本發(fā)明是關(guān)于一種基于單分子熒光顯微成像獲取聚合物形變時的測量系統(tǒng)，涉及對聚合物形變機理及脆、韌性根源等探索的高分子物理基礎(chǔ)研究領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在材料領(lǐng)域玻璃態(tài)聚合物得到了廣泛的應(yīng)用，原因除了其輕量、絕緣、易加工成型等優(yōu)勢外還在于其具有良好的機械性能(如工程塑料)。與其他種類高模量固體材料相比聚合物通常更有韌性，在外力作用下可以發(fā)生較大的形變而不會斷裂?，F(xiàn)在眾多研究都在尋求在保持聚合物良好的可加工性能的同時進一步增強聚合物的模量和韌性，這就要求對玻璃態(tài)聚合物在外力作用下發(fā)生形變的機理有更深層次的理解。研究玻璃態(tài)聚合物的形變機理一直是高分子物理領(lǐng)域非常大的挑戰(zhàn)。處于玻璃態(tài)的聚合物自身在未發(fā)生形變時就存在非常復(fù)雜的物理特性如空間的動態(tài)非均勻性和結(jié)構(gòu)松弛的特性，而形變過程中還進一步表現(xiàn)出非線性的響應(yīng)特征。對于聚合物形變時非線性響應(yīng)的研究已經(jīng)進行了相當(dāng)長的時間。

理論方面，1936年Eyring提出外力降低分子重排勢壘從而使玻璃具有流動性的觀點來解釋玻璃的形變(“Viscosity,Plasticity,and Diffusion as Examples of Absolute Reaction Rates”J.Chem.Phys.,1936,4,283-291.)。之后以Eyring模型為基礎(chǔ)，提出了眾多的理論模型來描述玻璃態(tài)聚合物的形變行為。

實驗方面，Gleason等通過固態(tài)核磁方法研究了尼龍-6的拉伸形變過程，證明了形變時無定形區(qū)鏈運動能力的增強(“Chain Mobility in the Amorphous Region of Nylon 6 Observed under Active Uniaxial Deformation”Science 2000,288,(5463),116-119.)；Argon等通過小分子向聚合物基體滲透的方法研究了玻璃態(tài)聚合物形變時的鏈運動能力，發(fā)現(xiàn)聚合物在遠低于其玻璃化溫度下被壓縮時，小分子滲入其中的速率就可以與在玻璃化溫度下未發(fā)生形變時的滲透速率相當(dāng)(“Enhanced Case-II diffusion of diluents into glassy polymers undergoing plastic flow”Polymer 2001,42,(2),613-621.)；Vigier等結(jié)合動態(tài)機械分析和小角X射線散射結(jié)果研究玻璃態(tài)聚合物形變時發(fā)現(xiàn)形變過程中聚合物內(nèi)部產(chǎn)生許多鏈運動能力較強的微小區(qū)域(high mobility zones)，且區(qū)域隨著形變先是尺寸增加，之后是數(shù)目的增加(“Characterization of the Drastic Increase in Molecular Mobility of a Deformed Amorphous Polymer”Phys.Rev.Lett.2006,97,(20),207801.)。

盡管經(jīng)過了許多實驗方法的探索，深入理解玻璃態(tài)聚合物非線性形變行為的目標(biāo)仍未實現(xiàn)，原因之一是定量研究不足，二是缺少深入到單分子鏈級別的描述。Ediger等將熒光探針引入聚合物中隨之用線偏振光對探針進行漂白使發(fā)射的熒光具有各向異性，之后通過跟蹤計算形變過程中熒光各向異性的衰減實現(xiàn)了定量研究聚合物鏈運動的能力，所得結(jié)果具有一定普適性。遺憾的是該方法得到的是鏈運動的統(tǒng)計信息，無法用來描述分子鏈級別的響應(yīng)。Wang等的研究以分子鏈為基礎(chǔ)提出了唯象的負(fù)載鏈(load-bearing strands)模型來解釋聚合物形變時的脆、韌性及屈服行為，但是目前為止該模型仍需更多證據(jù)支持。因此，目前亟需一種可以達到單分子級別的實驗測試手段來更精細地研究玻璃態(tài)聚合物在形變過程中的鏈響應(yīng)行為。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種基于單分子熒光顯微成像獲取聚合物形變時的測量系統(tǒng)，能夠更精細地研究玻璃態(tài)聚合物在形變過程中的鏈響應(yīng)行為。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：一種基于單分子熒光顯微成像獲取聚合物形變時的測量系統(tǒng)，其特征在于，該測量系統(tǒng)包括：一用于使得一個以上的激發(fā)光光源產(chǎn)生圓偏振光以激發(fā)各個方向取向的熒光探針的激發(fā)光光源單元；一用于將所述激發(fā)光光源單元發(fā)出的圓偏振光會聚到發(fā)生形變的待測樣品，同時將待測樣品產(chǎn)生的熒光信號收集并導(dǎo)出的光學(xué)顯微單元；一用于固定設(shè)置待測樣品，并對待測樣品進行拉伸測試，獲得待測樣品應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)的高精度機械拉伸單元；一用于在待測樣品形變過程中進行單分子顯微成像的單分子熒光成像單元。

