2008春-納米材料的表征技術(shù)

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1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,納米材料的表征技術(shù),納米醫(yī)藥與生物傳感器實(shí)驗(yàn)室,2008,掃描電子顯微鏡,透射電子顯微鏡,原子力顯微鏡,激光共聚焦掃描顯微鏡,激光粒度儀,zeta,電位儀,OUTLINE,顯微鏡的發(fā)展史,第一代：光學(xué)顯微鏡,(Optical Microscope),1830,年，為,M.Schleide,和,T.Schmann,所發(fā)明,至今仍是主要的顯微工具。,極限分辨率是,200,納米。,(400x),第二代：電子顯微鏡,(Elect

2、ron Microscope),20,世紀(jì),30,年代早期,E.Ruska,發(fā)明了電子顯微鏡，使人類能”看”到病毒等亞微米的物體，它與光學(xué)顯微鏡一起成了微電子技術(shù)的基本工具。,掃描電子顯微鏡,Scanning Electron Microscope,（,SEM,），分辨率,6-10nm,透射電子顯微鏡,Transmission Electron Microscope,（,TEM,），分辨率,0.2nm,(4000x),第三代：掃描探針顯微鏡,(Scanning Probe Microscope,，,SPM),1981,年,Gerd,Binnig & Heinrich Rohrer,發(fā)明掃描隧道

3、顯微鏡（,STM,）,1985,年,C.F.Quate,發(fā)明可適用于非導(dǎo)電樣品的原子力顯微鏡（,Atomic Force Microscope ,AFM,）構(gòu)建了掃描探針顯微鏡（,SPM,）系列。,(?x),掃描電子顯微鏡,掃描電子顯微鏡,掃描電子顯微鏡的簡(jiǎn)稱為掃描電鏡，英文縮寫為,SEM,(Scanning Electron Microscope),。,是,顯微結(jié)構(gòu)分析,的主要儀器，已廣泛用于材料、冶金、礦物、生物學(xué)等領(lǐng)域。,入射電子與樣品核外電子碰撞，使樣品表面的核外電子被激發(fā)出來(lái)的電子，是作為,SEM,的成像信號(hào)，代表樣品表面的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),樣品,入射電子,Auger,電子,陰極發(fā)光,背散射

4、電子,二次電子,X,射線,透射電子,一束細(xì)聚焦的電子束轟擊試樣表面時(shí)，入射電子與樣品的原子核和核外電子將產(chǎn)生,彈性,或,非彈性,散射作用，并激發(fā)出：,反映試樣,形貌、結(jié)構(gòu)和組成,的各種信息,原理,二次電子,背散射電子,陰極發(fā)光,特征,X,射線,俄歇過程和俄歇電子,吸收電子,透射電子等,工作原理,由聚光鏡和物鏡組成的電子光學(xué)系統(tǒng)，將電子槍發(fā)射出的電子聚集成一極細(xì)的電子束，并聚焦于樣品的表面，按順序逐行逐行地對(duì)樣品表面進(jìn)行掃描，然后把從樣品表面發(fā)射出來(lái)的,二次電子,用檢出器收集起來(lái)，再經(jīng)視頻放大形成圖像信號(hào)，經(jīng)顯像管顯示。,Various,SEMs,Quanta 400 FEG ESEM,Hita

5、chi S5500,JSM-6301F FEG SEM,主要結(jié)構(gòu),電子光學(xué)系統(tǒng),掃描系統(tǒng),信號(hào)檢測(cè)放大系統(tǒng),圖象顯示和記錄系統(tǒng),電源和,真空系統(tǒng),等,真空系統(tǒng),電子束的穿透能力很弱，只有在高真空的情況下，才能達(dá)到一定的行程；,因此，必須將電子束通道，即鏡筒抽成高真空。鏡筒高真空的好壞，直接影響到電鏡能否正常工作；,一般情況下，真空度通常保持在,1.3310,-4,-10,-5,Pa,（,10,-5,-10,-6,mmHg,）。,病毒結(jié)構(gòu),流感病毒,SARS,病毒,主要性能與特點(diǎn),放大倍率高,分辨率高,景深大,保真度好,樣品制備簡(jiǎn)單,放大倍率高,從幾十放大到幾十萬(wàn)倍，連續(xù)可調(diào)。,放大倍率不是越大

