动静态激光光散射仪的应用和维护

2021-08-14蓝丽丹

科学咨询 2021年29期

郑卓刘艳张奇蓝丽丹

（四川大学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、分子形状以及分子运动特征与材料性能密切相关，相关参数的获取对于揭示材料的构效关系具有重要的意义。随着计算机和光电子技术的快速发展，动静态激光光散射仪已成为分子量和流体力学半径等参数强有力的测试手段。通过动态光散射，可以获得聚合物的流体力学半径；通过静态光散射，可以得到聚合物的重均分子量，均方根回旋半径以及第二维利系数。动态光散射和静态光散射的有机结合，可以被用来研究高分子稀溶液和胶体粒子涉及分子量和流体力学体积变化的过程，例如，聚合物的分子量变化，聚集和分散、胶束尺寸的变化以及蛋白质链的折叠等[1-3]。本文在简要阐述动静态激光光散射仪测试的基本原理的基础上，分析了测试过程中影响结果准确性的几个因素，并探讨了仪器在维护保养上需要注意的问题。

一、动静态激光光散射仪的测试原理

（一）动态激光光散射的测试原理

当入射光照射到稀溶液时，该入射光将被溶液中的粒子向各个方向散射。同时，由于粒子的无规则布朗运动，散射光的频率会随着粒子的运动出现微小的变化，导致散射光的频率变宽。频率变宽的幅宽与粒子的大小和运动快慢密切相关。通过收集选定角度的散射光，由高灵敏度探测器检测，利用计算机和快速光电子相关技术，同时结合数学上的相关函数，对散射光进行相关运算可以获得频率增宽信息，从而得到待测材料的流体力学半径及其分布等信息。

（二）静态激光光散射的测试原理

在高分子稀溶液中，散射光的光强强烈依赖于高分子的分子量、链形态、溶液浓度和散射角度[4]。以下为静态光散射相关推导公式：

K为光学常数，C为样品浓度，θ为散射角，Rθ为θ角方向的瑞利散射比，Mw为重均分子量，A2为第二维利系数，Pθ为散射因子，λ0为入射光波长，NA为阿伏伽德罗常数，n0为溶剂的折光指数。C、λ0、NA和n0为常量或已知，Pθ和Rθ可由激光光散射仪测得，通过散射光强的测量可以计算聚合物的Mw、Rg和A2等参数。

二、仪器主要构成

下面以Brookhaven公司的动静态激光光散射仪为例，介绍仪器的主要组成。仪器主要包括激光光源、样品池和匹配液池、匹配液循环系统、温度循环系统、旋转台和检测器系统等几个部分。按激光颜色来分，常见的激光光源有532nm的绿光激光器和632nm的红光激光器。激光器发射的光线经聚焦透镜照射样品池。实验人员可以根据待测溶液的散射和吸收特点来选择适当波长的激光光源，避免待测溶液对入射光的吸收。样品池的中心应与检测器的旋转中心重合，匹配液池中充满与石英玻璃折射率相近的匹配液以减小杂散光的影响。匹配液循环系统可以将匹配液循环过滤，减少匹配液和样品池中的杂质对散射光的影响。温度循环系统主要由热量交换装置和外部水浴循环机组成，可以给样品池提供需要的温度。检测系统装在一个转臂上，通过旋转台蠕动齿轮和球状轴承的转动，可检测8°～162°任意角度的散射光强度和时间相关函数。

三、影响结果准确性的因素

样品制备是获得准确测试结果的重要因素。制备样品时需要注意高分子样品的溶解特性，给予充分的时间以保证高分子链的展开。考虑到散射光强随着分子尺寸的增加而增加，样品中大颗粒在计算过程中占据了很大的权重，因此，制样和测试过程中的除尘工作非常重要。可通过微孔滤膜将待测溶液过滤后置于洁净的样品瓶中，为了确保样品瓶的清洁，可以以丙酮蒸馏装置对样品瓶清洗，不要用刷子刷洗样品瓶，避免瓶身上划痕对散射光的影响。样品中的大颗粒或者灰尘，在激光作用下可观察到明显亮于溶液的闪光点，可在实验开始前在激光下观察样品的除尘情况。此外，对一个除尘充分的样品，光强在小角度的波动应小于5%，因此，还可以通过小角度下散射光强的波动情况判断样品的除尘状态。在光散射技术中，散射光强随着溶液浓度的增大而增大，但另一方面，当溶液浓度过高时，可产生外干涉作用，从溶液中某一分子发出的散射光会与溶液中另一分子发出的散射光相互干涉，从而影响结果准确性。因此，在光强足够的条件下应配置尽量稀的样品溶液。在进行聚电解质高分子测定时，需要注意聚电解质的特征，调节溶剂的离子强度，削弱聚电解质效应对结果的影响。

四、仪器的维护保养

仪器的维护保养，对于提高仪器的使用寿命，确保数据的真实可靠是非常必要的。为了减少仪器实验室的灰尘，进入实验室的同学应穿上鞋套，减少灰尘的带入并定期以吸尘器清除实验室及机器上的灰尘。同时，定期更换匹配液循环系统中的过滤膜，保持匹配液和样品池的清洁。为了避免散射光强过高对检测器的损坏，实验过程中应关注散射光的光强，最大光强需在仪器的承受范围内，若样品光强过高，可通过样品稀释或者孔径片、滤光轮的旋转以降低光强。