成本昂贵。功率器件损坏的重要原因之一是驻波过大，如果微波通道上发生阻抗不匹配等问题，驻波就可能会产生，驻波会导致信号一直放大，产生大电压或者大功率，功率器件由于过电压或者过功率而损坏。
在雷达发射机领域虽然目前已有多种驻波保护方法（如常规的基于隔离器的驻波保护电路和基于环形器的驻波保护电路等），由于受到电子器件、微波工艺发展的影响，大都存在可靠性低，稳定性差或者体积过大的缺点，例如，在较低的频段范围内，分布参数的环行器尺寸会很大，不适合用于集成电路中;另外在功率器件输出功率很高的情况下，环行器必须能够承受很高的功率，并且要求环行器具有很低的插入损耗，此时基于环形器的驻波保护电路成本就很高。另外，在一些频段，比如在太赫兹频段，并没有现成的环行器可供使用，定制或者进行研发需要很高的成本和较长的时间。常规的驻波保护电路就远远不能满足系统设计的指标要求了。
本文在综合分析了一些常规的基于隔离器的驻波保护电路和基于环形器的驻波保护电路等的基础上，设计了一种可应用于轻小型宽带连续波雷达系统的基于双向定耦的驻波保护电路，该驻波保护电路具有电路简单、体积小、可靠性高、稳定性强等优点。
1.传统雷达发射机的驻波保护电路比较
1.1基于隔离器的雷达发射机驻波保护电路
作为最早出现的一种雷达发射机驻波保护电路，基于隔离器的发射机大功率器件驻波保护电路的设计思路是：通过隔离器隔离输入和输出，使得驻波反射的能量不能回馈至微波功率器件，而是被隔离器吸收，起到保护大功率微波器件的作用。基于隔离器的雷达发射机大功率器件驻波保护电路的原理框图如图1所示。
图1基于隔离器的雷达发射机功率器件驻波保护电路
该电路的缺点是：隔离器在长时间工作后会过热而损坏。另外这种方法无法将驻波能量的大小检测出来。
1.2基于环形器的雷达发射机驻波保护电路
基于环形器的雷达发射机驻波保护电路的原理框图如图2所示。
雷达微波功率器件行波管的输出信号经由定向耦合器到环形器以后，由其端口2传递给天线/稳定平台系统，驻波产生的反射放大信号通过环形器以后再由环形器的3端口进入负载，从而被吸收，而不会进入微波器件twt，但是该电路如果长时间反射的能量过大同样也会造成环形器损坏，另外其反射能量大小是无法估计的。
图2基于环行器的雷达发射机驻波保护电路（收发共用天线）
1.3基于环形器和单向定向耦合器的雷达发射机驻波保护电路
雷达微波功率器件的输出信号经由环形器后，由环形器的端口2传递至负载，驻波引起的反射能量经由环形器的端口3后，通过单向定向耦合器后把反射信号分离出来，再经检波、放大后与预定的电压基准进行比较，最后输出的逻辑电平去控制正向通道的pin开关。这样如果驻波过大，能及时的将正向通道关闭，起到保护微波功率器件的目的。基于环行器和单向定向耦合器的驻波保护电路原理图如图3所示。
通过对以上电路的分析我们知道前两种保护电路，无论是隔离器还是环形器都是通过将反射信号进行隔离，阻止反射功率损坏微波功率器件，从而起到保护微波功率器件的目的。
但是这两种方法不能衡量出驻波的大小，并且长时间大功率反射也会将隔离器或者环形器热损坏;第3种方法虽然有所改进，能衡量出驻波保护时反射功率的大小，但是在工程实际中，如果微波功率器件输出失配，会出现反射功率没有超过允许的功率值，但是反射功率却超过了正向通道的功率，这也是不允许的。另外由于环形器的存在，使得系统的体积无法满足日益要求的电子系统的小型化。为此本文提出一种基于双向定耦的宽带雷达发射机驻波保护电路，可更好的对发射机大功率微波器件起到驻波保护作用。
图3基于环行器和单向定向耦合器的驻波保护电路原理框图
1.4本文提出的基于双向定耦的驻波保护电路
雷达发射机行波管的输出信号进入双向定向耦合器，然后入射信号、反射信号被分离，其中反射信号被分成两路，一路在经检波、放大后与预定的电压基准进行比较，最后输出的逻辑电平去控制正向通道的pin开关，实现了反射功率过大的保护;把入射信号经检波、放大后与另一路反射信号进行比较，输出逻辑电平亦去控制正向通道的pin开关，实现了检测出微波功率器件输出端是否失配，进而起到保护微波功率器件行波管的功能。这样如果驻波过大，能及时的将正向通道关闭，起到保护微波功率器件的目的。
其原理图如图4所示。
图4基于双向定向耦合器的驻波保护电路原理框图
该电路响应速度很快，反射信号可以进入行波管，但是依然可以很好的保护它。同时该电路可以检测出反射功率过大，和行波管输出失配的状态。
2.基于双向定向耦合器的驻波保护电路设计方法
这里本文设计了两种保护，一种是纯粹的反射功率过大保护;另外一种是在微波功率器件输出失配情况下，反射功率超过入射功率的保护。下面主要介绍耦合度及失配保护的设计。
2.1耦合度设计
耦合度的设计是系统设计的关键。下面介绍耦合度的推导。推导前有两个前提：
1）双向定向耦合器的耦合度是任意可调的;
2）检波器的特性是理想状态。
设：输入定耦的最大功率为pomax;
允许的最大反射功率为prmax;
允许通过检波器的最大正向功率pomax′;允许通过检波器的最大反射功率prmax′;双向定向耦合器正向端的耦合度为Co;
双向定向耦合器反射端的耦合度为Cr。
则有通过双向定耦的损耗
iL=pomax-prmax。
由图5，可以得出：Co=pomax-pomax′;Cr=prmax-prmax′
设当prmax′>pomax′时电路保护。那么其临界条件为prmax′=pomax′，此时由上面两个式子可以得出：Co-Cr=pomax-prmax=iL
根据检波器的最大承受功率，综合Co-Cr=iL选定合适的Cr、Co。
2.2微波功率器件输出失配保护设计
设：功率器件的输出功率为po;从负载向功率器件方向的反射功率为pr;通过检波器的正向功率po′;通过检波器的反射功率pr′。
由图5可得：pr′=pr-Cr;po′=po-Co
由上面导出的Cr、Co可以得出pr′和po′。
设po′和pr′的检波电压分别为Vo和Vr，以Vo为基准，Vr为变量在比较器中比较，在Vr>Vo时比较器的输出V为高电平，V控制微波开关关断微波功率器件的激励，起到保护微波功率器件的作用。
图5功率器件输出失配保护电路设计
3.几种雷达发射机驻波保护电路比较
表1几种雷达发射机驻波保护电路的比较
插入损耗（dB）体积重量可靠性稳定性
隔离器0.5-0.8较大重一般较高
环形器0.4-0.6大较重较高较高
环形器+单向定耦0.5-0.7大重高高
双向定耦0.2-0.4小轻高高
4.结论
反射功率过大会造成功率放大器件的损坏，解决该问题的最佳方法是采用低损耗的保护电路。针对轻小型宽带连续波雷达发射机，本文提出了一种的基于双向定耦的驻波保护电路。该保护电路使用了双向定耦器件，具有电路简单、体积小、可靠性高、稳定性强等优点，并且电路原理简明易懂、硬件电路实现方便，可以满足轻小型宽带雷达发射机驻波保护的技术要求，适用于工程实际。
参考文献
[1]popovicZB，weikleRm，Kimm，etal.a100-meSFetplanargridoscillator[J].ieeetransactiononsoftware，1991，39（2）：193-199.
[2]姜书俭，黄书万.电阻器[m].成都：电子科技大学出版社，1991.
[3]姚德淼，毛钧杰.微波技术基础[m].北京：电子工业出版社，1989.
微波反应的基本原理篇4
关键词：超高频；带通滤波器；aDS优化；器件仿真
中图分类号：tn911?34文献标识码：a文章编号：1004?373X（2013）14?0116?03
Designandsimulationofultra?highfrequencybandpassfilter
wanGHao?chen，wanGZhi?ming
（Schoolofmechanicalengineering，nUSt，nanjing210094，China）
abstract：amethodbasedonthetheoreticalcalculationtooptimizeandsimulateRFfilterbyaDSsoftwareisintroduced.theoptimizationdesign，devicesimulation，momentmethodanalysisandrelatedcontentintheprocessofRFfilterdesigniselaboratedemphatically.thetestresultsofRFfiltershowthattheripplewithinitspassbandislessthan3dB，thereflectioncoefficientofin?bandi/oportsislessthan-20dBandstopbandattenuationisgreaterthan40dB.thismethodhashigherfeasibilityandeffectiveness，comparedwiththetraditionaldesignmethod.