進一步地，該測量系統(tǒng)還包括一計算機，所述計算機獲取所述待測樣品應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)和單分子熒光成像結(jié)果，并將兩者進行關(guān)聯(lián)分析后得到待測樣品形變狀態(tài)下熒光探針周圍分子鏈的運動和空間取向信息從而得到玻璃態(tài)聚合物在局部和觀察區(qū)域整體的鏈響應(yīng)信息。

進一步地，所述激發(fā)光光源單元一個以上的激發(fā)光光源、一格蘭泰勒棱鏡、兩光闌、一1/4波片、五光學(xué)透鏡、一快門、一斬波器和一中性密度濾波片；所述激發(fā)光光源發(fā)出的不同波長的激發(fā)光分別經(jīng)若干反射鏡反射后依次進入所述格蘭泰勒棱鏡起偏成為線偏振光，經(jīng)所述格蘭泰勒棱鏡出射的線偏振光經(jīng)第一光闌發(fā)射到所述1/4波片形成圓偏振光，經(jīng)所述1/4波片出射的圓偏振光發(fā)射到第一光學(xué)透鏡、快門和第二光學(xué)透鏡，經(jīng)所述第二光學(xué)透鏡出射的激發(fā)光發(fā)射到所述斬波器，所述斬波器對激發(fā)光的頻率進行調(diào)制后通過第二光闌發(fā)射到所述中性密度濾波片進行濾波處理，經(jīng)所述中性密度濾波片出射的激發(fā)光依次進入第三光學(xué)透鏡和第四光學(xué)透鏡，通過調(diào)節(jié)所述第三光學(xué)透鏡和第四光學(xué)透鏡實現(xiàn)激發(fā)光于所述光學(xué)顯微單元的物鏡負(fù)焦平面處聚焦從而出射為平行擴束的圓偏振光，經(jīng)所述第四光學(xué)透鏡出射的光進入所述光學(xué)顯微單元。

進一步地，所述光學(xué)顯微單元采用倒置顯微鏡，圓偏振光經(jīng)物鏡聚焦待測樣品，待測樣品的熒光探針經(jīng)圓偏振光激發(fā)產(chǎn)生熒光，熒光經(jīng)所述物鏡收集并經(jīng)第五光學(xué)透鏡發(fā)射到所述單分子熒光成像單元。

進一步地，所述單分子熒光成像單元采用EMCCD相機。

進一步地，所述高精度機械拉伸單元為原位單軸雙向機械拉伸裝置，所述高精度機械拉伸單元包括基板、伺服電機、具有雙向螺紋的傳動軸和樣品固定/拉伸組件，所述樣品固定/拉伸組件用于固定設(shè)置所述待測樣品，其中，所述基板包括下層基板、中層基板和上層基板，相鄰層間基板之間不直接接觸而通過層間導(dǎo)軌間接固定，層間導(dǎo)軌用于X-Y面的調(diào)節(jié)從而實現(xiàn)在拉伸方向及垂直于拉伸方向上的位置調(diào)節(jié)，所述下層基板用于與所述光學(xué)顯微單元進行固定，所述伺服電機固定連接所述雙向螺紋的傳動軸，所述雙向螺紋的傳動軸分別固定連接所述樣品固定/拉伸組件，所述伺服電機通過所述計算機實現(xiàn)對待測樣品形變的控制，所述樣品固定/拉伸組件通過固定設(shè)置在所述上層基板的并行雙導(dǎo)軌實現(xiàn)滑動。