6、越好，要根據(jù)有效放大倍率和分析樣品的需要進(jìn)行選擇。,如果選擇高于有效放大率的放大倍率，不會(huì)增加圖像細(xì)節(jié)，只是虛放，一般無(wú)實(shí)際意義。,放大倍率是由分辨率制約，不能盲目看儀器放大倍率指標(biāo)。,分辨率高,分辨率指能分辨的兩點(diǎn)之間的最小距離。,分辨率,d,可以用貝克公式表示,:,d=0.61,/nsin,，,為透鏡孔徑半角，,為照明樣品的光波長(zhǎng)，,n,為透鏡與樣品間介質(zhì)折射率。,對(duì)光學(xué)顯微鏡,d,200nm,。要提高分辨率可以通過減小照明波長(zhǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。,SEM,是用電子束照射樣品，,可達(dá),0.0085nm,。目前用鎢燈絲的,SEM,，分辨率已達(dá)到,3nm-6nm,場(chǎng)發(fā)射源,SEM,分辨率可達(dá),1nm,。,

7、景深大,景深,:,能同時(shí)被眼看清楚的空間深度,景深大的圖像立體感強(qiáng)，對(duì)粗糙不平的斷口樣品觀察需要大景深的,SEM,。一般情況下，,SEM,景深比,TEM,大,10,倍，比光學(xué)顯微鏡大,100,倍。,多孔,SiC,陶瓷,保真度好,樣品通常不需要作任何處理即可以直接進(jìn)行觀察，所以不會(huì)由于制樣原因而產(chǎn)生假象。,樣品制備簡(jiǎn)單,樣品可以是自然面、斷口、塊狀、粉體、反光及透光光片，對(duì)不導(dǎo)電的樣品只需蒸鍍一層,20nm,的導(dǎo)電膜。,許多,SEM,具有圖像處理和圖像分析功能。有的,SEM,加入附件后，能進(jìn)行加熱、冷卻、拉伸及彎曲等動(dòng)態(tài)過程的觀察。,血小板黏附,白細(xì)胞黏附,環(huán)境掃描電子顯微鏡,普通的,SEM,研

8、究生物樣品均要經(jīng)過脫水、樹脂包埋等處理，這種方法觀察到的生物樣品是死的，非實(shí)時(shí)的，因而限制了電鏡在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用,1995,年以后，國(guó)外推出了樣品室壓力為常壓的環(huán)境掃描電鏡，可在幾乎接近常壓下觀察生物樣品，可以觀察活體生物生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)的超微結(jié)構(gòu)變化,環(huán)境掃描電鏡的出現(xiàn)，將使電鏡在生物醫(yī)學(xué)研究中產(chǎn)生驚人的飛躍,透 射 電 子 顯 微 鏡,透 射 電 子 顯 微 鏡,透射電鏡（,transmission microscope, TEM,）是應(yīng)用最廣泛的一種電子顯微鏡,主要是利用透射電子成像,與光學(xué)顯微鏡光路相似,分辨率高,工作原理,成像原理與光學(xué)顯微鏡類似,透射電子成像,樣品,入射電子,Auger

9、,電子,陰極發(fā)光,背散射電子,二次電子,X,射線,透射電子,透 射 電 子 顯 微 鏡,結(jié)構(gòu)組成,樣品制備,要求：,供,TEM,分析的樣品必須對(duì)電子束是透明的，通常樣品觀察區(qū)域的厚度以控制在約,100-200nm,為宜。,所制得的樣品還必須具有代表性以真實(shí)反映所分析材料的某些特征。因此，樣品制備時(shí)不可影響這些特征。,TEM,觀察納米粒子的大小、形貌,Rubpy,-doped silica,nanoparticles,原子力顯微鏡,原子力顯微鏡（,Atomic Force Microscopy,AFM,）,1985,年由,IBM,公司的,Binnig,與斯坦福大學(xué)的,Quate,開發(fā),可以測(cè)得樣

10、本表面的起伏高低和幾何形狀，樣本可為導(dǎo)體或非導(dǎo)體，解決了,STM,在樣品材料上的限制。,原子級(jí)的分辨率,測(cè)量的環(huán)境：可不必在真空的環(huán)境中，直接可在,大氣中或者在液相中。,在液相中的測(cè)量除了改善了在空氣中測(cè)量上水氣所造影響之外，在對(duì)于,生物樣本,的測(cè)量上可使生物樣本在其最適合的生理環(huán)境中被觀察及測(cè)量。因此，其應(yīng)用就更加的廣泛了。,簡(jiǎn) 介,工作,原理,-,理論基礎(chǔ),原子間作用力，即范德華力（,Van,der,Waals Force,）,原子力顯微鏡,利用原子之間的范德華力來(lái)呈現(xiàn)樣品的表面特性。,工作原理,在原子力顯微鏡的系統(tǒng)中，是利用微小探針與待測(cè)物之間相互作用力，來(lái)呈現(xiàn)待測(cè)物的表面物理特性。,測(cè)