Keywords：ultra?highfrequency；band?passfilter；aDSoptimization；componentsimulation
射频滤波器在无线通信系统中至关重要，起到频带和信道选择的作用，并且能滤除谐波，抑制杂散。事实上，对于大多数现代滤波器的设计，射频/微波模拟软件是一个绝对必要的、评估滤波器性能的工具。美国安捷伦（agilent）公司推出的大型eDa软件advancedDesignSystem?aDS就是其中的佼佼者，也是国内各大学和研究所在微波电路和通信系统仿真方面使用最多的软件之一[1?2]。本文在理论设计的基础上，利用aDS软件对耦合微带线带通滤波器进行优化设计，节省了设计时间，提高了设计精度和设计效率。
1理论设计
1.1设计指标
耦合微带线带通滤波器的设计指标如下所示：
（1）通带频率范围：902～928mHz，中心频率为915mHz；
（2）带内波纹小于3dB；
（3）阻带损耗：850mHz以下及950mHz以上衰减大于40dB；
（4）带内输入/输出端口反射系数小于-20dB。
耦合微带线带通滤波器的设计采用FR?4作为基片材料，基片参数为：d=1.6mm，er=4.5，tanδ=0.02，铜导体的厚度t=0.035mm。
1.2理论计算
当频率达到或接近GHz时，滤波器通常由分布参数元件构成，分布参数不仅可以构成低通滤波器，而且可以构成带通和带阻滤波器。平行耦合微带传输线由两个无屏蔽的平行微带传输线紧靠在一起构成，由于两个传输线之间电磁场的相互作用，在两个传输线之间会有功率耦合，这种传输线也因此称为耦合传输线。平行耦合微带线可以构成带通滤波器，这种滤波器是由波长耦合线段构成，是一种常用的分布参数带通滤波器[3]。当两个无屏蔽的传输线紧靠一起时，由于传输线之间电磁场的相互作用，在传输线之间会有功率耦合，这种传输线称之为耦合传输线。根据传输线理论，每条单独的微带线都等价为小段串联电感和小段并联电容。每条微带线的特性阻抗为Z0，相互耦合的部分长度为L，微带线的宽度为w，微带线之间的距离为S，偶模特性阻抗为Ze，奇模特性阻抗为Z0。单个微带线单元虽然具有滤波特性，但其不能提供陡峭的通带到阻带的过渡。如果将多个单元级联，级联后的网络可以具有良好的滤波特性[4]。滤波器设计首先要选择适当的低通滤波器原型，滤波器的阶数可以根据950mHz频率点的衰减大于40dB的要求确定。利用带通滤波器频率变换公式如下：
要在低通滤波器原型的相应归一化频率点Ω=2.64处获得40dB的衰减，滤波器的阶数至少为n=4，则需要采用5节耦合微带线级连。根据设计指标中需要的衰减和波纹，选定采用切比雪夫设计方法，则可知具有3dB波纹的4阶切比雪夫滤波器的元件参数为g0=1，g1=3.4389，g2=0.7483，g3=4.3471，g4=0.5920，g5=5.8095。
耦合微带线带通滤波器中传输线的奇模、偶模通过公共接地板产生耦合效应，并导致了奇模特性阻抗和偶模特性阻抗，其公式分别如下所示：
式中：
对于平行耦合微带线而言，利用aDS软件中的工具LineCalc，可以进行物理尺寸和电参数之间的数值计算，根据计算所得平行耦合微带线奇模和偶模的特性阻抗，计算平行耦合微带线导体带的角度和间隔距离。由上述特性阻抗，可得微带线的实际尺寸如表1所示。
表1微带线理论值mm
2aDS优化仿真
2.1原理图设计
利用计算所得尺寸，建立如图1所示原理图，并进行仿真。
图1理论值原理图
仿真结果如图2所示。
图2理论值原理图仿真结果
由图2的仿真结果可以看出，850mHz及950mHz以上衰减大于60dB，符合设计要求，但是902～928mHz之间的衰减过大，不符合设计指标，需进一步优化。
2.2优化仿真
在进行设计时，主要是以滤波器的S参数作为优化目标进行优化仿真。S21（S12）是传输参数，滤波器通带、阻带的位置以及衰减、起伏全都表现在S21（S12）随频率变化曲线的形状上。S11（S22）参数是输入/输出端口的反射系数，由它可以换算出输入/输出端的电压驻波比。如果反射系数过大，就会导致反射损耗增大，并且影响系统的前后级匹配，使系统性能下降[5]。常用的优化方法有Random和Gradient，随机法通常用于大范围搜索，梯度法则用于局部收敛。因此，在具体的设计中，首先适当放宽各个参数的取值范围，采用随机法进行优化，而后参照之前随机法优化结果，适当缩小各个参数的取值范围，进而采用梯度法再次优化[6]。根据设计指标的要求，优化目标的设置如图3所示。优化后的原理图仿真结果如图4所示。由图3，图4可看出，优化后的尺寸可以满足设计指标的要求。之后可以进行版图仿真。
2.3版图仿真
原理图的仿真实在完全理性的状态下进行的，而实际电路板的制作往往与理论有较大的差距，这就需要考虑干扰、耦合等因素的影响。因此需要在aDS中进一步对版图仿真。
用于生成版图的原理图如图5所示。
图3优化目标的设置
图4优化后原理图仿真结果
图5生成版图原理图
由上述原理图生成的版图如图6所示。
图6耦合微带线带通滤波器版图
版图仿真结果与原理图仿真结果有所不同，它与原理图仿真的方式不同，更为严格，因此很有可能仿真出的结果不符合要求，需返回到原理图进行再次优化之后，再进行版图的仿真，直到仿真结果可以达到设计指标的要求为止。版图的仿真结果如图7所示，由图可以看出，设计出的尺寸符合设计指标的要求。
图7版图仿真结果
3结语
射频带通滤波器的传统设计方法大多是通过图表查询和曲线拟合来完成的，不但工作量大，而且设计精度不高。本文在理论计算的基础上，采用aDS软件对射频滤波器进行优化及仿真，进而依据设计结果加工制作射频滤波器器件，既减轻了设计者的劳动强度，缩短了设计周期，又提高了设计精度和设计效率。测试结果表明，此方法设计射频滤波器是可行的和有效的。
参考文献
[1]邹德慧，赖万昌，戴振麟，等.一种基于aDS优化的微带带通滤波器设计及实现[J].电测与仪表，2007（6）：31?33.
[2]杨金伟.基于Richards变换与Kuroda规则的射频滤波器设计[J].台州学院学报，2006（3）：41?46.
[3]LUDwiGReinhold，BRetCHKopavel.射频电路设计理论与应用[m].北京：电子工业出版社，2012.
[4]黄玉兰.aDS射频电路设计基础与典型应用[m].北京：人民邮电出版社，2010.
微波反应的基本原理篇5
了解无取代三唑环的合成和应用
二、实验原理
1,2,4_三唑环中有两个相邻的氮原子,在合成上可以由nH2nH2来提供，通过和其他带有活性基团的化合物如甲酰胺缩合而成．甲酰胺法是目前工业上生产1,2,4-三唑常有的方法．另一类方法是通过1mol的甲酰胺和1mol甲酰胺环和而成．但用这种方法，甲酰肼尚有需要由甲酸甲酯肼来制备，路线较长，成本较前类方法为高．用肼的衍生物（如酰肼）代替肼，可用类似的方法合成取代的三唑化合物。
［应用与发展］
由于三唑环上的1位H具有较强的活性，可与许多亲电试剂发生反应．含三唑环的化合物（以下简称＂三唑＂）广泛用于农药，医药，助剂合成的中间体．
农药工业：用于生产高效，内吸，广谱性三唑类杀菌剂，如三唑酮（商品名粉锈宁），三唑醇（又名多效唑，植物生长调节剂
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和广谱杀菌剂），特效唑（又名烯效唑），Baytan以及氯甲唑等；还可以合成n取代的烷基三唑（植物生长调节的中间体），双三唑基二苯基甲烷植物生长调节剂；合成杀虫剂（如拟除虫菊酯，氨基甲酸酯等）的增效剂等．助剂方面：可用于合成1-羟乙基-1,2,4-三唑。后者可用于作高分子材料的抗静电剂和还氧化树脂的固化剂；用作涂料的添加剂制造防腐涂料；用作合成金属钝化剂于一些功能油、液中，如油、液压系统用液体、金属加工液、变压器及开关油等；还可用作合成纤维质材料的上胶剂或防水剂以及用于造纸和纺织行业．医药方面：三唑与芳基磺酰氯反应可合成1-芳基磺酰-1,2,4-三唑，它具有抑制中枢神经及降低血糖的药效，可用于防治人体皮肤癣症，疗效很好．三唑环与乙炔加压反应可合成乙烯基三唑，用于合成高分子化合物．三唑还可配制铜或铜合金的
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化学抛光剂，用于装饰品、电气用品和照相机零件的抛光．三唑亦可用作热塑性塑料的添加剂、金属腐蚀抑制剂及催化剂等．
甲酰胺法：
三、实验仪器和试剂
带机械搅拌回流装置（尾气吸收），蒸馏装置等
水合肼C.p.80％或工业品甲酰胺C.p.99.5％或工业品无水乙醇
四、实验内容
1,2,4-三唑制备，乙醇重结晶及测熔点。
注：同学们应在实验前认真熟悉所用磨口仪器的安装及其注意事项。
实验十二对氨基苯甲醛的制备及其CD包合物的制备
（设计性实验）
以对硝基甲苯为原料，经多硫化钠催化制对氨基苯甲醛，并制备β—环糊精包合物。查阅文献完成实验设计并进入实验室准备仪器药品进行实验。
实验十三微波辐射合成水解乙酰水杨酸（综合性实验）
一、实验意义及原理
微波是指电磁波谱中位于远红外与无线电波之间的电磁辐射，微波能量对材料有很强的穿透力，能对
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被照射物质产生深层加热作用。对微波加热促进有机反映的机理，目前较为普遍的看法是极性有机分子接受微波辐射的能量后会发生每秒几十亿次的偶极振动，产生热效应，使分子间的相互碰撞及能量交换次数增加，因而使有机反映速度加快。另外，电磁场对反应分子间行为的直接作用而引起的所谓“非热效应”，也是促进有机反应的重要原因。与传统加热法相比，其反应速度可快几倍至上千倍。目前微波辐射已迅速发展成为一项新兴的合成技术[1]。
乙酰水杨酸（aspirin）是人们熟悉的解热镇疼，抗风湿类药物，可由水杨酸和乙酸酣合成得到。乙酰水杨酸的合成涉及水杨酸酚羟基的乙酰化和产品重结晶等操作，该合成被作为基本反应和操作练习而编入大学有机化学实验教材中，现行教材中采用酸催化合成法，它存在着相对反应时间
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长、乙酸酐用量大和副产物多等缺点。本实验参考文献[1~4]，将微波辐射技术用于合成和水解乙酰水杨酸并加以回收利用。和传统方法相比，新型实验具有反应时间短、产率高和物耗低及污染少等特点，体现了新兴技术的运用和大学化学实验绿色化的改革目标。
二、实验目的
学习微波合成及有关反应原理和操作技术。
三、试剂及仪器
1.试剂
水杨酸（a.R），碳酸钠（a.R），盐酸（C.p），氢氧化钠（C.p），95%乙醇（C.p），2%FeCL3,活性炭。
2.仪器
wp750格兰仕微波炉，电子天平，圆底烧瓶（100mL），烧杯（250mL），锥形瓶（100mL），移液管（5mL），减压抽滤装置，红外光谱仪。