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)明的激發(fā)光光源經(jīng)格蘭泰勒棱鏡出射為線偏振光并經(jīng)1/4波片形成圓偏振光以激發(fā)各個方向取向的熒光探針，因此本發(fā)明不需要線偏振光進行激發(fā)，成本較低。2、本發(fā)明的激發(fā)光光源單元可以包括一個以上的激發(fā)光光源，因此通過寬場成像可以同時得到觀察區(qū)域眾多熒光探針的信號。3、本發(fā)明通過高精度機械拉伸單元對待測樣品進行拉伸測試，獲得待測樣品應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，同時采用單分子熒光成像單元在待測樣品形變過程中進行單分子顯微成像，通過外部計算機將高精度機械拉伸單元獲得待測樣品應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)與單分子熒光成像結(jié)果進行關(guān)聯(lián)分析后得到不同樣品形變狀態(tài)下熒光探針周圍分子鏈的運動和空間取向信息從而得到玻璃態(tài)聚合物在局部和觀察區(qū)域整體的鏈響應(yīng)信息。綜上，本發(fā)明能夠以單分子級別的實驗測試手段更精細地研究玻璃態(tài)聚合物在形變過程中的鏈響應(yīng)行為。

附圖說明

圖1是本發(fā)明測量系統(tǒng)的原理示意圖；

圖2是本發(fā)明的高精度機械拉伸單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明的高精度機械拉伸單元的側(cè)視示意圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖來對本發(fā)明進行詳細的描繪。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。在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“第一”、“第二”等僅僅是用于描述的目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

本發(fā)明的基于單分子熒光顯微成像獲取聚合物形變時的測量系統(tǒng)，包括激發(fā)光光源單元、光學(xué)顯微單元、高精度機械拉伸單元以及單分子熒光成像單元。

如圖1所示，激發(fā)光光源單元包括一個以上的激發(fā)光光源1(本發(fā)明實施例中采用波長為473nm和波長為532nm的兩個激發(fā)光光源，以此為例，不限于此，可以根據(jù)需要進行設(shè)置)、若干反射鏡2、一格蘭泰勒棱鏡3、兩光闌、一1/4波片5、五光學(xué)透鏡、一快門7、一斬波器8和一中性密度濾波片9。

兩個激發(fā)光光源1發(fā)出不同波長的激發(fā)光分別經(jīng)若干反射鏡2反射后依次進入格蘭泰勒棱鏡3起偏成為線偏振光，經(jīng)格蘭泰勒棱鏡3出射的線偏振光經(jīng)第一光闌41發(fā)射到1/4波片5形成圓偏振光以激發(fā)各個方向取向的熒光探針，經(jīng)1/4波片5出射的圓偏振光經(jīng)反射鏡2反射，并依次發(fā)射到第一光學(xué)透鏡61、快門7和第二光學(xué)透鏡62，第一光學(xué)透鏡61和第二光學(xué)透鏡62組成4f系統(tǒng)消除光路快門7孔徑與光束束徑不匹配帶來的影響，經(jīng)第二光學(xué)透鏡62出射的激發(fā)光經(jīng)反射鏡2反射到斬波器8，斬波器8對激發(fā)光的頻率進行調(diào)制后通過第二光闌42發(fā)射到中性密度濾波片9進行濾波處理，經(jīng)中性密度濾波片9出射的激發(fā)光經(jīng)反射鏡2反射并依次進入第三光學(xué)透鏡63和第四光學(xué)透鏡64，第三光學(xué)透鏡63和第四光學(xué)透鏡64之間的間距可根據(jù)實際進行調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)第三光學(xué)透鏡63和第四光學(xué)透鏡64實現(xiàn)激發(fā)光于光學(xué)顯微單元的高數(shù)值孔徑物鏡10負(fù)焦平面處聚焦從而出射為平行擴束的圓偏振光。

