一种水分子数目选择器和一种水分子数目选择的方法

技术领域

本发明涉及水的处理装置，具体涉及一种水分子数目选择器和一种水分子数 目选择的方法。

背景技术

研究发现，自然界的水并不是以单一水分子(H₂O)的形式存在，而是以多种 构型的分子簇形式(H₂O)_n存在，即若干个水分子通过氢健作用在一起。分子簇由 不同数目的水分子构成，具有不同的质量。

然而不经过数目选择的水分子簇含有多种构型，给水分子科学的研究带来了 极大的困难。通常小数目的水分子簇由于易于渗透、被吸收，才是生物体生命活 动的研究重点。因此有必要提供一种能够分离不同数目的水分子簇的水分子数目 选择方法及装置，便于水分子科学的研究。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种水分子数目选择器和一种水分子数目选 择方法。水分子经过所述水分子数目选择器，可以得到一定数目的水分子簇，进 而确定水分子簇的构型，便于研究单一构型的水分子簇的各种性质。

本发明第一方面提供了一种水分子数目选择器，包括水蒸气流生成器、准直 器、惰性气体流生成器、气流交汇腔和角度选择器，其中，所述水蒸气流生成器 用于产生水蒸气流，所述水蒸气流生成器上设有出气口，所述准直器包括相对设 置的第一端面和第二端面，所述第一端面与所述第二端面上相对设置有输入孔和 输出孔，所述第一端面与所述水蒸气流生成器连接，所述第二端面与所述气流交 汇腔连接，所述气流交汇腔上开设有与所述输出孔相对应的第一开孔，所述水蒸 气流依次经由所述出气口、所述准直器的输入孔、输出孔及所述第一开孔射入所 述气流交汇腔；

所述惰性气体流生成器用于产生惰性气体流，所述惰性气体流生成器上设有 开气口，所述气流交汇腔上开设有与所述开气口相对应的第二开孔，所述惰性气 体流经由所述开气口与所述第二开孔射入所述气流交汇腔，并且所述惰性气体流 的射入方向与所述水蒸气流的射入方向垂直；所述水蒸气流与所述惰性气体流在 所述气流交汇腔发生弹性碰撞，得到含不同水分子数目的水分子簇；所述气流交 汇腔上开设有至少一个第三开孔，所述角度选择器包括相对设置的第一端面和第 二端面，所述第一端面与所述第二端面上相对设置有进口和出口，所述第一端面 在所述第三开孔处与所述气流交汇腔连接，所述角度选择器与所述准直器的夹角 为钝角，所述水分子簇依次经由所述第三开孔、所述角度选择器的进口和出口而 射出。

优选地，所述水分子数目选择器还包括真空系统，用于提供水分子数目选择 器所需的真空环境。

优选地，所述真空系统的真空环境由分子泵提供，真空度为10^-6Pa。

真空系统可避免外界条件变化、其他气体等对碰撞等产生的影响，确保只有 水蒸气和惰性气体发生碰撞。

优选地，所述真空系统可开设在气流交汇腔或角度选择器上，由于所述水分 子数目选择器的6个部件是互相联通的，因此可提供水分子数目选择器的整个内 部腔道所需的真空环境。

所述水分子数目选择器可放置于支撑台上，并可用夹持部件对所述气流交汇 腔进行固定，以提供一个稳定的碰撞环境。

优选地，所述角度选择器与所述惰性气体流的射入方向的夹角为锐角或钝 角。

如本发明所述的，所述准直器用于准直所述水蒸气流，使其沿准直器的第一、 第二端面中心轴的连线方向流动。

优选地，所述水蒸气流生成器的出气口与所述准直器的输入孔同轴。

优选地，所述准直器的输入孔与输出孔同轴。

优选地，所述准直器的输出孔与所述第一开孔同轴。

优选地，所述惰性气体流生成器的开气口与所述第二开孔同轴。

优选地，所述水蒸气流生成器的出气口、所述准直器的输入孔、输出孔及所 述第一开孔的孔径大小为1μm-5mm。

优选地，所述水蒸气流生成器可以为现有的设备，具体地可以为电加热装置。

优选地，所述水蒸气流生成器为配制有升压装置的水蒸气流生成器，如高压 锅，升压装置能确保发射出高速的水蒸气流。

优选地，所述水蒸气流的压力为1.5-5个大气压。

如本发明所述的，所述水蒸气流生成器可以产生高速水蒸气流，用于提供水 分子簇。所述高速水蒸气是由水蒸气流生成器经高压喷射而出。

由于在水蒸气中，水分子并不是以单一分子存在，而是若干个水分子结合在 一起构成水分子簇，即以多种构型、不同质量的分子簇形式存在。

优选地，所述惰性气体流生成器可以为现有的设备，具体地可以为专门的高 压气流生成器，也可以是装有惰性气体的钢瓶，钢瓶里面即为高压气体，可通过 钢瓶的减压阀的阀门，来调控压力，以便得到高速的惰性气体流。