四、操作步骤
1.微波辐射碱催化合成乙酰水杨酸实验
在100mL干燥的固底烧瓶中加入2.0g(0.014mol)水杨酸和约0.1g碳酸钠，再用移液管加入2.8mL（3.0g,0.029mol）乙酸酣，振荡，放入微波炉中，在微波辐射输出功率495w（中档）下，微波辐射20~40s.稍冷，加入20mlph=3~4的盐酸水溶液，将混合物在冷水中冷却使之完全结晶。减压过滤，用少量冷却水洗涤
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结晶2~3次，抽干，得乙酰水杨酸粗产品。粗产品用乙醇混合溶剂（1体积95%的乙醇+2体积的水）约16ml重结晶，干燥，得白色晶状乙酰水杨酸2.4g(收率92%)，熔点135~136℃。产品结构还可用2%FeCl3水溶液检验或用红外光谱仪测试。
2.微波辐射水解乙酰水杨酸实验
在100mL锥形瓶中加入2.0g（0.01mol）乙酰水杨酸和40mL0.3mol/LnaoH水溶液，在微波辐射输出功率495w（中档）下，微波辐射40s。冷却后，滴加6mol/LHCi至pH=2~3，置于冰水浴中令其充分析晶，减压过滤，水杨酸粗产品用蒸馏水重结晶，活性炭脱色，干燥，得白色针状水杨酸约1.1g(收率80%)，熔点153~156℃。
五、结果与讨论
1.微波辐射碱催化合成法的优点
通过正交实验，确定了微波辐射碱催化合成乙酰水杨酸的较优条件，以较优条件合成法与传统酸催化法进行比较我，结果见表1。
表1微波辐射碱催化法与传统酸催化法的比较
合成法
水杨酸（g）
乙酸酐（mL）
催化剂
反应时间
产量（g）
合成收率（%）
传统酸催化法
微波碱催化法
2
2
5.0
2.8
H2So4(5滴)
na2Co3(0.1g)
10min
40s
1.5
2.4
57.5
92.0
从
机械工
表1可知，微波辐射碱催化法具有明显的优点：反应时间缩短，酸酐用量减少，合成收率提高。获得较好结果的原因是采用了较好的合成途径和微波辐射技术，碱催化方法可避免副产物（主要是聚水杨酸）的生成，微波辐射技术则大大提高了反应速率。若增大微波辐射功率，则反应时间更短，但从安全角度考虑，我们仅选择中等功率的微波辐射进行实验。
2.微波辐射水解法的优点
根据乙酰水杨酸水解反应参数[4]计算可知，在过量碱存在的条件下，在35℃时乙酰水杨酸完全水解需要1h，在100℃时只需20s。采用传统加热方式加热，整个水解过程需用10min左右。现在采用微波辐射水解，很好地发挥了微波辐射技术加热速度快和加热均匀的特点。实验结果表明，在输出功率为495w的条件下，微波辐射仅40s，水解反应的产率近100%。这一反应可将基础实验中制备的乙酰水杨酸产
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品回收再利用，避免浪费和污染环境，同时也互相间能研究微波合成的技术。
六、注意事项
1.合成乙酰水杨酸的原料水杨酸应当是干燥的，乙酸酐应是新开瓶的。如果打开使用过且已放置较长时间，使用时应当重新蒸馏，收集139~140℃的馏分。
2.乙酰水杨酸易受热分解，因此熔点不是很明显，它的分解温度为128~135℃，熔点文献值为136℃。测定熔点时，应先将热载体加热至120℃左右，然后再放入样品测定。
3.不同品牌的家用微波炉所用微波条件略有不同，微波条件的选定以使反应温度达80~90℃为原则。使用的微波功率一般选择450~500w之间，微波辐射时间为20~40s。此外，微波炉不能长时间空载或近似空载操作，否则可能损坏磁控管。
七、参考文献
[1]GedyeRn,SmithFe,westayKC,etal.theUseofmicrowaveovensforRapidorganicSynthesis.tetrahedronLett,1986,27(3):279~282.
[2]张国升，张懋森.以固体氢氧化钾为催化剂制备乙酰水杨酸.化学试剂,1986,8(4):245~246.
[3]常慧，杨建男.微波辐射快速合成阿斯匹林.化学试剂，2000,22(5):313.
[4]曾宪诚，刘清华，邓郁.乙酰水
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杨酸在CtaB胶束溶液中.
实验十四聚乙烯缩甲醛胶水的制备（综合性实验）
一、实验目的
1.了解聚合物化学反应的基本特征。
2.掌握由聚乙烯醇缩甲醛的方法。
二、实验原理
聚乙烯醇与甲醛H+的催化作用下发生缩合反应
聚乙烯醇与甲醛的缩合反应是分步进行的，首先形成半缩醛（1）、且在H+存在下转化成碳正离子（2）、然后与相邻的羟基作用而得缩醛（3）、式中，RoH代表聚乙烯醇。
聚乙烯醇缩甲醛胶水最初只是代替糨糊及动植物胶，文具胶等来使用，20世纪70年代开始用于民用建设，此后又应用壁纸、玻璃、瓷砖等的粘贴，目前作为胶黏剂也广泛应用于内外墙涂料、水泥地面涂料的基料等。
三、实验仪器与试剂
1.仪器
250ml三口瓶，回流冷凝管，搅拌器，小型水浴，滴液漏斗，温度计。
2.试剂
聚乙烯醇（pVa），37%甲醛水溶液，去离子水，1：4盐酸，8%naoH溶液。
四、实验步骤
在250ml三口瓶中加入7gpVa及70ml去离子水，水浴加热至
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95℃强，搅拌使pVa全部溶解，溶解后将温度降至85℃，加入1：4盐酸0.5ml左右，调节反应体系的pH值为1~3,再加入3ml甲醛（37%），维持90℃下搅拌反应40~60min，体系逐渐变稠，可取少许产品用纸试验其粘接性。当有满意的粘接性后立即加入1.5ml8%naoH溶液，调节反应体系的pH值为8~9，冷却后将无色透明黏稠的液体从三口瓶中倒出，即聚乙烯醇缩甲醛胶水。
五、思考题
1.如何加速pVa的溶解？
2.最后加入naoH的作用是什么？
六、注意事项
1.整个反应过程中搅拌要充分均匀，当体系变黏稠出现气泡或有絮状物产生时应马上加入naoH溶液，终止反应。
2.工业上生产胶水时，为了降低游离甲醛的含量，常在pH值调整至7~8后加入少量尿素，发生脲醛化反应。
七、实验导读胶黏剂的发展概述
凡是能把同种的或不同种的固体材料表面连接在一起的媒介物质统称为胶黏剂，通过胶黏剂的粘接力使固体表面连接在一起的方法叫做粘接或胶
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接。数千年前，人类就注意到自然界中的粘接现象，例如甲壳动物牢固地粘贴于岩石上等。自然界存在的粘接现象启发人类利用粘接作为连接物体的方法。早期的胶黏剂都来源于天然物质，例如用来黏合箭头、矛头的松脂、天然沥青以及骨胶、石灰等。在长期使用天然胶黏剂的时期，粘接技术未能得到显著的发展。直到20世纪初，美国发明酚醛树脂开始，胶黏剂和粘接技术进入了一个崭新的发展时期，在人类社会中占有了重要的地位。
胶黏剂在国民经济各部门中都有着重大作用。例如在航空航天工业、汽车及车辆制造工业、电子电气工业以及医学方面等都有着广泛的应用。现代的航空工业大都使用高性能的酚醛-缩醛类结构胶黏剂。目前，制造每架飞机大约需要400~2200kg的胶黏剂，并且单机使用胶黏剂的数量常常代表一个国家飞机制造工
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业的工艺水平。在电子、电气工业中，胶黏剂主要作为绝缘材料、浸渍材料和灌封材料投入使用，所用的胶黏剂大部分为改性环氧、酚醛-缩醛及有机硅聚合物方面的产品。在医学方面，以各种丙烯酸酯聚合物或单体为基料的胶黏剂有广泛的应用，例如在施行各种骨折接骨手术、胸腔手术中的骨质粘接，皮肤破损的粘接及止血等都是重要的应用范例。
胶黏剂品种繁多，组成不一，主要组分为黏料，加以其他助剂，组成胶黏剂。作为胶黏剂主要组分的黏料，要求有良好的黏附性和润湿性。当今的胶黏剂大都采用合成高分子化合物为助剂，如合成树脂包括热固性树脂、热塑性树脂，合成橡胶如氯丁橡胶、丁腈橡胶、丁基橡胶、聚硫橡胶等。有时合成树脂和合成橡胶如氯丁橡胶、丁腈橡胶、丁基橡胶、聚硫橡胶等。有时合成树脂和合成橡胶相互配合
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以改善胶黏剂的性能。胶黏剂的其他助剂如固化剂和固化促进剂、增塑剂与增韧剂、稀释剂和填料等也是不可或缺的成分。以增塑剂和增韧剂为例，它们的加入可以增加胶层的柔韧性，改善胶黏剂的流动性。有时为了便于涂胶常采用稀释剂来溶解黏料并调节所需要的黏度。其中，活性稀释剂含有反应性基团，既可降低胶黏剂的黏度，制备胶黏剂时又可参与反应，起到双重作用；非活性稀释剂大都是惰性溶剂如乙醇、丙酮、甲苯等，仅起到稀释作用，不参与反应。另外，根据胶黏剂的物理性能还可以加入适量的填料以改善胶黏剂的机械性能和降低成本。根据对胶膜的冲击强度、硬度、耐磨性、导热性等不同的要求，可分别加入玻璃纤维、石英粉、石墨粉、金属粉等填料；为改善胶黏剂的某一性能，还可加入一些特定的添加剂如防老剂、阻燃剂
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、阻聚剂等以改善胶黏剂的耐大气老化性、阻燃性和提高胶黏剂的贮存性。
总之，胶黏剂工业已经成为一个独立性的新兴行业，胶黏剂本身在人类社会生活中正在发挥越来越重要的作用。
实验十五补锌口服液葡萄糖酸锌的综合实验（综合性实验）
一、实验目的
葡萄糖酸锌是近年来开发的的一种补锌四品添加剂。人体缺锌会造成生长停滞、自发性味觉减退或创伤愈合不良等现象，从而发生各种疾病。以往常用硫酸锌作添加剂，但它对人体的肠胃道有一定的刺激作用，而且吸收率也比较低。葡萄糖酸锌则有吸收率高、副作用少、使用方便等特点，是20世纪80年代中期发展起来的一种补锌添加剂，特别是作为儿童食品、糖果的添加剂，应用日趋广泛。
合成葡萄糖酸锌的方法很多，可分为直接合成法和间接合成法两大类。葡萄糖酸锌的纯度分
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析可采用络合滴定法。
通过本实验要求达到如下目的：
（1）学习和掌握合成简单药物的基本方法。
（2）学习并掌握葡萄糖酸锌的合成。
（3）进一步巩固络合滴定分析法。
（4）了解锌的生物意义。
二、实验原理
葡萄糖酸锌为白色或接近白色的结晶性粉末，无臭略有不适味，溶于水，易溶于沸水，15℃时饱和溶液的质量分数为25%，不溶于无水乙醇、氯仿和乙醚。
葡萄糖酸锌是以葡萄糖酸钙和硫酸锌（或硝酸锌）等为原料直接合成。其反应为：
Ca(C6H11o7)2+ZnSo4=Zn(C6H11o7)2+CaSo4
这类方法的缺点是产率低、产品纯度差。
