一種獲取剪切場下單個分子光譜及成像測量系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于高分子物理基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，特別是關(guān)于一種獲取剪切場下單個分子光譜及成像測量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]多電荷軟物質(zhì)體系流變學(xué)性質(zhì)的物理根源一直是該領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)性研究工作。這方面的研究不僅將幫助我們設(shè)計新型功能材料，如:水處理物質(zhì)、智能藥物、組織工程材料等，還能幫助我們理解基本生命過程。然而，由于這類軟物質(zhì)體系自身帶有多個電荷，長程靜電相互作用以及大量抗衡離子的存在，體系的流變學(xué)性質(zhì)非常特殊，很多問題一直不被人們理解。能夠同步測量高分子等軟物質(zhì)體系宏觀流變學(xué)性質(zhì)與其微觀結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的儀器一直是國際學(xué)術(shù)界、儀器制造行業(yè)的追求目標(biāo)，因此，在這方面人們曾經(jīng)開展過一些有益的嘗試。由于散射方法廣泛的應(yīng)用于高分子溶液的表征，將二者結(jié)合是很自然的想法，因此，Yoshiaki等將小角中子散射和流變學(xué)測量技術(shù)相結(jié)合，中國科學(xué)院韓志超等將激光光散射與機(jī)械剪切技術(shù)相結(jié)合，青島科技大學(xué)胡海青等將激光光散射技術(shù)與毛細(xì)管流變測量技術(shù)相結(jié)合，美國安東帕公司生產(chǎn)的散射流變儀將光散射技術(shù)、X射線散射技術(shù)以及光學(xué)顯微技術(shù)與流學(xué)測量技術(shù)相結(jié)合，上述技術(shù)都實現(xiàn)了在實施動態(tài)流變測量的同時，通過靜態(tài)光散射的方法獲取高分子流體中的分子鏈的結(jié)構(gòu)信息；美國G e ο r g e t ο w η大學(xué)的D a n i e IL.Blair教授將共聚焦熒光顯微鏡與流變學(xué)測量結(jié)合可以觀察流變剪切場下，流體體系的宏觀結(jié)構(gòu)演變;美國Akron大學(xué)的Sh1-Qing Wang教授將粒子軌跡追蹤技術(shù)與流變學(xué)測量相結(jié)合成功地開展了聚合物熔體非線性流變學(xué)測量中，剪切場下流體宏觀結(jié)構(gòu)的觀察。
[0003]然而，這些方法都無法從單分子的角度研究被研究體系微觀結(jié)構(gòu)信息與其宏觀流變學(xué)性質(zhì)的關(guān)聯(lián)，尤其是光散射技術(shù)受到溶液濃度以及散射截面的限制，不適合多電荷體系的結(jié)構(gòu)測量，因此不能夠滿足多電荷體系研究的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種獲取剪切場下單個分子光譜及成像的測量系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對多電荷體系進(jìn)行精確地動態(tài)剪切測量的同時也可以進(jìn)行高分辨率、高靈敏度的單分子測量與成像，進(jìn)而得到多電荷體系宏觀的流變學(xué)特性以及其微觀結(jié)構(gòu)信息的。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:一種獲取剪切場下單個分子光譜及成像測量系統(tǒng)，其特征在于，該測量系統(tǒng)包括:一用于作為激發(fā)光照射待測樣品的激發(fā)光源單元;一用于對待測樣品施加機(jī)械剪切同時測量其宏觀流變學(xué)特性的剪切施加與流變測量單元，所述剪切施加與流變測量單元底部設(shè)置一激發(fā)光光學(xué)窗口 ；以及一光學(xué)顯微單元，所述光學(xué)顯微單元用于將所述激發(fā)光源單元出射的激發(fā)光經(jīng)所述激發(fā)光光學(xué)窗口引入到位于剪切場下的待測樣品，使得待測樣品的染料分子受激發(fā)產(chǎn)生熒光信號，并將產(chǎn)生的熒光信號收集分別發(fā)射到一單分子熒光成像單元、一單分子熒光發(fā)射光譜測量單元和/或一熒光關(guān)聯(lián)光譜測量單元;所述單分子熒光成像單元用于對擴(kuò)散較慢體系內(nèi)的單個熒光分子進(jìn)行實時熒光成像，獲得在擴(kuò)散較慢的體系中的單分子實空間運(yùn)動信息;所述單分子熒光發(fā)射光譜測量單元用于對待測體系內(nèi)單個熒光分子的發(fā)射光譜，并對其進(jìn)行強(qiáng)度分析通過光譜的變化得到染料分子附近的抗衡離子分布的信息;所述熒光關(guān)聯(lián)光譜測量單元用于獲取熒光信號的關(guān)聯(lián)光譜，并對其進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析得到聚合物分子的擴(kuò)散以及尺寸信息。
