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(shí)的測(cè)量系統(tǒng)，涉及對(duì)聚合物形變機(jī)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(shì)外還在于其具有良好的機(jī)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(huì)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(shí)進(jìn)一步增強(qiáng)聚合物的模量和韌性，這就要求對(duì)玻璃態(tài)聚合物在外力作用下發(fā)生形變的機(jī)理有更深層次的理解。研究玻璃態(tài)聚合物的形變機(jī)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(shí)就存在非常復(fù)雜的物理特性如空間的動(dòng)態(tài)非均勻性和結(jié)構(gòu)松弛的特性，而形變過(guò)程中還進(jìn)一步表現(xiàn)出非線性的響應(yīng)特征。對(duì)于聚合物形變時(shí)非線性響應(yīng)的研究已經(jīng)進(jìn)行了相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。

理論方面，1936年Eyring提出外力降低分子重排勢(shì)壘從而使玻璃具有流動(dòng)性的觀點(diǎn)來(lái)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(lái)描述玻璃態(tài)聚合物的形變行為。

實(shí)驗(yàn)方面，Gleason等通過(guò)固態(tài)核磁方法研究了尼龍-6的拉伸形變過(guò)程，證明了形變時(shí)無(wú)定形區(qū)鏈運(yùn)動(dòng)能力的增強(qiáng)(“Chain Mobility in the Amorphous Region of Nylon 6 Observed under Active Uniaxial Deformation”Science 2000,288,(5463),116-119.)；Argon等通過(guò)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(shí)的鏈運(yùn)動(dòng)能力，發(fā)現(xiàn)聚合物在遠(yuǎn)低于其玻璃化溫度下被壓縮時(shí)，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(shí)的滲透速率相當(dāng)(“Enhanced Case-II diffusion of diluents into glassy polymers undergoing plastic flow”P(pán)olymer 2001,42,(2),613-621.)；Vigier等結(jié)合動(dòng)態(tài)機(jī)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(shí)發(fā)現(xiàn)形變過(guò)程中聚合物內(nèi)部產(chǎn)生許多鏈運(yùn)動(dòng)能力較強(qiáng)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”P(pán)hys.Rev.Lett.2006,97,(20),207801.)。

盡管經(jīng)過(guò)了許多實(shí)驗(yàn)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(shí)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(jí)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(duì)探針進(jìn)行漂白使發(fā)射的熒光具有各向異性，之后通過(guò)跟蹤計(jì)算形變過(guò)程中熒光各向異性的衰減實(shí)現(xiàn)了定量研究聚合物鏈運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)信息，無(wú)法用來(lái)描述分子鏈級(jí)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(lái)解釋聚合物形變時(shí)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(dá)到單分子級(jí)別的實(shí)驗(yàn)測(cè)試手段來(lái)更精細(xì)地研究玻璃態(tài)聚合物在形變過(guò)程中的鏈響應(yīng)行為。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問(wèn)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(shí)的測(cè)量系統(tǒng)，能夠更精細(xì)地研究玻璃態(tài)聚合物在形變過(guò)程中的鏈響應(yīng)行為。

為實(shí)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(shí)的測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，該測(cè)量系統(tǒng)包括：一用于使得一個(gè)以上的激發(fā)光光源產(chǎn)生圓偏振光以激發(fā)各個(gè)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(huì)聚到發(fā)生形變的待測(cè)樣品，同時(shí)將待測(cè)樣品產(chǎn)生的熒光信號(hào)收集并導(dǎo)出的光學(xué)顯微單元；一用于固定設(shè)置待測(cè)樣品，并對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行拉伸測(cè)試，獲得待測(cè)樣品應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)的高精度機(jī)械拉伸單元；一用于在待測(cè)樣品形變過(guò)程中進(jìn)行單分子顯微成像的單分子熒光成像單元。

進(jìn)一步地，該測(cè)量系統(tǒng)還包括一計(jì)算機(jī)，所述計(jì)算機(jī)獲取所述待測(cè)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(jìn)行關(guān)聯(lián)分析后得到待測(cè)樣品形變狀態(tài)下熒光探針周?chē)肿渔湹倪\(yùn)動(dòng)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(jìn)一步地，所述激發(fā)光光源單元一個(gè)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(mén)、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(zhǎng)的激發(fā)光分別經(jīng)若干反射鏡反射后依次進(jìn)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(mén)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(duì)激發(fā)光的頻率進(jìn)行調(diào)制后通過(guò)第二光闌發(fā)射到所述中性密度濾波片進(jìn)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(jìn)入第三光學(xué)透鏡和第四光學(xué)透鏡，通過(guò)調(diào)節(jié)所述第三光學(xué)透鏡和第四光學(xué)透鏡實(shí)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(kuò)束的圓偏振光，經(jīng)所述第四光學(xué)透鏡出射的光進(jìn)入所述光學(xué)顯微單元。

進(jìn)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(cè)樣品，待測(cè)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(jìn)一步地，所述單分子熒光成像單元采用EMCCD相機(jī)。