在pH≈10的溶液中，铬黑t（eBt）与Zn+形成比较稳定的酒红色螯合物（Zn-eBt），而eDta与Zn+能形成更为稳定的无色螯合物。因此滴定至终点时，铬黑t便被eDta从Zn-eBt中置换出来，游离的铬黑t在pH值在8～11之间的溶液中呈纯蓝色。
Zn-eBt+eDta=Zn-eDta+eBt
酒红色纯蓝色
葡萄糖酸锌溶液中游离的锌离子也可与eDta形成稳定的络合物，因此eDta滴定法能确定葡萄糖酸锌的含量
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。
三、实验用品
1．仪器
台秤，蒸发皿，布氏漏斗，吸滤瓶，电子天平，滴定管（50mL），移液管（25mL），烧杯，容量瓶。
2．试剂
葡萄糖酸钙，ZnSo4.7H2o，硫酸（1mol/L），乙醇（95%），nH3.H2o-nH4Cl缓冲溶液（pH≈10），活性炭，乙二胺四乙酸二钠盐（简称eDta，aR），Zn粒，氨水（1：1），HCl(6mol/L)，铬黑t（s，1%）。
四、实验步骤
1．葡萄糖酸锌的合成。称取葡萄糖酸钙4.5g，放入50mL烧杯中，加入12mL蒸馏水。另称取Zn-So4.7H2o3.0g，用12mL蒸馏水使之溶解，在不断搅拌下，把ZnSo4溶液逐滴加入葡萄糖酸钙溶液中，加完后在90℃水浴中保温约20min，抽滤除去CaSo4沉淀，溶液转入烧杯，加热近沸，加入少量活性炭脱色，趁热抽滤。滤液冷却至室温，加10mL95%乙醇（降低葡萄糖酸锌的溶解度），并不断搅拌，此时有胶状葡萄糖酸锌析出，充分搅拌后，用倾析法去除乙醇液，得葡萄糖酸锌粗品。
用适量水溶解葡萄糖酸锌粗品，加热（90℃）至溶解，趁热抽滤，滤液冷却至室温，加10mL95%乙醇，充分搅拌，结晶析出后抽滤至干，得精品，在50℃烘干，称量，可得供压制片剂的葡萄糖酸锌。本品可作为
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营养增补剂（锌强化剂）。用于代乳品时，每升代乳品含锌量不得超过6mg。
2．葡萄糖酸锌含量测定：设计eDta滴定法测定葡萄糖酸锌含量的实验步骤。
五、注意事项
（1）反应需在90℃恒温水浴中进行。这是由于温度太高，葡萄糖酸锌会分解，温度太低，则葡萄糖酸锌的溶解度降低。
（2）用乙醇为溶剂进行重结晶时，开始有大量胶状葡萄糖酸锌析出，不易搅拌，可用竹棒代替玻璃棒进行搅拌。乙醇溶液全部回收。
（3）在装柱过程中注意保持液面始终高于树脂层。
（4）配制锌标准溶液时，为防止锌与酸剧烈反应，必须加盖表面皿，定量转移须吹洗表面皿并多次淋洗烧杯。
（5）葡萄糖酸锌加水不溶时，可微热。
六、结果和讨论
（1）计算葡萄糖酸锌的产率。
（2）列表记录eDta标定过程，计算eDta的量浓度。
（3）列表记录葡萄糖酸锌测定过程，计算葡萄糖酸锌产品的纯度。
七、思考题
1．根据葡萄糖酸锌制备的原理和
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步骤，比较直接法和间接法制备葡萄糖酸锌的优缺点。
2．葡萄糖酸锌可以用哪几种方法进行结晶？
3．可否用如下的化合物与葡萄糖酸钙反应来制备葡萄糖酸锌？为什么？
Zno，ZnCo3，ZnCl2，Zn(CH3Coo)2
4．设计一方案制备葡萄糖酸亚铁。
5．试解释以铬黑t为指示剂的标定实验中的几个现象：
（1）滴加氨水至开始出现白色沉淀；
（2）假如缓冲溶液后沉淀又消失；
（3）用eDta标准溶液滴定至溶液由酒红色变为纯蓝色。
6．用铬黑t作指示剂时，为什么要控制pH≈10？
八、参考文献
（1）《无机精细化学品的制备和应用》，熊加林等，北京：化学工业出版社，1999。
微波反应的基本原理篇6
关键词：锌浸出渣，微波干燥，湿基含水率，响应曲面
前言
湿法锌炼金常规工艺产出的酸浸渣，均都采用回转窑或烟化炉处理。酸浸渣经过滤后，含水率约为22~30%，不能直接进行生产，在进行烟化处理之前需进行干燥，将含水率降低至12%以下[1,2]。针对酸浸渣干燥，目前主要采用的工艺及设备为日光干燥、气流干燥、流态化干燥等常规热力干燥方法。日光干燥速率小、时间长，导致干燥效率低、堆场压力大。气流干燥和流态化干燥属于热介质干燥，传热方向与水分扩散方向相反，反方向的温度梯度降低了传质速率[3]。工厂本身的废热余热并不能完全满足干燥需求，需建立庞大的过热蒸汽发生器，带来新的环境污染和产能损失。因此探索锌浸出渣的干燥工艺对促进节能减排具有重要的现实意义。
本文通过对不同功率及物料量下的锌浸出渣的脱水率进行了研究，采用响应曲面法（RSm）对微波辐射时间、物料质量和微波功率等条件进行优化，分析得出最佳工艺条件为以及此条件下的含水率预测值，并采用平行实验对最佳工艺条件进行的验证。
1实验准备实验所用的酸浸渣为云南省云南驰宏锌锗股份有限公司曲靖锌厂厢式压滤机所产的滤饼。采用烘箱烘干法对原料的初始湿基含水率进行了测定。得出原料的平均初始含水率为23.15%。论文格式，湿基含水率。。实验在自制的微波干燥设备中进行，额定功率0-700w，频率2450mHz。
2实验结果及讨论2.1微波功率对含水率的影响分别取200g锌浸出渣，在119w、231w、385w、539w、700w功率条件下，将物料放入微波炉进行干燥，每1min取出一次，迅速称量，时间控制在10S以内，继续放入微波炉中进行干燥。不同功率下物料的湿基含水率变化的曲线如图1所示。
图1不同功率条件下湿基含水率变化曲线
Figure1.effectofmicrowavepoweronthemoisturecontent(w.b)
从图1可以看出微波功率对干燥效果的影响非常显著，700w及539w下脱湿基含水率变化曲线与其他三条曲线差别较大，在3min时就能达到10%。论文格式，湿基含水率。。在119w功率条件下，湿基含水率变化缓慢，在12min后才能含水率从23.16%下降到22.3%；700w功率条件下，容易使物料出现局部温度过高，发生烧焦、冒烟现象。119、231、385、539、700w五个功率条件下，锌浸出渣湿基含水率降低至10%以下所需微波干燥时间分别为38、12、7、5、5min。
2.2物料量对含水率的影响在539w的微波功率条件下，分别将100g、150g、200g、250g、300g、350g锌浸出渣的湿基含水率变化的曲线如图2所示。
图2不同的物料量条件下湿基含水率的变化曲线
Figure2.effectofsamplemassonthemoisturecontent(w.b)
从图2可以看出，质量对脱水率的影响显著。不同质量的脱水率变化趋势均为由平缓→剧烈→平缓，100、150、200、250、300、350g六个物料量条件下锌浸出渣湿基含水率降低至10%以下所需微波干燥时间分别为3、4、5、6、7、8min。论文格式，湿基含水率。。
2.3响应面法优化实验设计综合考虑单因子实验结果，根据中心组合设计原理，采用响应面法在三因素4水平上对微波干燥锌浸出渣工艺条件进行了优化。
对实验数据进行拟合回归，以含水率（Y）为因变量，物料质量（a）,微波功率（B）,时间（C）为自变量建立回归方程为：
Y=16.34+3.81a－4.73B－2.07C+2.09aB+0.49aC－0.68BC－0.97a2－0.67B2+0.034C2
回归方程的可信度分析见表1，其中R2=94.75%,表明94.75%的实验数据可用该模型进行解释，说明方程的可靠性较高。
表1回归方程可信度分析
table.1.Reliabilityofregressionequation
微波反应的基本原理篇7
关键词微环谐振器；生物传感器；微流体通道；倏逝波；免疫球蛋白G
1引言
生化传感器广泛应用于食品安全、药物开发、临床诊断、环境监控等领域。根据输出的物理信号不同可分为光学生物传感器、电化学生物传感器[1]、机械生物传感器（微悬臂梁[2～4]等）及热生物传感器等。与其它类型的生物传感器相比，基于平面光波导的光学生物传感器具有无需标记、成本低、可实时监测、易集成、快速、稳定[5]等优点，在药物筛选、生物制药、环境监测和临床诊断领域得到广泛应用[6]，不仅可与微流体通道系统进行集成，实时监测波导微环表面的物质变化，而且日渐成熟的微电子工艺进一步降低了微环谐振器芯片的加工成本，可实现大批量生产。光波导微环谐振器传感技术在生化测试领域显示出广阔的应用前景[7～9]。
光波导微环谐振器利用光波的倏逝波进行探测。光在介质中传播时，会在两种不同介质的分界面上产生一种称为倏逝波[10]的电磁波，其幅值会随着与分界面相垂直的深度的增大而呈指数形式衰减，而且这种衰减可以通过输出光的共振谱线漂移反映出来。当在微环中传输的光满足公式（1）时，光会发生共振。基于抗原抗体特异性结合的光波导微环免疫生物传感器，是在微环的表面固定一层抗体。当含有目标分子（特异性抗原）的溶液流过微环表面时，固定抗体分子与目标分子发生特异性免疫反应，形成抗原抗体复合物，引起倏逝波变化，波导有效折射率改变，最终在输出端共振波长发生漂移。共振波长由公式（1）给出，通过检测这些性质的改变，就可以获得待测物的变化信息，实现系统传感。所以，可以通过观察芯片输出谱线的变化得到待测物的变化。
λ=2πRneff/m〖FH（1）
其中，R为微环的半径，neff为波导微环的有效折射率，m为共振阶数（m=1，2，3…），λ为微环的共振波长。人免疫球蛋白G（igG）是血清中含量最高的免疫球蛋白，在机体免疫应答中起着重要作用[11]。人表皮生长因子受体2（Her2）是重要的乳腺癌预后判断因子[12]。目前，广泛应于免疫检测抗原或抗体的方法有酶联免疫法、蛋白质芯片法和荧光素标记法等。酶联免疫法检出限较低，但需要对底物进行标记，且底物存在污染，所需样品量大，成本高；蛋白质芯片法与酶联免疫法的检出限相当，但需要利用多个荧光标记物进行标记，而且检测仪器昂贵，成本较高。本研究设计开发了与微环谐振器集成的微流体通道系统，以Sio2为衬底，采用光刻技术，设计和制作了基于Si波导结构的微环谐振器。以不同浓度的酒精溶液为测试对象，研究了微环谐振器对均质溶液的传感性能，并且利用此微环谐振器对人igG和Her2进行实时非标记免疫检测。
2实验部分
2.1仪器与试
m5000CCD光谱仪（北京聚光盈安科技有限公司）；maC50DmCFenn温控器（日本Shimax公司）；调谐光源（瀚宇科技（香港）有限公司）；Bt3002J/YZii1蠕动泵（保定兰格公司）。
人igG、羊抗人igG（antiigG）（上海生工生物工程有限公司）；人Her2蛋白、Her2兔源单克隆抗体（北京义翘神州生物技术有限公司）；牛血清白蛋白（BSa）、3氨丙基三乙氧基硅烷（（3aminopropyl）triethoxysilane，apteS，美国Sigma公司）；磷酸盐缓冲溶液（pBS，4.0gnaCl+0.1gna2Hpo4+1.48gKH2po4・H2o+500mL去离子水，pH7.5）；98%H2So4，30%H2o2，25%戊二醛等其它均为分析纯。实验用水为去离子水。