11、量的力,有幾種典型的力會(huì)造成原子力顯微鏡懸臂的歪斜，最普遍的是,范德華力（,Van,der,Waals Force,）,，其它還有如,靜電力（,Electrostatic Force,）,，,磁力（,Magnetic Force,）,，,溫度梯度（,Thermal Gradients,）,，和,光強(qiáng)（,Optical Intensity,）,等。,反饋系統(tǒng),力檢測(cè)部分,位置檢測(cè)部分,硬件結(jié)構(gòu),重要部件,-,懸臂,&,針尖,silicon cantilever with an integrated tip,工作模式,AFM,有多種工作模式，常用的為以下三種：,接觸模式（,Contact Mode

12、,）,：作用力在斥力范圍，力的量級(jí)為,10,-9,-10,-8,N,，或,1-10eV/,，可達(dá)到原子級(jí)分辨率。,非接觸模式（,Non-Contact Mode,）,：作用力在引力范圍。,輕敲模式（,Tapping Mode,）：,接觸與非接觸兩種模式的混合。,根據(jù)樣品表面不同的結(jié)構(gòu)特征和材料的特性以及不同的研究需要，選擇合適的工作模式。,掃描方式,接觸模式下，其掃描方式可分成下列兩種方式：,恒力掃描,(Constant Force Mode),恒高掃描,(Constant Height Mode),優(yōu)點(diǎn),：適用于樣品表面起伏大的樣品。,缺點(diǎn),：掃描速度慢，所需掃描時(shí)間較久,。,優(yōu)點(diǎn),：因其是

13、直接由探針的偏移量所得之表面輪廓資料，所以其解析度較定力模式高。,缺點(diǎn),：僅適用于較平坦的樣品。,AFM,的三大特點(diǎn),原子級(jí)的高分辨率,觀察活的生命樣品,加工樣品的力行為,1,、原子級(jí)的高分辨率,光學(xué)顯微鏡的放大倍數(shù)一般都超不過,1000,倍,;,電子顯微鏡的放大倍數(shù)極限為,100,萬(wàn)倍,;,而,AFM,的放大倍數(shù)能高達(dá),10,億倍。,AFM,的三大特點(diǎn),1,、原子級(jí)的高分辨率,人纖維蛋白原在材料表面的吸附,a,b,c,不同組裝條件下涂層的原子力顯微鏡,(AFM),結(jié)果,AFM,觀察納米涂層,2,、觀察活的生命樣品,電子顯微鏡的樣品必須進(jìn)行固定、脫水、包埋、切片、染色等一系列處理，因此電子顯微

14、鏡只能觀察死的細(xì)胞或組織的微觀結(jié)構(gòu),原子力顯微鏡的樣本可以是生理狀態(tài)的各種物質(zhì),在大氣條件或溶液中都能進(jìn)行,因而只需很少或不需對(duì)樣品作前期處理,這樣,就使,AFM,能觀察任何活的生命樣品及動(dòng)態(tài)過程。,AFM,的三大特點(diǎn),AFM,觀察生物樣品,蛋白質(zhì),染色體,3,、加工樣品的力行為,測(cè)試樣品的硬度和彈性等,;,產(chǎn)生和測(cè)量電化學(xué)反應(yīng)；,具有對(duì)標(biāo)本的分子或原子進(jìn)行加工的力行為,例如,:,可搬移原子，切割染色體，在細(xì)胞膜上打孔等等,AFM,的三大特點(diǎn),納米加工與操縱,納米加工與操縱,AFM,輔助可控組裝技術(shù)制備硅表面上的金納米粒子陣列,共聚焦激光掃描顯微鏡,相關(guān)概念,488nm 520nm,異硫氰酸熒

15、光素,(FITC),發(fā)射光,(EMISSION):,被激發(fā)出的熒光,熒光探針,：能產(chǎn)生熒光的特異性生物染料（,PI,Dapi,),、,標(biāo)有熒光素的特異性蛋白結(jié)合物（熒光抗體）,熒光物質(zhì),：某些物質(zhì)在特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光線照射下，可發(fā)出波長(zhǎng)比照射光長(zhǎng)的光線,熒光。受激發(fā)后能產(chǎn)生熒光的物質(zhì)稱熒光物質(zhì)或熒光素,激發(fā)光,(EXCITATION),：能特異性地激發(fā)某種熒光素的一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光線稱為該熒光素的激發(fā)光。,什么是,激光共聚焦掃描顯微鏡？,C,onfocal,L,aser,S,canning,M,icroscope,，,CLSM,以激光作為激發(fā)光源，采用光源針孔與檢測(cè)針孔共軛聚焦技術(shù)，對(duì)樣本進(jìn)行