[0006]優(yōu)選地，所述剪切施加與流變測量單元采用一轉(zhuǎn)矩流變儀，所述轉(zhuǎn)矩流變儀下基板設(shè)置所述激發(fā)光光學(xué)窗口。
[0007]優(yōu)選地，所述激發(fā)光源單元采用連續(xù)激光或飛秒脈沖激光，所述連續(xù)激光或飛秒脈沖激光的波長需要與所激發(fā)的染料分子相匹配;所述激發(fā)光源單元包括一個以上不同波長的激光器、若干反射鏡、若干光闌、第一擴(kuò)束鏡、第二擴(kuò)束鏡，所述第二擴(kuò)束鏡的入射端設(shè)置一中性密度濾光片，所述激光器發(fā)出的光分別經(jīng)若干所述反射鏡或光闌并依次經(jīng)所述第一擴(kuò)束鏡和第二擴(kuò)束鏡進(jìn)行兩級擴(kuò)束將激發(fā)光束直徑擴(kuò)大以確保其尺寸大于所述光學(xué)顯微單元的顯微鏡物鏡進(jìn)光孔。
[0008]優(yōu)選地，所述光學(xué)顯微單兀米用倒置焚光顯微鏡結(jié)構(gòu)，包括一顯微鏡物鏡、一二向色鏡、第一?第三反射鏡、一發(fā)射光高通濾波片、一激發(fā)光帶通濾波片、一針孔、一分束鏡、一狹縫和第一?第三聚焦透鏡;所述激發(fā)光經(jīng)所述顯微物鏡發(fā)射到位于所述剪切施加與流變測量單元內(nèi)部的待測樣品，經(jīng)待測樣品激發(fā)的熒光經(jīng)所述顯微物鏡收集后發(fā)射到所述二向色鏡，經(jīng)所述二向色鏡出射的熒光信號經(jīng)所述發(fā)射光高通濾波片發(fā)射到所述第一反射鏡，經(jīng)所述第一反射鏡反射的熒光經(jīng)所述第一聚焦透鏡和狹縫發(fā)射到所述單分子熒光發(fā)射光譜測量單元，經(jīng)所述第一反射鏡透射的熒光經(jīng)所述第二聚焦透鏡發(fā)射到所述第二反射鏡，經(jīng)所述第二反射鏡反射的光發(fā)送到所述單分子熒光成像單元，經(jīng)所述第二反射鏡透射的光經(jīng)針孔發(fā)射到所述分束鏡，經(jīng)所述分束鏡出射的一部分光經(jīng)所述第三聚焦透鏡發(fā)射到所述熒光關(guān)聯(lián)光譜測量單元；另外，所述激發(fā)光源單元的出射端設(shè)置所述激發(fā)光帶通濾波片。
[0009]優(yōu)選地，該測量系統(tǒng)還包括一第二熒光關(guān)聯(lián)光譜測量單元、第四反射鏡和第四聚焦透鏡，經(jīng)所述分束鏡出射的另一部分光經(jīng)所述第四反射鏡反射到所述第四聚焦透鏡，經(jīng)所述第四聚焦透鏡出射的光發(fā)射到所述第二熒光關(guān)聯(lián)光譜測量單元。
[0010]優(yōu)選地，每一所述熒光關(guān)聯(lián)光譜測量單均包括一單光子探測器以和一數(shù)據(jù)采集卡，所述單光子探測器將探測接收的熒光信號轉(zhuǎn)換為電信號經(jīng)所述數(shù)據(jù)采集卡發(fā)送到一計算機(jī)。
[0011]優(yōu)選地，所述待測樣品為聚合物分子，所述染料分子以化學(xué)鍵合的方式接到聚合物分子鏈上，所述聚合物分子濃度為10—9m。
[0012]本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點:1、本發(fā)明將宏觀的剪切施加與流變測量、單分子熒光發(fā)射光譜測量、單分子熒光成像以及熒光關(guān)聯(lián)光譜測量相結(jié)合，獲取剪切場下被測量體系的單分子熒光發(fā)射光譜以及熒光關(guān)聯(lián)光譜；另外，同時對體系進(jìn)行單分子熒光成像，獲得在擴(kuò)散較慢的體系中的單分子實空間運(yùn)動信息，從而實現(xiàn)對多電荷體系進(jìn)行精確地動態(tài)剪切測量的同時也可以進(jìn)行高分辨率、高靈敏度的單分子測量與成像，進(jìn)而得到多電荷體系宏觀的流變學(xué)特性以及其微觀的結(jié)構(gòu)信息。2、本發(fā)明通過在流變儀下基板處開設(shè)激發(fā)光光學(xué)窗口，可以實現(xiàn)宏觀流變學(xué)測量的同時，通過該光學(xué)窗口對待測樣品進(jìn)行激發(fā)光激發(fā)以及熒光信號的收集，進(jìn)而實現(xiàn)單分子光譜及成像的測量，最終得到待測樣品宏觀特性的微觀物理圖像。3、本發(fā)明的待測樣品為聚合物分子，染料分子以化學(xué)鍵合的方式接到聚合物分子鏈上，聚合物分子濃度為10—9M,因此本發(fā)明可以對極稀的溶液進(jìn)行測量，最終實現(xiàn)對單個分子的測量。本發(fā)明可以廣泛地應(yīng)用于聚電解質(zhì)稀溶液、凝膠、界面擴(kuò)散、薄膜成像等多電荷凝聚態(tài)體系，探索其特殊性質(zhì)的基礎(chǔ)物理根源。
