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激光光散射技术及其应用

LaserLightScatteringSystemTechnologyandApplication

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激光光散射技术和应用

近年来，光电子和计算机技术的飞速发展使得激光光散射已经成为高分子体系和胶体科学研究中的一种常规的测试手段。现代的激光光散射包括静态和动态两个部分。在静态光散射中，通过测定平均散射光强的角度和浓度的依赖性，可以得到高聚物的重均分子量Mw，均方根回旋半径Rg和第二维利系数A2；在动态光散射中，利用快速数字相关器记录散射光强随时间的涨落，即时间相关函数，可得到散射光的特性弛豫时间τ，进而求得平动扩散系数D和与之对应的流体力学半径Rh。在使用过程中，静态和动态光散射有机地结合可被用来研究高分子以及胶体粒子在溶液中的许多涉及到质量和流体力学体积变化的过程，如聚集和分散、结晶和溶解、吸附和解吸、高分子链的伸展和卷缩以及蛋白质长链的折叠，并可得到许多独特的分子量参数。

一、光散射发展简史：

Tynadalleffect（1820-1893）

Tyndalleffect1869年，Tyndall研究了自然光通过溶胶颗粒时的散射，注意到散射光呈淡淡的蓝色，并且发现如果入射光是偏振的，这散射光也是偏振的。Tyndall由此提出了19世纪气象学的两大谜题：为什么天空是蓝色的？为什么来自天空的散射光是相当偏振的？

Tyndalleffect

JamesClerkMaxwell(1833-1879)

解释了光是一种电磁波，并正确地计算出光的速度。

LordRayleigh(1842-1919)

1881年，Rayleigh应用Maxwell的电磁场理论推导出，在无吸收、无相互作用条件下，光学各向同性的小粒子的散射光强与波长的四次方成反比。并解释了蓝天是太阳光穿透大气层所产生的散射现象。

LordRayleighAbertEinstein(1879-1955)

LordRayleigh

研究了液体的光散射现象。

ChandrasekharaV.Raman(1888-1970)

\o1928年1928年，印度籍科学家Raman提出了Raman效应（也称拉曼散射），即\o光波光波在被\o散射散射后\o频率频率发生变化的现象。

PeterDebye（1884-1966）

PeterDebye延续了Einstein的理论，描述了分子溶解于溶剂中所产生的光散射现象，提出用Debyeplot。1944年，Debye利用散射光强测得稀溶液中高分子的重均分子量。

PeterDebye

由C=0的直线斜率可求得Rg2

当??0、C?0时，公式(1)简化为

(4)

θ=0、C=0在纵坐标上交点的倒数即为

除了用Zimm图处理光散射数据外，还可采用Debye和Berry作图法。该实验的关键技术是高分子溶液必须进行仔细除尘和纯化，以达到清亮透明。溶剂应当预先重蒸纯化。高分子溶液则需要经过适当孔径的微孔过滤器直接过滤注入散射池。

2.动态光散射

与静态光散射相比，动态光散射不是测量时间平均散射光强，而是测量散射光强随时间的涨落，因此称为“动态”。当一束单色、相干光沿入射方向照射到高分子稀溶液中，该入射光将被溶液中的粒子（包括高分子）向各个方向散射。而且，由于粒子的无规则布朗运动，散射光的频率将会随着粒子朝向或背向检测器的运动出现极微小的（-105～7）的增加或减少，使得散射光的频谱变宽，即所谓的产生Doppler效应（频谱变化）。显然，频率变宽的幅宽（线宽Γ）是同粒子运动的快慢联系在一起的。但是，加宽的频率（-105～7）与入射光频率（～1015Hz）相比，更小得多，因此难以直接测得其频率分布谱。然而，利用计算机和快速光子相关技术并结合数学上的相关函数可得到频率增宽信息。如果频率增宽完全是由平动扩散所引起，那么由此可测得高分子平动扩散系数及其分布、流体力学半径等参数。这种技术称为动态光散射（光子相关光谱），由于散射光的频率发生了非常微小的相对移动，所以动态光散射又称为准弹性光散射。公式如下：

光强的时间自相关函数：C（τ）＝A[1+β*g(τ)2