2.2光波导的制备
制作的光波导微环谐振器如图1a所示，圆形部分为微环波导，微环下方为直波导结构，插图为直波导和微环波导耦合部分的放大图。光波导的基本结构是绝缘体硅结构（Soi），其横截面示意图如图1B所示，由两层原料组成，芯层材料为Si，包层材料为Sio2，折射率分别为3.45和1.44，由于Si和Sio2之间的折射率差（Δn=2.01）较大，Si波导对光场有很大的限制作用。芯层波导厚度为220nm，宽度为450nm，包层厚度为2μm，微环半径为5μm，微环与直波导之间的间距为160nm。
工艺流程如图1C所示，采用光刻技术加工制作[13]，首先在芯片表面旋涂一层280～320nm的光刻胶，90℃烘干90s。电子束曝光之后，显影2.5min，100℃烘干5min，然后在光刻胶的保护下进行等离子干法刻蚀。刻蚀后，将芯片浸在H2So4H2o2（1〖KG-3∶〖KG-51，V/V）溶液中10min，得到实验所需的光波导芯片。
实验装置包括微流体通道系统和光学控制系统两部分[14]。待测液体由蠕动泵控制，经输入导管进入反应腔，再经输出导管流入废液瓶。光由可调谐光源发出后，经由输入光纤进入微环谐振腔，经过一系列的耦合振荡，由输出光纤进入光谱仪。实验过程中，将微流体通道系统置于加载有温控台的三维可调节高精度光学测试平台上，可以精确调节芯片所在位置，使得输入和输出光纤精确的与微环谐振腔对应，提高实验结果的准确度和真实度。
由于微环谐振器具有很高的灵敏度，其输出谱线很容易受到外界因素如振动、温度、灰尘和杂质的影响。实验设计了如图2所示的微流体通道系统。此系统避免了敞开环境中由于液体挥发造成的微环谐振器芯片表面盐分的聚结，屏蔽空气中的各种杂质，而且只需要30μL反应溶液，大大节约了实验成本。经实验考察，选择了容易加工的亚克力材料和具有生物相容性的聚二甲基硅氧烷（pDmS）[15，16]。首先将芯片置于作为衬底的模块上，并将精确加工配合的pDmS置于其上，用另一个模块进行密封，同时，在盖子中留有适合待测物进出的小孔，形成待测物通道。如图2所示，模具只封装了芯片的表面，不仅保护了微环表面，露出了与光纤耦合的输入输出波导，而且形成了供待测物进出的通道，使待测物能够浸润并吸附在微环表面，从而影响芯片的输出谱线。
2.3igG抗体修饰及检测
将刻有微环谐振器的芯片置于“piranhadip”（H2o2H2So4，1〖KG-3∶〖KG-53，V/V）溶液中超声20min，在芯片表面修饰一层羟基组（
Symbolm@@oH）。取出后用大量去离子水冲洗，n2吹干，备用。将芯片置于2.5%（V/V）apteS（H2oethanol，1〖KG-3∶〖KG-5100，V/V）中孵化2h，用大量去离子水冲洗，n2吹干；然后将其浸泡5%（w/V）戊二醛溶液1h，用大量去离子水冲洗，n2吹干。将芯片固定到微流体通道中，反应池的温度控制在（25±0.01）℃，室温控制在（27±0.2）℃，流动泵以恒定速率4.2mL/h通入200μg/mLantiigG中10min，静置1.5h，得到修饰有antiigG的芯片；以pBS流动清洗芯片10min；通入5%（w/V）BSa溶液，静置30min，以pBS流动清洗芯片10min。最后通入一定浓度的igG溶液，利用微环生物传感系统进行实时监测共振谱线的漂移。图3为微环谐振器表面活化和抗体固定的示意图。
3结果与讨论
3.1微流体通道系统和测试温度对微环谐振器性能的影响
在测试器件的生物传感特性之前，首先使用同一个芯片分别在敞开的液体环境和微流体通道系统中对共振谱线漂移进行了实时检测，如图4a所示，所用缓冲液为pBS溶液，在未加微流体通道系统敞开环境中，共振谱线在10min后，约向短波长方向漂移了110pm。检测结束后，芯片表面析出大量盐分，可能是水分挥发导致，盐分析出的过程导致微环表面的有效折射率不断变化，从而导致共振波长的持续漂移；同时，液滴表面张力使得光纤无法精确地对准输入输出光波导，导致无法获得有效的输入输出信号。在微流体通道系统中，不断流动的液体环境和小尺寸的挥发面积使微环一直处于稳定的pBS液体环境中，谱线基本处于平稳状态，偏移量为±4pm。图4B为微流体通道系统在无水乙醇环境中，芯片在未加温控装置的输出谱线漂移与恒温25℃的漂移比较。未加温控装置时，微环的外界环境随着室温不断改变，谱线在30min后，向长波长方向偏移约30pm；恒温25℃时，谱线基本处于平稳状态，偏移量为±4pm。上述结果表明，所构建的微流体通道系统的稳定性良好。
3.2乙醇浓度对微环谐振器性能的影响
如图5所示，随着乙醇溶液浓度提高，波长均向长波方向漂移。由图5B可知，相邻浓度乙醇溶液的谐振波长差约为0.4nm，而且不同浓度乙醇溶液的折射率与芯片的输出谐振波长漂移量有较好的线性对应关系，与微环的一维有效折射率算法理论模型相符[17]。由斜率可知，折射率灵敏度为76.09nm/RiU。实验所用的光谱仪的波长分辨为4pm，可得微环的探测极限为5.25×10Symbolm@@4RiU。因此，此微环谐振器可以对均质溶液进行浓度表征。
3.3微环谐振器对生物分子的定量检测
对实验过程进行实时监测的曲线如图6a，每隔30s取一个点，首先通入pBS，共振波长基本不变；通入antiigG，共振谱线发生漂移，在1.5h后达到稳定，漂移了408pm，说明抗体已经稳定地修饰在微环上，并在该抗体浓度下达到饱和状态。通入pBS，冲洗掉未结合在微环上的抗体，曲线漂移量并没有发生明显改变。而按照图3中的修饰步骤在完全相同条件下采用孔板修饰的芯片，共振谱线只漂移128pm，可能是由于孔板修饰完成后使用pBS进行手动冲洗，可能导致一些已经修饰在微环上的antiigG被冲洗掉。
通入BSa进行封闭，并用pBS冲洗，曲线漂移132pm；依次通入1和5μg/mLigG，在波导表面形成抗原抗体复合物，引起波导表面倏逝波变化，波导有效折射率也发生改变，导致输出端共振波长发生漂移。当微环表面抗原抗体的结合与微流体通道中抗原达到动态平衡时，
微环的谱线漂移也达到平衡，曲线分别漂移了44和90pm，而分别通入pBS，曲线未发生明显漂移，说明igG与固定抗体间发生特异性结合。图6B为0.5，2.5，5.0和10.0μg/mLigG分别与固定的antiigG作用时微环的共振谱线漂移曲线。不同浓度的igG导致微环产生的共振谱线漂移量不同，漂移量随着igG浓度的增加而增大，最终漂移量分别为12，52，64和88pm。上述实验验证了波导微环谐振器用于免标记生物传感的可行性与有效性，表明此微环生物传感器可以对生物分子进行定量检测。
采用同样原理，利用微环谐振器对Her2溶液进行检测，结果如图7所示。在实验中，前20min通入pBS溶液时，曲线处于平稳状态；20min后通入5μg/mLHer2抗原溶液，曲线偏移约130pm，说明抗原抗体结合，导致微环谐振腔覆盖层折射率发生改变，从而导致共振谱线发生漂移。⑿奘斡邢嗤抗体的芯片浸没在不含Her2抗原的pBS溶液中，共振谱线没有发生明显漂移，说明Her2抗原与固定的Her2抗体可以发生特异性结合。
4Y论
本研究构建与微环谐振器集成的微流体通道系统，只需要30μL反应溶液，大大降低了实验成本。同时，以不同浓度的乙醇为测试对象，研究了微环谐振器对均质溶液的传感性能，此传感芯片的检测灵敏度为76.09nm/RiU，检出限为525×10Symbolm@@4RiU。利用此传感方法对igG和Her2进行实时免疫监测，可以检测500ng/mLigG标准样品。本方法具有小面积、易集成、灵敏度高等优点。本研究结果表明，光波导微环谐振器可以实现生物传感，对生物分子进行实时监测。
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abstractthemicrofluidicchannelsintegratedwithmicroringresonatorweredesigned.thesaltcoalescenceonchipsurfacecausedbyliquidvolatilizationinopenenvironmentwasavoidedandonly30μLofreactionsolutionwasconsumed.thesechannelssignificantlyreducedtheexperimentcost.thedesign，fabricationandcharacterizationofahighlysensitiveandlabelfreesilicononinsulator（Soi）microringopticalresonatorintegratedwiththemicrofluidicchannelsweredemonstrated.theradiusofthemicroringwas5μmandthestraightwaveguidewithawidthof450nmwasemployedinthemicroringresonator.themicroringresonatordevicehadmanyadvantagessuchashighsensitivity，labelfreeandrealtimedetection.Usingdifferentconcentrationsofethanolsolutionwithknownrefractiveindices，therefractiveindexdetectionsensitivitywas76.09nm/RiUandthevolumerefractiveindexdetectionlimitwas5.25×10Symbolm@@4RiU.wealsodemonstratedthelabelfreequantitativespecificdetectionsofhumanimmunoglobulinG（igG）solutionsusinganantibodymodifiedmicroringresonatorbymeasuringtheresonancewavelengthshiftresultingfromrefractionindexchangescausingbytheimmobilizationofantibodiesandspecificrecognitionbetweenantibodiesandantigens，respectively.theresultsshowedthatthemicroringopticalresonatorcouldrealtimemonitorthereactionbetweenbiologicalmolecules，theresonatorcouldbeusedinthequantitativedetectionandbiologicalsensing.