优选地，所述惰性气体流的压力为1.5-5个大气压。

所述惰性气体流是与水分子不发生物理化学反应的惰性气体。

优选地，所述惰性气体流包括氩气流、氖气流、氪气流，但不限于此。

更优选地，所述惰性气体流为氩气流。

优选地，所述惰性气体流的纯度为＞99.5％。。

如本发明所述的，所述气流交汇腔用于提供所述水蒸气流和所述惰性气体流 的交汇、碰撞空间。

如本发明所述的，所述水蒸气流和所述惰性气体流碰撞后，不仅得到包括不 同水分子数目的水分子簇，还包括碰撞后的惰性气体、水蒸气。但由于所述角度 选择器与所述准直器的夹角为钝角，只有碰撞后一定数目的水分子簇才会被角度 选择器选择性地接收。

所述水蒸气流与高速氩气流在气流交汇腔发生弹性碰撞，高速氩气分子的动 量会损失，水蒸气分子的动量会增加，由于发生的是弹性碰撞，高速氩气分子损 失的动量等于水蒸气分子增加的动量，即动量守恒，水蒸气分子增加的动量会改 变原来水蒸气分子的运动方向。水分子中原本包含大量、聚集的多种构型、不同 质量的分子簇，水蒸气流与高速氩气流弹性碰撞后，不同质量的水分子簇被散射 成不同的角度，包含水分子数目多的水分子簇的质量大，偏转角度小；包含水分 子数目少的水分子簇的质量小，偏转角度大。因此在不同的角度即可获得包含不 同水分子数目的水分子簇。

如本发明所述的，所述气流交汇腔上的第三开孔至少为一个。

优选地，第三开孔的数目为10-30个。

优选地，所述第三开孔的孔径为1μm-1mm。

优选地，各第三开孔开设在所述气流交汇腔上，且各第三开孔和所述气流交 汇腔的中心构成的连线与所述准直器的夹角为钝角。

如本发明所述的，所述气流交汇腔的形状无特殊限定，可以为球形。

在进行每一次弹性碰撞时，仅选择一个第三开孔使用，将其余第三开孔封闭。

优选地，所述角度选择器，可以根据所用第三开孔来调整角度，使所述角度 选择器的输入孔与所述第三开孔同轴。

含水分子数目n不同的水分子簇被散射到不同方向，进入到所述角度选择器， 由于一但选择一个第三开孔，其位置是确定的，所述角度选择器接收到的水分子 簇的水分子数目也是确定的。

优选地，所述水分子数目选择器还包括质谱仪，所述水分子簇经由所述角度 选择器的出口进入所述质谱仪。

优选地，所述质谱仪用于检测所述角度选择器选择出的水分子簇的水分子数 目。

经质谱仪检测后，包含一定水分子数目的分子簇即被选出，实现水分子数目 选择的功能。

本发明第二方面，提供了利用第一方面所述的水分子数目选择器进行水分子 数目选择的方法，包括以下步骤：

将所述水蒸气流生成器产生的所述水蒸气流通过所述准直器进行准直，之后 射入所述气流交汇腔；将所述惰性气体流生成器产生的惰性气体流射入所述气流 交汇腔，并且所述惰性气体流的射入方向与所述水蒸气流的射入方向垂直，所述 水蒸气流与所述惰性气体流在所述气流交汇腔发生弹性碰撞，得到含不同水分子 数目的水分子簇，并被所述角度选择器选择性地接收，并进入质谱仪进行检测。

优选地，进入所述气流交汇腔时，所述水蒸气流和所述惰性气体流均为高压 气流，所述水蒸气流的压力为1.5-5个大气压，所述惰性气体流的压力为1.5-5个大 气压。

优选地，所述惰性气体流为氩气流。

本发明有益效果包括以下几个方面：

(1)本发明提供的水分子数目选择器的装置简单实用，通过将高速水蒸气 流与高速惰性气体流发生弹性碰撞，通过调整角度选择器可以选择接收水分子数 目确定的水分子簇。

(2)本发明提供的水分子数目选择的方法，简单易操作，可以对水分子水 分子数目的水分子簇进行选择。

附图说明

图1为水分子数目选择器的示意图。

具体实施方式

以下所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术 人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改 进和润饰也视为本发明的保护范围。

图1为水分子数目选择器的示意图。该水分子数目选择器包括水蒸气流生成 器1、准直器2、惰性气体流生成器3、气流交汇腔4、角度选择器5和质谱仪6。

所述水蒸气流生成器1上设有出气口11，所述准直器2包括相对设置的第一端 面和第二端面，所述第一端面与所述第二端面上相对设置有输入孔21和输出孔 22；所述第一端面与所述水蒸气流生成器1连接，所述第二端面与所述气流交汇 腔4连接，所述气流交汇腔4上开设有与所述输出孔相对应的第一开孔41；所述水 蒸气流依次经由所述出气口11、所述准直器的输入孔21、输出孔22及所述第一开 孔41射入所述气流交汇腔4；