經(jīng)第四光學(xué)透鏡64出射的圓偏振光經(jīng)反射鏡2反射進入光學(xué)顯微單元，光學(xué)顯微單元采用倒置顯微鏡，激發(fā)光經(jīng)高數(shù)值孔徑物鏡10聚焦待測樣品，待測樣品固定設(shè)置在高精度機械拉伸單元11上，高精度機械拉伸單元11用于對待測樣品進行拉伸測試，獲得待測樣品應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，激發(fā)光激發(fā)待測樣品的熒光探針產(chǎn)生熒光，熒光信號經(jīng)高數(shù)值孔徑物鏡10收集并經(jīng)反射鏡2透射，經(jīng)反射鏡2透射的熒光經(jīng)第五光學(xué)透鏡65和反射鏡2發(fā)射到單分子熒光成像單元12，單分子熒光成像單元12用于在待測樣品形變過程中進行單分子顯微成像，即對擴散慢體系(凝膠、高分子固體薄膜等)內(nèi)的熒光探針進行實時追蹤成像，本發(fā)明可以通過外部計算機將高精度機械拉伸單元11獲得待測樣品應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)與單分子熒光成像結(jié)果進行關(guān)聯(lián)分析后得到不同樣品形變狀態(tài)下熒光探針周圍分子鏈的運動和空間取向信息從而得到玻璃態(tài)聚合物在局部和觀察區(qū)域整體的鏈響應(yīng)信息。

在一個優(yōu)選的實施例中，單分子熒光成像單元12可以采用高靈敏度EMCCD相機。

在一個優(yōu)選的實施例中，高精度機械拉伸單元11為原位單軸雙向機械拉伸裝置，如圖2～3所示，高精度機械拉伸單元包括基板11-1、高性能伺服電機(圖中未示出)、具有雙向螺紋的傳動軸(可以為雙向絲杠)11-2和樣品固定/拉伸組件11-3。基板11-1包括下層基板11-11、中層基板11-12和上層基板11-13，相鄰層間基板之間不直接接觸而通過導(dǎo)軌11-4間接固定，例如下層基板11-11與中層基板11-12之間設(shè)置X方向?qū)к?，中層基?1-12與上層基板11-13之間設(shè)置Y方向?qū)к墸瑢娱g導(dǎo)軌用于X-Y面的調(diào)節(jié)從而實現(xiàn)在拉伸方向及垂直于拉伸方向上的位置調(diào)節(jié)，下層基板11-11用于與倒置顯微鏡進行固定，高性能伺服電機固定連接雙向螺紋的傳動軸11-2，雙向螺紋的傳動軸11-2分別固定連接樣品固定/拉伸組件11-3，外部的計算機通過控制高性能伺服電機運動實現(xiàn)對待測樣品形變的精確控制。為了平衡受力，樣品固定/拉伸組件11-3通過固定設(shè)置在上層基板11-13的并行雙導(dǎo)軌11-5實現(xiàn)滑動，保證了形變測試的穩(wěn)定性，樣品固定/拉伸組件11-3的具體結(jié)構(gòu)不做限制，只要能夠?qū)崿F(xiàn)對待測樣品的固定/拉伸即可，例如夾子等。

下面詳細說明本發(fā)明的基于單分子熒光顯微成像獲取聚合物形變時的測量系統(tǒng)的具體使用過程為：

1、打開激發(fā)光光源1并將擴束后的激發(fā)光束調(diào)節(jié)準(zhǔn)直使之成為平行的圓偏振光；

2、調(diào)節(jié)光學(xué)顯微單元，根據(jù)實驗需要將成像模式設(shè)置為全內(nèi)反射或透射；

3、將高精度機械拉伸單元11的基板11-1及樣品固定/拉伸組件11-3位置歸零；

4、取待測樣品使其固定于樣品固定/拉伸組件11-3上，在拉伸方向及垂直于拉伸方向上微調(diào)使觀察目標(biāo)位置處于高數(shù)值孔徑物鏡10正上方；

5、切換到所需放大倍數(shù)物鏡，調(diào)節(jié)高數(shù)值孔徑物鏡10高度使之達到合適的聚焦位置；

6、打開高精度機械拉伸單元11，并進行拉伸方案設(shè)置；

7、調(diào)節(jié)光學(xué)顯微單元和單分子熒光成像單元12，以達到最佳成像效果；

8、單分子熒光成像單元12進行成像錄制，并啟動高精度機械拉伸單元11執(zhí)行所設(shè)定的拉伸方案；

9、通過高精度機械拉伸單元11獲得待測樣品應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，與單分子熒光成像結(jié)果進行關(guān)聯(lián)分析后得到不同樣品形變狀態(tài)下玻璃態(tài)聚合物在局部和觀察區(qū)域整體的鏈響應(yīng)信息；

10、按需切換不同放大倍數(shù)物鏡，參照上述步驟以進行不同尺度觀察與分析。

上述各實施例僅用于說明本發(fā)明，其中各部件的結(jié)構(gòu)、連接方式和制作工藝等都是可以有所變化的，凡是在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進行的等同變換和改進，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護范圍之外。