Keywords2Siliconmicroringopticalresonator；Biosensor；microfluidics；evanescentwave；immunoglobulinG
微波反应的基本原理篇8
进入21世纪,高效、节能、环保已成为开发新兴工业技术的基本理念。在节能和反应控制优化方面,微波技术和超声波技术已被证明为是非常有效的工业技术,但是这两类技术在应用过程中存在各自的局限性,如果能在同一装置上同步使用微波和超声波,由于微波和超声波活化能量性质不同,其联合使用时可以在改善加热和能量转移时发挥各自的优势,从而大幅度提高能量使用效率,降低能量损耗,改善产物质量。其在许多工业领域有良好的应用前景,有可能成为一种新兴的高效环保的绿色工业技术。
1微波加热的原理和特性
微波是一种非电离的电磁辐射,是频率为300mHz～300GHz的电磁波,介于红外线和无线电波之间。微波加热的特性是来源于电磁辐射和物质相互作用中的能量转化引起的发热,大多数物质被微波加热时主要是通过绝缘加热作用,微波产生最有效的绝缘加热频率为0.915到2.45GHz[1,2]。微波辐射的激发会导致分子在外磁场内调整其偶极子,由于电场诱导的极化和重定向现象,大多数微波和物质中的反应产生了化学联系,因此,20世纪80年代以来,发展了一门新兴学科——微波化学。微波反应器应用于有机化学合成、无机化学合成和有机提取领域,大大提高了化学反应效率。微波反应器的设计需要考虑以下技术要求:(1)电场分布均匀,反应器需要能够独立搅拌混合;(2)在考虑到微波的穿透深度后优化设计反应器的几何尺寸;(3)能够对反应器内温度和压力控制参数进行监控;(4)反应器和配件的成本;(5)微波外泄和安全隐患。目前微波技术研究的热点领域包括:微波与光化学;微波与压力;微波与高温合成;微波与等离子体;微波与真空。
2微波技术的应用
微波技术具有以下优势:(1)快速能量转移;(2)大容积和选择性加热;(3)加热均匀;(4)高生产效率;(5)快速的开启关闭控制;(6)更加紧凑的设备;(7)环保。图1为目前工业中使用的多模式微波反应器[2]。
目前微波在科学和工业领域得到广泛应用。在食品工业中,微波代替常规烤箱加热、干燥、解冻和蒸汽灭菌,可以选择性调味、调色、避免食物的崩裂等。在橡胶工业中,微波替代传统的使用热空气或者盐浴硫化器进行橡胶脱硫。在木材加工业中,温和的微波干燥条件能够使产品质地均一,可以把油漆中的残余水降到2%以下。在环保工业中,微波应用于市政垃圾处理、医院垃圾处理、核污染处理、高毒性物质的处理、塑料回收处理等,能够节约50%的垃圾处理成本。在生物制药领域中,利用微波的反射、穿透、吸收、热效应和渗透速度快等特点,将生物组织和细胞中的生理活性物质提取出来,可以显著提高目标成分的提取量,减少提取溶剂的使用。此外,微波技术在纺织工业、皮革加工、陶瓷工业中也有非常广泛的应用。
3超声波的原理和特性
超声波是指频率高于20kHz的声波,其频率下限高于人的听觉上限。超声波是一种波动形式,它可以作为探测与负载信息的载体或媒介,同时又是一种能量形式,当其强度超过一定值时,它就可以通过与传播超声波的媒质的相互作用,去影响,改变以致破坏后者的状态、性质及结构。当超声波在介质中传播时,可以与介质相互作用使介质发生物理的和化学效应,具体有以下效应:(1)机械效应。超声波的机械作用可促成液体的乳化、凝胶的液化和固体的分散。(2)化学效应。超声波的作用可促使发生或加速某些化学反应,还可加速许多化学物质的水解、分解和聚合过程,超声波对光化学和电化学过程也有明显影响。(3)热效应。由于超声波频率高,能量大,被介质吸收时能产生显著的热效应。(4)空化作用。当超声波振动在液体中传播的音波压强达到一个大气压时,其功率密度为0.35w/cm2,由于液体微粒的剧烈振动,会在液体内部产生大量微小空洞。
4超声波技术的应用
超声波是一种波动形式,它既可以作为探测与负载信息的载体或媒介(如医学中的超声诊断),同时又是一种能量形式,当其强度超过一定值时,它就可以通过与传播超声波的媒质的相互作用,去影响,改变以致破坏后者的状态、性质及结构(如超声化学作用、医学超声治疗等)。因此,超声波目前广泛应用于化学(合成化学、电化学)、医学(超声影像学、超声治疗)、药学(超声药物输送、天然药物超声提取)等学科领域。尤其超声波清洗技术,由于超声波清洗速度快、质量好,又能大大降低环境污染,已成为电子工业、机械工业、纺织工业、化学工业等以及日常生活中不可缺少的实用技术。
罗马尼亚开发的静态超声反应器可以使从植物中提取药用成分的时间从28天缩短至10小时。prosonix公司开发的prosonitronp500超声反应器应用于晶体结晶,可以实现无种子诱导结晶和精确控制结晶粒径。Hielscher公司制造的世界最大功率(16,000w)超声反应器,被设计成三到四个单元,可以对大体积的流体进行均质、分散处理,处理量可达50m3/h。
5微波-超声波联用技术的提出和发展
将微波和超声技术联合使用会产生什么效果?上世纪八十年代末,意大利和法国科学家提出了微波和超声波联合使用的概念。从作用原理分析,两种技术是互补的,微波提供了对固体颗粒间接性加热和选择性加热的可能性,超声产生的空化作用则可以提供大量集中释放的能量[3]。两种技术联合使用时在改善加热和能量转移时能够发挥各自的优势,提高能量使用效率,降低能量损耗,改善产物质量。
1995年,JacquesBerlan等首先制造出了实验规模的微波-超声波混合反应器模型。但是,实用化的微波-超声波混合反应器的制造还存在许多技术难题,例如,如何将金属超声装置放置在微波区域。人们提出了一些解决方案:包括:微波和超声波使用分开的反应器,通过循环泵将液体从一个反应器运送到另一个反应器中;使用单个反应器同步内置超声和微波。在此基础上,科学家设计了不同结构的微波-超声波联用反应器。在新型微波-超声波联用反应器中,微波能量由外部产生并且由外部循环波导引导进入到反应器内部并在反应器中心定位。另一种是在反应混合物内同步采用微波天线和超声传感器,这种结构可以避免微波从反应器内泄漏的危险,并且在超声强度大的时候微波天线不会受到影响。
目前,微波-超声波联用技术已展示了良好的应用前景,Cravotto和Cintas等将微波-超声波联用技术应用于化学领域,结果发现两种能量的结合能够促使大量的化学反应发生,还可应用于天然产物的提取和化学分析的样品准备。
近年来,我国已有少量关于微波-超声波联用技术应用的研究报道。如肖谷清等采用微波-超声波联用技术萃取中药黄连中的总生物碱。杨胜丹等对采用微波-超声波联用技术进行中药有效成分提取的研究工作进行了综述。微波-超声波联用技术在中药和天然产物活性成分提取中显示了巨大的优势。可以充分利用超声波产生的强烈振动、空化效应、搅拌作用,和微波的反射、穿透、吸收、热效应和渗透速度快等特点,显著提高活性成分的提取量,缩短提取时间,同时,减少提取溶剂的使用,减少环境污染。陈东莲等报道采用微波-超声波联用技术从醋酸乙烯废触媒中回收活性炭。
6结语
微波和超声波联用技术已向我们展现出诱人的应用前景,但是这一新兴技术距离实际应用还有大量的技术难题等待解决,如微波和超声波联用反应器高性能材料的获得、金属超声波装置与微波装置的匹配、如何有效避免反应器内微波的泄漏、反应器的同步加热操作和对温度的控制等。目前微波和超声波联用反应器还处于实验室研究的阶段,但是,有一点我们确信不疑,一种高效环保的绿色工业技术正在向我们走来。
微波反应的基本原理篇9
关键词:微动勘探技术，土木工程，观测点，地震仪
近年来，城市建设的进程日益加快，通常需要结合地表地下结构数据，比如大型建筑场所在勘探地质过程中需要了解土层构成，需要勘探场地上有没有软土层;在城市活动断层分析过程中，需要对断层断点处的地理方位进行识别等，要完成这些任务往往要在场地摆置非常多的钻井，同时抽取岩芯进行研究;而钻孔存在着资金成本高、时间长等弊端。而微动勘探方法就非常好地解决了这些问题，微动勘探方法利用提取所测场的土层变化曲线，通过这些曲线反演来计算出土层速度和土层结构。因为该方法主要是通过地下横波速度构成来分析场地构成的，所以在测试场地中有低速土层等，在识别这些土层的详细方位时非常精确。
1微动勘探技术的形成和发展
在土木工程领域，因为利用p—S波来测井这种方式存在着成本高、周期长等缺点，除此之外，利用反射法勘查地质构成这一方法还存在着其技术要求比较严格，对环境破坏性大等问题。在这种形势下，一种新型的勘探方式出现了———微动勘探技术，该方法通过指定的检波器，指定的观测台阵获得这种来自地球的微动信号，接下来通过数据提取来分析面波信号，然后利用反演获得地下横波组织结构。