所述惰性气体流生成器3上设有开气口31，所述气流交汇腔4上开设有与所述 开气口31相对应的第二开孔42，所述惰性气体流经由所述开气口31与所述第二开 孔42射入所述气流交汇腔，并且所述惰性气体流的射入方向与所述水蒸气流的射 入方向垂直；所述水蒸气流与所述惰性气体流在所述气流交汇腔发生弹性碰撞， 得到含不同水分子数目的水分子簇；所述气流交汇腔4上开设有至少一个第三开 孔43，所述角度选择器5包括相对设置的第一端面和第二端面，所述第一端面与 所述第二端面上相对设置有进口51和出口52，所述第一端面在所述第三开孔43处 与所述气流交汇腔4连接，所述角度选择器5与所述准直器4的夹角为钝角，所述 水分子簇依次经由所述第三开孔43、所述角度选择器的进口51和出口52射入所述 质谱仪。

在本实施方式中，出气口11与输入孔21同轴。

在本实施方式中，准直器的输出孔22与第一开孔41同轴。

在本实施方式中，开气口31与第二开孔42同轴。

在本实施方式中，进口51与所选用的第三开孔43同轴。

本实施例中，所述惰性气体流生成器3产生的惰性气体流为氩气流。在其他 实施例中，所述惰性气体流可以为氖气流、氪气流等。

当水分子数目选择器运行时，采用分子泵作真空系统，对水分子数目选择器 的内部腔道(包括准直器2、气流交汇腔4、角度选择器5等)进行抽真空，时间 为≥4小时，保证水分子数目选择器的整个内部腔道的真空度为10^-6Pa，水蒸气流 生成器1内产生的高速水蒸气流经由出气口11、输入孔21射入准直器，沿着准直 器的横向中心轴方向流动，并经由所述输出口22射出，再经由气流交汇腔4上的 第一开孔41进入气流交汇腔4；与此同时，惰性气体流生成器3内产生的高速氩气 流经由开气口31、第二开孔42进入气流交汇腔4；在气流交汇腔4内，高速水蒸气 流与高速氩气流进行交汇，并发生激烈的弹性碰撞，高速氩气分子损失的动量等 于水蒸气分子增加的动量，水蒸气分子增加的动量会改变原来水蒸气分子的运动 方向，不同质量的水分子簇被散射成不同的角度，其中包含水分子数目多的水分 子簇的质量大，偏转角度小；包含水分子数目少的水分子簇的质量小，偏转角度 大。碰撞后的气体流，不仅包括不同水分子数目的水分子簇，还包括碰撞后的氩 气。选择打开某一个第三开孔43，将其余第三开孔43封闭，因此在某一选定的第 三开孔43处，会得到包含一定质量范围的、不同水分子数目的水分子簇。碰撞后 的气体流经由气流交汇腔4上的第三开孔43射出，并由角度选择器的进口51、出 口52，射入质谱仪6，并由质谱仪6检测所述角度选择器选择出的水分子簇的分子 质量，包含一定水分子数目的分子簇即被选出，实现水分子数目选择的功能。

实施例1

一种水分子数目选择的方法，包括以下步骤：

采用瓦里安公司的分子泵作真空系统，对整个水分子数目选择器的内部腔道 进行抽真空(包括准直器2、气流交汇腔4、角度选择器5等)，时间为4小时， 保证整个内部腔道的真空度为10^-6Pa，采用电加热装置产生水蒸气流，并通过升 压装置对水蒸气流进行加压，使水蒸气流的压力为5个大气压，得到高速水蒸气 流，将高速水蒸气流通过所述准直器进行准直，之后射入所述气流交汇腔；调整 高压氩气流生成器的压力，使所述氩气流生成器产生的氩气流的压力为5个大气 压，打开氩气流生成器的出气口，使高速氩气流射入所述气流交汇腔，并且所述 高速氩气流的射入方向与所述水蒸气流的射入方向垂直，所述高速水蒸气流与所 述高速氩气流在所述气流交汇腔发生弹性碰撞，得到含不同水分子数目n的水分 子簇，并被所述角度选择器选择性地接收，并进入质谱仪进行检测，质谱仪检测 选择出的水分子簇的水分子数目。

实施例2

一种水分子数目选择的方法，包括以下步骤：

采用瓦里安公司的分子泵作真空系统，对整个水分子数目选择器的内部腔道 进行抽真空(包括准直器2、气流交汇腔4、角度选择器5等)，时间为5小时， 保证整个内部腔道的真空度为10^-6Pa，采用电加热装置产生水蒸气流，并通过升 压装置对水蒸气流进行加压，使水蒸气流的压力为4个大气压，得到高速水蒸气 流，将高速水蒸气流通过所述准直器进行准直，之后射入所述气流交汇腔；调整 装有氩气的钢瓶(即氩气流生成器)内的压力，使所述氩气流生成器产生的氩气 流的压力为4个大气压，打开氩气流生成器的出气口，使高速氩气流射入所述气 流交汇腔，并且所述氩气流的射入方向与所述水蒸气流的射入方向垂直，高速水 蒸气流与高速氩气流在所述气流交汇腔发生弹性碰撞，得到含不同水分子数目n 的水分子簇，并被所述角度选择器选择性地接收，并进入质谱仪进行检测，质谱 仪检测选择出的水分子簇的水分子数目。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细， 但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的 普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进， 这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求 为准。