【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明的測量原理示意圖；
[0014]圖2是本發(fā)明開設(shè)光學(xué)窗口的流變儀下基板結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖3是本發(fā)明的激發(fā)光源單元光路結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0016]以下結(jié)合附圖來對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描繪。然而應(yīng)當(dāng)理解，附圖的提供僅為了更好地理解本發(fā)明，它們不應(yīng)該理解成對本發(fā)明的限制。
[0017]如圖1、圖2所示，本發(fā)明的獲取剪切場下單個分子光譜及成像測量系統(tǒng)，包括一激發(fā)光源單元1、一剪切施加與流變測量單元2、一光學(xué)顯微單元3、一單分子熒光成像單元4和/或一光譜測量單元，光譜測量單元可以采用一單分子熒光發(fā)射光譜測量單元5和/或一熒光關(guān)聯(lián)光譜測量單元6，其中，剪切施加與流變測量單元2底部設(shè)置一激發(fā)光光學(xué)窗口21;
[0018]激發(fā)光源單元I發(fā)出的激光作為激發(fā)光照射待測樣品，待測樣品為聚合物分子，染料分子以化學(xué)鍵合的方式接到聚合物分子鏈上;剪切施加與流變測量單元2用于對待測樣品施加機(jī)械剪切同時準(zhǔn)確測量其宏觀流變學(xué)特性;光學(xué)顯微單元3用于將激光光源單元I出射的激發(fā)光通過激發(fā)光光學(xué)窗口 21引入到位于剪流場下的待測樣品，使得待測樣品的染料分子受激發(fā)產(chǎn)生熒光信號，并將產(chǎn)生的熒光信號收集分別發(fā)射到單分子熒光成像單元4、單分子熒光發(fā)射光譜測量單元5和/或熒光關(guān)聯(lián)光譜測量單元6;單分子熒光成像單元4用于對擴(kuò)散較慢體系(凝膠、高分子固體薄膜等)內(nèi)的單個熒光分子進(jìn)行實時熒光成像，獲得在擴(kuò)散較慢的體系中的單分子實空間運(yùn)動信息，即獲取該熒光分子的擴(kuò)散和取向信息；單分子熒光發(fā)射光譜測量單元5用于對待測體系內(nèi)單個熒光分子的發(fā)射光譜，并對其進(jìn)行強(qiáng)度分析通過光譜的變化得到染料分子附近的抗衡離子分布的信息；熒光關(guān)聯(lián)光譜測量單元6用于獲取熒光信號的關(guān)聯(lián)光譜，并對其進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析得到聚合物分子的擴(kuò)散以及尺寸信息。
[0019]在一個優(yōu)選的實施例中，如圖2所示，剪切施加與流變測量單元2可以采用能夠?qū)嵤┚_動態(tài)剪切的轉(zhuǎn)矩流變儀，轉(zhuǎn)矩流變儀下基板設(shè)置有一高透過率且短工作距離的激發(fā)光光學(xué)窗口 21，短工作距離是為了與高數(shù)值孔徑的顯微鏡水浸物鏡相匹配，其工作距離非常的短，最大0.2mm。
[0020]在一個優(yōu)選的實施例中，激發(fā)光源單元I可以采用連續(xù)激光或飛秒脈沖激光，目的是激發(fā)更多種熒光分子，所選擇激光器的波長需要與所激發(fā)的染料分子相匹配，本實施例中的激發(fā)光源單元I包括三種不同波長的激光器10(以此為例，但是不限于此，可以根據(jù)實際使用進(jìn)行選擇)、若干反射鏡11、若干光闌12、第一擴(kuò)束鏡13和第二擴(kuò)束鏡14，第二擴(kuò)束鏡14的入射端可以設(shè)置一用于調(diào)節(jié)激發(fā)光的功率的中性密度濾光片15，三個激光器10的波長分別為1060nm、532nm和473nm，三個激光器10分別依次經(jīng)若干反射鏡11反射或透射以及光闌12并依次經(jīng)第一擴(kuò)束鏡13和第二擴(kuò)束鏡14進(jìn)行兩級擴(kuò)束將激發(fā)光束直徑擴(kuò)大到2.0cm左右以確保其尺寸大于光學(xué)顯微單元3的顯微鏡物鏡進(jìn)光孔，從而獲得充分利用物鏡的數(shù)值孔徑而產(chǎn)生最小的激發(fā)空間。
[0021]在一個優(yōu)選的實施例中，如圖1所示，光學(xué)顯微單元3可以采用倒置熒光顯微鏡結(jié)構(gòu)，包括一顯微鏡物鏡31、一二向色鏡32、第一?第三反射鏡33、一發(fā)射光高通濾