2微动勘探原理
2．1微动勘探原理
地球表面每时每刻都存在着人类不易觉察的震动，我们称之为微动。微动信号并非人为，其源自于大自然和人类活动，比如天气变化或者潮涨潮汐等。而人类活动主要包括机车、生产活动等，其频率往往超出了1Hz。微动并没有既定的震源，震动波主要是取决于测试点的周围，从而勘探出跟地球相关的有用资讯。微动勘探方法通过指定的仪器，指定的观测台阵来获取来自地球的微动波，接下来通过计算方法来得出面波信号，利用反演方式得出横波速度，从而实现对地质构成的勘探。
2．2微动勘探技术方法
微动是通过体波(p波与S波)与面波(瑞利波与拉夫波)构成的复杂震动，同时面波的能量占整个信号能量的60%以上。即使微动信号的震动幅度和震动频率并不遵循一定的规律，可是通过指定的地理范围能计算出其平稳特征，利用时间与地理上的平稳随机环节来证明。微动勘探方法利用平稳随机环节作为数据参考，通过微动信号来提取频散曲线，然后利用频散曲线的反演方式，来计算出地下成分的横波速度，从而达到勘察目的。
3微动勘探技术在土木工程领域的使用详情
3．1阵列设计与观测
微动勘探是基于阵列设计和阵列形状的。目前，地质结构信息比较丰富，在一定程度上可以事先估算出地下结构，按照感度分析法完成定量策划。假如地质信息不足，不能事先估算出地质构成，可以通过跟勘探长短相同的阵列长度。在通常情况下会通过二重正三角形，即同一个圆心位置放置地震仪，同时在两个同心圆里面分别摆放三个地震仪。微动勘探利用地震仪的宽频带特点，因此需要地震仪有着非常高的统一性，一般情况下，地震仪的统一性需要高出0．9。微动勘探过程中每个机器都是独自运行的。为了使每个观测点同步进行，日本国家普遍会通过卫星标准信号来对仪器的精确度进行验证和调校。
3．2F—K法
现如今，F—K法与相关法在微动勘探技术中比较常用。F—K法在20世纪60年代的时候形成。在20世纪60年代，美国为了实现对其他国家核武器的监督和控制，其地震观测网的直径超出了400km。为了获得核武器基地所发出的信号，美国研发了F—K，从此该方法就形成了，并且在土木工程领域得到了广泛的应用。
3．3自相关法
自相关法利用定义而得出。假如在空间领域微动信号符合随机过程，除此之外微动中所有占优波形成一个面波震动。假如满足以上条件，那么圆形观测矩阵中的全部点和与中心点信号相关的函数平均值就可以计算出来。不论在上述哪种方法中，务必得出任意两点所观测到的定义交叉谱与功率谱。采取的测试办法不同，利用频散曲线得出的结果值也会存在一定差距，可是总体上跟最终测试结果出入不大。
3．4基于反演方式得出的地下横波速度
由于地质结构较为复杂，一般情况下会通过地下模型来分析和研究地下构成，利用该模型可以算出频散曲线值，然后通过反演方法计算出地下横波速度。不论工程大小，其频散曲线反演方法是一样的，往往利用最小二乘法。可是这种方式是依托初始模型才能得出稳定实用的解，这在土木工程中完成地下构成的勘测并不容易。目前，相关领域的专家和学者基于遗传算法发明了一种新的计算方法，这种方法对最初模型的精确度要求并不高，推演环节也比较可靠，作为目前计算地下横波速度值的主要方法。
4微动勘探方法在土木工程领域中的特征
1)土木工程领域中，所需要的勘探设备比较简单，往往需要勘探仪器实用性强。微动勘探方法往往需要超出3个以上的地震仪器就可以进行现场勘测。假如利用7个地震仪器，可以摆放成同心正三角形，那么仅仅需要3d左右的时间就可以实现对地下横波速度的测试。2)对周围施工环境没有任何要求，特别是车流量比较大的繁华街区，微动勘探技术跟之前的反射法有着本质的区分。微动勘探法利用信号源就可以实现勘测。如果在繁华的市中心进行勘测，不会影响勘测结果，而且来自机动车辆的噪声还为勘测提供了大量的勘测信号。3)微动勘测方法并不是主动勘测，因此对四周的生态环境不会造成任何破坏作用，特别是对国家生态保护区进行勘探，该方法非常适用。4)微动勘探方法得出的勘测结果准确性和分辨率都比较高，基于微动勘探方法和钻孔方法，可以制作出地下二维和三维组织模型。5)基于微动勘探方法得出的地下结构和p—S方法所获得值非常接近，因此该方法的精确度非常高。
5结语
微动勘探方法在土木工程领域中，所需要的测量设施并不复杂，而且资金成本也不高，有着测试周期短，对施工环境没有任何要求，对生态环境不会造成破坏等特征。因此微动勘探技术在土木工程领域凭借着其他技术无法媲美的特性，必将在土木工程领域成为主流勘探方法。
参考文献:
微波反应的基本原理篇10
关键词物理法；淀粉；反应活性；改性
中图分类号tS234文献标识码a文章编号1007-5739（2013）14-0267-03
天然淀粉由于不溶于冷水、淀粉糊易老化、在低温下易发生凝沉、成膜性差等缺陷，使其在实际中的应用范围受到了限制。因此，有必要对淀粉进行变性处理以改变其结构，使其具有更优良的性质，适应现代化工业新技术、新工艺的要求。可用物理法、化学法、生物法使淀粉变性，如通过加热、酸、碱、氧化剂、酶制剂以及具有各种官能团的有机试剂来改变淀粉的天然性质，制备变性淀粉，以增强某些功能，引进新的特性，扩大淀粉的应用范围。该文综述了近年来国内外淀粉物理改性的研究进展，以为提高淀粉反应活性提供依据。
1机械活化处理
机械活化（mechanicalactivation）是淀粉物理改性方法的一种，属于机械化学的范畴，是指通过摩擦、碰撞、冲击、剪切等机械力作用于固体颗粒物质，改变其晶体结构及物化性，使部分机械能转变成物质的内能，从而增加固体的化学活性[1]。
国际上机械活化主要采用球磨机，目前使用的球磨机可以分为普通球磨机和高能球磨机2类。而常用的高能球磨机又分为搅拌式、行星式和振动式3种。球磨机主要依靠球磨介质对物料的冲击和摩擦，利用研磨体与球磨内壁的挤压力与剪切力来粉碎物料[2]，既可用于干磨也可用于湿磨，研磨效果强于气流粉碎[3]。
陈渊等[4]研究经机械活化预处理后的玉米淀粉乙酰化反应的规律，发现机械活化能显著提高玉米淀粉乙酰化反应的取代度，缩短了反应时间，降低了反应温度，降低了对催化剂和醋酸酐用量依赖性。活化时间超过30min后，取代度趋于稳定。机械活化作用能破坏玉米淀粉的结晶结构，降低了反应试剂的扩散阻力，乙酰化试剂更易渗透到颗粒内部，增大了乙酰化反应进行的几率，有效地提高了玉米淀粉的化学反应活性。
胡华宇等[5]以木薯淀粉为原料，采用边活化边反应的方法开展机械活化固相制备月桂酸淀粉酯的研究，发现机械活化1h，其取代度最大，反应时间过长，破碎的淀粉小颗粒在机械力作用下部分重新发生团聚，反而不利于月桂酸与淀粉颗粒接触；另一方面，反应时间延长，脱水、缩合等副反应增多，形成的淀粉月桂酸酯在强机械力作用下也易结块变性，造成产量的下降。
谭义秋等[6]以机械活化木薯淀粉为原料，以CuSo4作为催化剂，以H2o2为氧化剂采用干法制备氧化淀粉，对由不同活化时间木薯淀粉制备的氧化淀粉的溶解度、表观黏度、透明度、冻融稳定性、凝沉性等理化性质进行研究，结果发现机械活化预处理对木薯淀粉氧化产物的理化性质可产生显著的影响，随着机械活化时间的延长，氧化淀粉的溶解度、透明度增大，表观黏度降低，冻融稳定性减弱，凝沉性增强。
2微波处理
微波（microwave，mw）即指频率在300mHz～300GHz，波长在1～1000mm范围内的超高频电磁波。在一定频率的微波辐照下，介质发生热效应和电磁效应。微波热效应是介质内部无温度梯度加热方式，因在极性高频变换的微波场中，介质分子做有序高频振动，相互碰撞、挤压和摩擦，分子具有的动能转变成热能，介质升温；微波同时还引起介质化学反应动力学变化，使介质反应速度加快或分子结构发生改变[7]。
薛秀梅[8]采用微波干法制备辛烯基琥珀酸淀粉脂，研究微波功率（240～1000w）、微波反应时间（2～4min）、碱化剂类型和用量、淀粉的水分质量分数（10%～35%）对产品取代度的影响，发现微波干法合成辛烯基琥珀酸玉米淀粉酯的最佳条件即微波反应功率为800w，微波辐射时间为3.5min，淀粉的水分质量分数为12%，碱化剂质量分数为2%（以淀粉干基计），稀释剂倍数为4倍，碱化剂类型为碳酸钠，稀释剂类型为无水乙醇，原淀粉类型为玉米淀粉，oSa的添加量为3%（以淀粉干基计）。按照最佳条件，得到最终产品的取代度、反应效率分别为0.017、75%。
Staroszczyketal[9]用四羟琥珀酸钠采用微波固态辅助制备富锌马铃薯淀粉，并与常规加热方法制备的富锌马铃薯淀粉做对照，微波辅助加工比常规加热方法进行的更快，反应时间从120min减少到30min。微波辐射条件不同，形成的产品也不同，微波功率700w，微波辐射时间1min条件下形成的是单酯，而微波功率450w，微波辐射时间为30min或在100℃下常规加热120min，会导致分子间的交联，得到的产品是交联淀粉酯。