進(jìn)一步地，所述高精度機(jī)械拉伸單元為原位單軸雙向機(jī)械拉伸裝置，所述高精度機(jī)械拉伸單元包括基板、伺服電機(jī)、具有雙向螺紋的傳動(dòng)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(cè)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(guò)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(shí)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(jìn)行固定，所述伺服電機(jī)固定連接所述雙向螺紋的傳動(dòng)軸，所述雙向螺紋的傳動(dòng)軸分別固定連接所述樣品固定/拉伸組件，所述伺服電機(jī)通過(guò)所述計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)樣品形變的控制，所述樣品固定/拉伸組件通過(guò)固定設(shè)置在所述上層基板的并行雙導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)。

本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：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(gè)方向取向的熒光探針，因此本發(fā)明不需要線偏振光進(jìn)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(gè)以上的激發(fā)光光源，因此通過(guò)寬場(chǎng)成像可以同時(shí)得到觀察區(qū)域眾多熒光探針的信號(hào)。3、本發(fā)明通過(guò)高精度機(jī)械拉伸單元對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行拉伸測(cè)試，獲得待測(cè)樣品應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，同時(shí)采用單分子熒光成像單元在待測(cè)樣品形變過(guò)程中進(jìn)行單分子顯微成像，通過(guò)外部計(jì)算機(jī)將高精度機(jī)械拉伸單元獲得待測(cè)樣品應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)與單分子熒光成像結(jié)果進(jìn)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?chē)肿渔湹倪\(yùn)動(dòng)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(jí)別的實(shí)驗(yàn)測(cè)試手段更精細(xì)地研究玻璃態(tài)聚合物在形變過(guò)程中的鏈響應(yīng)行為。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明測(cè)量系統(tǒng)的原理示意圖；

圖2是本發(fā)明的高精度機(jī)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(jī)械拉伸單元的側(cè)視示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖來(lái)對(duì)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(duì)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(yǔ)“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(duì)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(shí)的測(cè)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(jī)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(gè)以上的激發(fā)光光源1(本發(fā)明實(shí)施例中采用波長(zhǎng)為473nm和波長(zhǎng)為532nm的兩個(gè)激發(fā)光光源，以此為例，不限于此，可以根據(jù)需要進(jìn)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(mén)7、一斬波器8和一中性密度濾波片9。

兩個(gè)激發(fā)光光源1發(fā)出不同波長(zhǎng)的激發(fā)光分別經(jīng)若干反射鏡2反射后依次進(jìn)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(gè)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(mén)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(mén)7孔徑與光束束徑不匹配帶來(lái)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(duì)激發(fā)光的頻率進(jìn)行調(diào)制后通過(guò)第二光闌42發(fā)射到中性密度濾波片9進(jìn)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(jìn)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(shí)際進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過(guò)調(diào)節(jié)第三光學(xué)透鏡63和第四光學(xué)透鏡64實(shí)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(kuò)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(jìn)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(cè)樣品，待測(cè)樣品固定設(shè)置在高精度機(jī)械拉伸單元11上，高精度機(jī)械拉伸單元11用于對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行拉伸測(cè)試，獲得待測(cè)樣品應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，激發(fā)光激發(fā)待測(cè)樣品的熒光探針產(chǎn)生熒光，熒光信號(hào)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(cè)樣品形變過(guò)程中進(jìn)行單分子顯微成像，即對(duì)擴(kuò)散慢體系(凝膠、高分子固體薄膜等)內(nèi)的熒光探針進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤成像，本發(fā)明可以通過(guò)外部計(jì)算機(jī)將高精度機(jī)械拉伸單元11獲得待測(cè)樣品應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)與單分子熒光成像結(jié)果進(jìn)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?chē)肿渔湹倪\(yùn)動(dòng)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(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，單分子熒光成像單元12可以采用高靈敏度EMCCD相機(jī)。

在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，高精度機(jī)械拉伸單元11為原位單軸雙向機(jī)械拉伸裝置，如圖2～3所示，高精度機(jī)械拉伸單元包括基板11-1、高性能伺服電機(jī)(圖中未示出)、具有雙向螺紋的傳動(dòng)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(guò)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墸袑踊?1-12與上層基板11-13之間設(shè)置Y方向?qū)к?，層間導(dǎo)軌用于X-Y面的調(diào)節(jié)從而實(shí)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(jìn)行固定，高性能伺服電機(jī)固定連接雙向螺紋的傳動(dòng)軸11-2，雙向螺紋的傳動(dòng)軸11-2分別固定連接樣品固定/拉伸組件11-3，外部的計(jì)算機(jī)通過(guò)控制高性能伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)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(guò)固定設(shè)置在上層基板11-13的并行雙導(dǎo)軌11-5實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)，保證了形變測(cè)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(duì)待測(cè)樣品的固定/拉伸即可，例如夾子等。

下面詳細(xì)說(shuō)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(shí)的測(cè)量系統(tǒng)的具體使用過(guò)程為：

1、打開(kāi)激發(fā)光光源1并將擴(kuò)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(shí)驗(yàn)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(jī)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(cè)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(dá)到合適的聚焦位置；

6、打開(kāi)高精度機(jī)械拉伸單元11，并進(jìn)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(dá)到最佳成像效果；

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

9、通過(guò)高精度機(jī)械拉伸單元11獲得待測(cè)樣品應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，與單分子熒光成像結(jié)果進(jìn)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(jìn)行不同尺度觀察與分析。

上述各實(shí)施例僅用于說(shuō)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(jìn)行的等同變換和改進(jìn)，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護(hù)范圍之外。