[发明专利]一种基于远场显微镜的高分子流变构象观测仪

说明书

本发明涉及一种基于远场显微镜的高分子流变构象观测仪，包括：耦合流变仪模块、样品池模块、单分子荧光共振能量转移模块和软件终端模块；所述软件终端模块的一端与所述单分子荧光共振能量转移模块、耦合流变仪模块连接，所述软件终端模块的另一端与所述耦合流变仪模块的另一端连接；所述样品池模块的一端与耦合流变仪模块连接，另一端与单分子荧光共振能量转移模块连接。本发明的基于远场显微镜的高分子流变构象观测仪运用能量转移随荧光给体和受体距离衰减的物理特性，可精准测量高分子在流动、形变过程中的构象信息，结合力学传感器，可在高分子流动、形变过程中同时检测高分子的构象和流变学信号例如应力、应变、粘度和模量等。

技术领域

本发明属于高分子流变性能的测量装置设计及测量方法技术领域，具体涉及一种基于远场显微镜的高分子流变构象观测仪。

背景技术

合成高分子是世界一千年来改变人类生活与面貌的重大发明之一。虽然通用高分子制品的生产能力较强、数量巨大，但是目前高端高分子制品的质量和性能不能满足国防、航天、医疗、信息、能源等重要领域的需求。高分子流变学是研究高分子材料成型加工的基础。通过加工、使分子层面上链取向、链间缠结重整化、最优化，可以提高材料的宏观力学性能。建立高分子熔体或溶液宏观形变(或流动)、物性参数(如应力，应变、粘度和模量)和微观结构三者的本构关系可以为基于分子层面的流变模型的材料设计、模具和设备的构建、及加工工艺条件的优化提供理论基础。大量的国防与民用高分子材料与受限高分子流体动力学相关，如：飞机、高铁、舰船上高分子与金属、金属与金属间的轻量化、超强、超韧黏结。为了开展受限条件下超快速大形变条件下缠结高分子流体动力学的基础研究，实现该时空条件下分子链的原位分析至关重要，而研发出相应的观测仪器，是实现这一目标的基础。

经典高分子流变仪(例如毛细管流变仪、扭矩式流变仪和动态旋转式流变仪等)的测试原理都是基于应力-应变响应，结合流变学的经典模型和理论，来研究典型高分子加工技术中的流变学问题。这种研究策略不能直接获得流变过程中的高分子构象，且忽视了流体流速空间的非连续性分布问题。因此，目前的经典流变仪设备难以从分子层面解析高分子非线性流变行为的物理机制，且微观分子层面作用机制与相应宏观力学信号的对应关系也不明晰。光学流变仪的出现使得观测高分子微观流动行为成为可能。光学流变仪将光学显微镜与流变仪联用极大地拓展了流变仪研究流体微观结构与宏观力学响应关系的能力，使得人们真正能从介观尺度研究流体内颗粒分布和颗粒动力学行为。如：美国Akron大学的王十庆教授对流变仪进行了改造，发明了粒子示踪测速仪(ParticleTrackingVelocimetry,PTV)。该仪器可通过在体系中加入少量直径10μm的镀银玻璃微粒，借助激光打在玻璃球上产生散射，然后采用CCD跟踪镀银微粒在流变仪中的运动，来表征高分子溶液或熔体的运动。这突破了传统流变仪只能测量力学响应的限制。王十庆课题组利用粒子示踪测速仪技术研究发现，高分子体系在剪切应力下流场分布表现出剪切非均匀性，包括剪切过程中的剪切断层和剪切停止后的非静态松弛。这项流变仪和光学显微镜联用技术为高分子流变学科发展带来了新思想。最近，奥地利安东帕(Anton-Paar)公司已经实现了光学显微镜和旋转流变仪联用系统的商业化，其核心思想与王十庆教授搭建的“粒子示踪测速仪”类似。光学显微镜和旋转流变仪的联用极大地拓展了流变仪研究流体微观结构与宏观力学响应关系的能力，使得人们真正能从介观尺度研究流体内颗粒分布和颗粒动力学行为。然而，一方面，传统的光学显微镜通常只研究远离光源或者远离物体的光场分布，在原理上它存在远场衍射极限(瑞利衍射极限)，限制了成像分辨率。因此，即使是最先进的光学流变仪，其空间分辨率仅为700nm，从而不能直接观测高分子的构象信息；另一方面，由于镀银微粒与高分子链尺度相差很大，颗粒是否影响高分子链的运动还存在争议。除此之外，现有的光散射，x-光散射、中子散射和固体核磁共振等实验技术只能表征高分子链的静态结构，很难描述其动力学演化行为；现有的光学流变学设备可以很好地在线测量材料的宏观和介观流变性质，但是很难同时原位获取高分子链的微观动态结构信息。