3超声波处理
超声波是机械波，波长为0.01～10.00cm，频率为20～106kHz，波速为1500m/s[10]。超声波在传播过程中与媒介相互作用，相位和振幅发生变化，改变媒质的物理、化学、生物特性或状态，或加快这种改变的过程，进而产生力学、热学、化学和生物效应等一系列效应。这些效应可归结为热作用、机械作用、空化作用3种基本作用。
超声波处理是用于淀粉改性的一种新型物理方法，其主要作用机理是自由基氧化还原反应和机械性断键作用。自由基氧化还原反应主要是由于液体在超声波作用下产生空化效应而引起[11]；机械性断键作用是由于物质的质点在超声波中具有极高运动加速度，产生激烈而快速变化的机械运动，分子在介质中随着波动的高速振动及剪切力作用而降解。
赵奕玲等[12]研究超声处理时间、超声处理功率、分散介质种类及分散介质浓度对磷酸酯淀粉取代度和黏度的影响。发现超声波对木薯淀粉磷酸化有显著强化作用，木薯淀粉分散在20%乙醇中，采用功率为300w的超声波作用2.5min，然后抽滤，于45℃下干燥保存待用，采用此预处理过的木薯淀粉制得磷酸酯淀粉的取代度比相同反应条件下未经超声处理制得样品提高25%；超声处理通过破坏淀粉颗粒结晶区，增加直链淀粉含量，降低淀粉的聚合度，进而大大降低了磷酸酯淀粉的黏度。
蓝平等[13]研究了超声波作用对木薯淀粉化学反应性能的影响，发现超声波作用的木薯淀粉颗粒基本保持着原木薯淀粉的颗粒形状，而木薯淀粉颗粒的偏光十字特征减弱或消失；超声波可降低木薯淀粉的红外结晶指数，使木薯淀粉颗粒表面不再圆滑平整。超声波作用后的木薯淀粉与原木薯淀粉分别合成羟丙基淀粉，羟丙基淀粉的取代度分别为0.1895、0.0725，说明超声波通过破坏木薯淀粉颗粒结晶结构使反应试剂更易进入淀粉颗粒内部进行反应，增强了木薯淀粉的反应性能。
4热液处理
热液处理是指在过量或中等的水存在的情况下（含水量≥40%），在一定的温度范围内（高于玻璃化转变温度但低于糊化温度）处理淀粉的一种物理方法。按照热液处理温度和淀粉乳水分含量的不同，淀粉的热液处理可以分为湿热处理、韧化、压热处理。湿热处理是指在水分含量低于35%（w/w），在一定的温度范围（高于玻璃化转变温度但低于糊化温度）处理淀粉的一种物理方法；韧化是指在过量或中等的水存在的情况下（含水量≥40%），在一定的温度范围内（高于玻璃化转变温度但低于糊化温度）处理淀粉的一种物理方法；压热处理则是在加压或减压的条件下对淀粉进行湿热处理。淀粉在湿热处理过程中，支淀粉的α-1，6糖苷键由于热能和水分的相互作用而被破坏，同时α-1，4糖苷键也裂解。可见，湿热处理较大地影响了淀粉的结构和物理化学性质[14]。
高群玉等[15]将水分含量为30%的玉米淀粉在100℃下反应10h，冷却后取出烘干，然后过100目筛，即得到湿热处理后的淀粉样品，以此作为材料研究了湿热处理对蜡质玉米淀粉性质及羧甲基反应活性的影响。结果表明，经湿热处理后，蜡质玉米淀粉的颗粒形貌基本没发生变化，偏光十字未消失，但表面出现了一些裂纹；湿热处理没能改变蜡质玉米淀粉的晶型，但晶体结构变强，糊化温度升高，糊黏度降低。经湿热处理后淀粉中直链淀粉含量增加，羧甲基反应活性降低。
5超高压处理
食品超高压处理就是使用100mpa以上（100～1000mpa）的压力（一般是静水压），在常温下或较低温度下处理食品物料，以达到灭菌、物料改性和改变食品的某些理化反应速度的目的[16]。超高压处理过程是一个纯物理过程，瞬间压缩、作用均匀、操作安全、耗能低，处理过程中不伴随化学变化的发生，有利于生态环境的保护。
Kimetal[17]研究了超高压（压力水平和压力保持时间）对玉米淀粉环氧丙烷（一种慢反应试剂）取代反应活性的影响。发现玉米淀粉与环氧丙烷在0.1～400.0mpa下反应15min，随着压力水平的增加，淀粉的反应活性逐渐增强，反应时间逐渐缩短。玉米淀粉与环氧丙烷在400mpa下反应5～25min，发现压力水平对淀粉反应活性的影响要大于压力维持时间对淀粉反应活性的影响。
Choietal[18]研究了超高压对淀粉反应活性和乙酰化反应的影响，玉米淀粉与乙酸酐在压力范围为0.1～400.0mpa条件下反应15min；并与传统反应（60℃，30min）做对照。对于超高压辅助乙酰化淀粉来说，取代度随着压力水平（200～400mpa）的升高而增大，在400mpa时反应活性最大，但仍低于对照组的取代度，乙酰化淀粉的糊化特性受超高压处理的影响较小。
6超临界流体处理
物质的超临界状态是指温度和压力分别高于其临界温度和临界压力，而密度高于其临界密度的物质的状态。超临界流体的密度与液体溶剂相接近，并具有液体溶剂的溶解特性，所以超临界流体呈现出较强的溶解能力。常用的超临界流体有Co2、乙烷、丙烷等。Co2的超临界状态（tC=31℃，pc=7.38mpa）在实验室很容易达到，因此超临界Co2是最常用的超临界流体。超临界Co2在聚合反应和聚合物加工中的应用受到了广泛的关注，在多糖（如甲壳素、纤维素和淀粉等）的化学改性和物理改性中是一种良好的溶剂和加工助剂[19]。
muljanaetal[20]用超临界Co2流体作为溶剂合成脂肪酸马铃薯淀粉脂。研究了压力（6～25mpa）、温度（120～150℃）和碱性催化剂种类对取代度的影响。在6～8mpa下取代度随着压力的升高而增大，这可能是与超临界Co2在淀粉晶格中的塑化效应有关，增加了反应试剂进入淀粉颗粒的扩散速率，从而导致取代度增加；当压力大于8mpa时，取代度明显下降，可能是因为月桂酸乙烯酯在淀粉晶格和溶剂之间的有效分配的变化或是压力大于8mpa时压缩效应引起淀粉晶格的自由体积的减少。
7反应挤出
反应挤出（reactiveextrusion，即ReX）是指在挤出加工的同时，聚合物单体或聚合物熔体在螺杆挤出机内发生物理变化和化学反应，从而直接获得高聚物或制品的一种新的工艺方法。单螺杆挤出机和双螺杆挤出机是最常见的反应挤出设备[21]。目前反应挤出技术已广泛应用于聚合物的合成、共混改性、交联/偶联反应和可控降解等方面。尽管反应挤出在淀粉改性中应用还不是很广泛，但它有很大的发展潜力。
Ferdinandetal（1990）及Rizvietal（1992）将超临界Co2流体与挤压膨化相结合，使挤压膨化机的模头处挤压温度在100℃以下，以此成功获得膨化物料并且其质量优于传统产品。超临界Co2流体与挤压膨化组合技术既能发挥螺杆挤压膨化技术的优点，又能利用超临界Co2流体的特殊的溶解、萃取特性，使物料与热敏组分在短时、低温状态下挤压膨化[22]。
manoietal[23]采用超临界流体挤压制备淀粉磷酸酯。淀粉与9%（淀粉基）三偏磷酸钠混合，在60～70℃下，用0.1mol/L或0.2mol/LnaoH溶液和0～1.5%（干式送料）超临界二氧化碳（SC-Co2）进行挤出。研究了挤出淀粉磷酸酯的理化特性和形貌特征，并与挤出淀粉和未挤出淀粉做比较。用0.2mol/LnaoH制备的淀粉磷酸酯的取代度（DS=0.05）和磷含量（p=0.92%）最高，说明此时的交联水平最高。磷酸交联引入限制了分子结构的流动性，导致糊化温度升高（升高7℃）。以超临界Co2制备的轻质无孔的整皮淀粉泡沫具有良好的防水性，可作为一种理想的生物可降解材料，具有广阔的发展空间。
o′Brienetal[24]研究了挤压淀粉磷酸酯在持续药物释放赋形剂中的应用。试验以不同植物来源的不同直链淀粉含量的淀粉为原料，采用反应挤出法分别在pH值为9或11的条件下制备淀粉磷酸酯。结果发现在pH值为9时制备的淀粉磷酸酯的磷含量高于在pH值为11时制备的淀粉磷酸酯的磷含量。反应挤出生产的淀粉压出胶，在形成凝胶时能够维持酒石酸美托洛尔缓释（mpt）。研究发现通过磷酸化反应改性得到的水凝胶的结构特点能够改变药物在溶胀矩阵中的释放动力学。在pH值为9时的糯玉米淀粉磷酸化以及在pH值为11时的普通玉米和马铃薯淀粉磷酸化表现出高密度的交叉链接和较强的链缠结。在pH值为9时糯玉米淀粉磷酸化，表现出对药物释放的最低程度。支链淀粉分子的分支链之间的缠绕可能在控制mpt释放中发挥作用。
8展望
采用物理手段对淀粉进行预处理，或者采用物理手段和化学手段同时对淀粉进行改性，既可缩短反应时间，提高反应效率，也能为变性淀粉开辟新的发展空间，拓展更多新的变性淀粉品种，以满足日益增长的市场需求。近年来的研究表明，物理手段可以破坏淀粉的结晶结构，在提高淀粉反应活性等方面拥有巨大潜力，因此相关领域的研究工作渐趋升温，但在总体上尚处在起步阶段，距离实际应用尚需假以时日[25-27]。
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