動靜態(tài)激光光散射儀的應用和維護

鄭 卓 劉 艷 張 奇 藍麗丹

（四川大學高分子研究所 四川成都 610065）

高分子材料和生物大分子的分子量、分子形狀以及分子運動特征與材料性能密切相關，相關參數(shù)的獲取對于揭示材料的構效關系具有重要的意義。隨著計算機和光電子技術的快速發(fā)展，動靜態(tài)激光光散射儀已成為分子量和流體力學半徑等參數(shù)強有力的測試手段。通過動態(tài)光散射，可以獲得聚合物的流體力學半徑；通過靜態(tài)光散射，可以得到聚合物的重均分子量，均方根回旋半徑以及第二維利系數(shù)。動態(tài)光散射和靜態(tài)光散射的有機結合，可以被用來研究高分子稀溶液和膠體粒子涉及分子量和流體力學體積變化的過程，例如，聚合物的分子量變化，聚集和分散、膠束尺寸的變化以及蛋白質鏈的折疊等[1-3]。本文在簡要闡述動靜態(tài)激光光散射儀測試的基本原理的基礎上，分析了測試過程中影響結果準確性的幾個因素，并探討了儀器在維護保養(yǎng)上需要注意的問題。

一、動靜態(tài)激光光散射儀的測試原理

（一）動態(tài)激光光散射的測試原理

當入射光照射到稀溶液時，該入射光將被溶液中的粒子向各個方向散射。同時，由于粒子的無規(guī)則布朗運動，散射光的頻率會隨著粒子的運動出現(xiàn)微小的變化，導致散射光的頻率變寬。頻率變寬的幅寬與粒子的大小和運動快慢密切相關。通過收集選定角度的散射光，由高靈敏度探測器檢測，利用計算機和快速光電子相關技術，同時結合數(shù)學上的相關函數(shù)，對散射光進行相關運算可以獲得頻率增寬信息，從而得到待測材料的流體力學半徑及其分布等信息。

（二）靜態(tài)激光光散射的測試原理

在高分子稀溶液中，散射光的光強強烈依賴于高分子的分子量、鏈形態(tài)、溶液濃度和散射角度[4]。以下為靜態(tài)光散射相關推導公式：

K為光學常數(shù)，C為樣品濃度，θ為散射角，Rθ為θ角方向的瑞利散射比，Mw為重均分子量，A2為第二維利系數(shù)，Pθ為散射因子，λ0為入射光波長，NA為阿伏伽德羅常數(shù)，n0為溶劑的折光指數(shù)。C、λ0、NA和n0為常量或已知，Pθ和Rθ可由激光光散射儀測得，通過散射光強的測量可以計算聚合物的Mw、Rg和A2等參數(shù)。

二、儀器主要構成

下面以Brookhaven公司的動靜態(tài)激光光散射儀為例，介紹儀器的主要組成。儀器主要包括激光光源、樣品池和匹配液池、匹配液循環(huán)系統(tǒng)、溫度循環(huán)系統(tǒng)、旋轉臺和檢測器系統(tǒng)等幾個部分。按激光顏色來分，常見的激光光源有532nm的綠光激光器和632nm的紅光激光器。激光器發(fā)射的光線經(jīng)聚焦透鏡照射樣品池。實驗人員可以根據(jù)待測溶液的散射和吸收特點來選擇適當波長的激光光源，避免待測溶液對入射光的吸收。樣品池的中心應與檢測器的旋轉中心重合，匹配液池中充滿與石英玻璃折射率相近的匹配液以減小雜散光的影響。匹配液循環(huán)系統(tǒng)可以將匹配液循環(huán)過濾，減少匹配液和樣品池中的雜質對散射光的影響。溫度循環(huán)系統(tǒng)主要由熱量交換裝置和外部水浴循環(huán)機組成，可以給樣品池提供需要的溫度。檢測系統(tǒng)裝在一個轉臂上，通過旋轉臺蠕動齒輪和球狀軸承的轉動，可檢測8°～162°任意角度的散射光強度和時間相關函數(shù)。

三、影響結果準確性的因素

樣品制備是獲得準確測試結果的重要因素。制備樣品時需要注意高分子樣品的溶解特性，給予充分的時間以保證高分子鏈的展開。考慮到散射光強隨著分子尺寸的增加而增加，樣品中大顆粒在計算過程中占據(jù)了很大的權重，因此，制樣和測試過程中的除塵工作非常重要?？赏ㄟ^微孔濾膜將待測溶液過濾后置于潔凈的樣品瓶中，為了確保樣品瓶的清潔，可以以丙酮蒸餾裝置對樣品瓶清洗，不要用刷子刷洗樣品瓶，避免瓶身上劃痕對散射光的影響。樣品中的大顆?；蛘呋覊m，在激光作用下可觀察到明顯亮于溶液的閃光點，可在實驗開始前在激光下觀察樣品的除塵情況。此外，對一個除塵充分的樣品，光強在小角度的波動應小于5%，因此，還可以通過小角度下散射光強的波動情況判斷樣品的除塵狀態(tài)。在光散射技術中，散射光強隨著溶液濃度的增大而增大，但另一方面，當溶液濃度過高時，可產(chǎn)生外干涉作用，從溶液中某一分子發(fā)出的散射光會與溶液中另一分子發(fā)出的散射光相互干涉，從而影響結果準確性。因此，在光強足夠的條件下應配置盡量稀的樣品溶液。在進行聚電解質高分子測定時，需要注意聚電解質的特征，調節(jié)溶劑的離子強度，削弱聚電解質效應對結果的影響。

四、儀器的維護保養(yǎng)

儀器的維護保養(yǎng)，對于提高儀器的使用壽命，確保數(shù)據(jù)的真實可靠是非常必要的。為了減少儀器實驗室的灰塵，進入實驗室的同學應穿上鞋套，減少灰塵的帶入并定期以吸塵器清除實驗室及機器上的灰塵。同時，定期更換匹配液循環(huán)系統(tǒng)中的過濾膜，保持匹配液和樣品池的清潔。為了避免散射光強過高對檢測器的損壞，實驗過程中應關注散射光的光強，最大光強需在儀器的承受范圍內，若樣品光強過高，可通過樣品稀釋或者孔徑片、濾光輪的旋轉以降低光強。

五、結束語

本文對動靜態(tài)激光光散射儀的原理，應用及影響因素進行了整理和總結。在樣品制備時需要根據(jù)樣品本身性質調整制備條件；測試過程中盡量減少灰塵的影響；定期對儀器進行維護保養(yǎng)，從而為建立結構和性能間的關系提供可靠的數(shù)據(jù)。