16、斷層掃描，以獲得高分辨率光學(xué)切片的熒光顯微鏡系統(tǒng),當(dāng)所觀察的熒光標(biāo)本稍厚時(shí)，普通熒光顯微鏡不僅接收焦平面上的光量，而且來(lái)自焦平面上方或下方的散射熒光也被物鏡接收，這些來(lái)自焦平面以外的熒光使觀察到的圖像反差和分辨率大大降低。,普通熒光顯微鏡的不足,采用點(diǎn)光源照射標(biāo)本，在焦平面上形成一個(gè)輪廓分明的小的光點(diǎn)，該點(diǎn)被照射后發(fā)出的熒光被物鏡收集，并沿原照射光路回送到由雙向色鏡構(gòu)成的分光器。分光器將熒光直接送到探測(cè)器。,光源和探測(cè)器前方都各有一個(gè)針孔，分別稱為,照明針孔,和,探測(cè)針孔,。兩者的幾何尺寸一致，約,100-200nm,；,相對(duì)于焦平面上的光點(diǎn)，兩者是,共軛的,，,即光點(diǎn)通過一系列的透鏡，最終可

17、同時(shí)聚焦于照明針孔和探測(cè)針孔。,這樣，來(lái)自焦平面的光，可以會(huì)聚在探測(cè)孔范圍之內(nèi)，而來(lái)自焦平面上方或下方的散射光都被擋在探測(cè)孔之外而不能成像。,以激光逐點(diǎn)掃描樣品，探測(cè)針孔后的光電倍增管也逐點(diǎn)獲得對(duì)應(yīng)光點(diǎn)的共聚焦圖像，轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)傳輸至計(jì)算機(jī)，最終在屏幕上聚合成清晰的整個(gè)焦平面的共聚焦圖像。,基本原理,光電倍增管,檢測(cè)針孔,光源針孔,光源,分色鏡,物鏡,樣本,聚集平面,高分辨率的光學(xué)切片,檢測(cè)針孔和光源針孔始終聚焦于同一點(diǎn)，使聚焦平面以外被激發(fā)的熒光不能進(jìn)入檢測(cè)針孔,實(shí)現(xiàn)三維重建,激光穿透性強(qiáng),，,可,對(duì)樣本進(jìn)行一定深度,光學(xué),斷層，獲得高標(biāo)準(zhǔn)的連續(xù)光學(xué)切片,基本配置,Laser,and ele

18、ctronic,Control Unit,激光光源及,控制裝置,Computer,計(jì)算機(jī),Confocal,scan and detector unit,共聚焦掃描及檢測(cè)裝置,Microscope,熒光顯微鏡,Anti-vibration table,防震臺(tái),Leica,TCS SP-2 MP AOBS,Confocal,System,觀察方式：以熒光為主,光源：激光（紫外、可見光、近紅外）,照明方式：點(diǎn)照明、逐點(diǎn)掃描,成像方式：共聚焦、逐點(diǎn)成像,輸出：實(shí)時(shí)觀測(cè),數(shù)字化圖像，可以進(jìn)行圖像處理和定,量分析,多重染色樣品的觀察,C,LSM,的基本特點(diǎn),激光共聚焦掃描顯微鏡,Confocal,Las

19、er Scanning Microscope,應(yīng)用領(lǐng)域,-,生命科學(xué),只要目的結(jié)構(gòu)是用熒光探針標(biāo)記的，都可用,激光共聚焦掃描顯微鏡觀察。,形態(tài)學(xué)研究,：細(xì)胞結(jié)構(gòu)、,細(xì)胞凋亡、腫瘤細(xì)胞分類、細(xì)胞膜流動(dòng)性,分子生物學(xué),：原位雜交，,DNA,、,RNA,定量，,DNA,損傷修復(fù)、外源性基因在真核細(xì)胞的表達(dá)、定位，熒光能量共振轉(zhuǎn)移,大分子構(gòu)象的改變、受體與配體相互作用,活細(xì)胞動(dòng)態(tài)熒光測(cè)量,：細(xì)胞內(nèi),Ca,2+,、,K,+,、,H,+,等離子的動(dòng)態(tài)分布及動(dòng)態(tài)定量、熒光漂白恢復(fù),細(xì)胞連接間的信息溝通,直接對(duì)活組織或整體胚胎觀察,三維膠原基質(zhì)培養(yǎng)的血管平滑肌細(xì)胞,藍(lán)色為細(xì)胞核,綠色為微管,激光粒度儀,粒度,

20、：,顆粒的大小叫做顆粒的粒度。,粒徑和等效粒徑：,等效粒徑,是指當(dāng)一個(gè)顆粒的某一物理特性與同質(zhì)的球形顆粒相同或相近時(shí)，我們就用該球形顆粒的直徑來(lái)代表這個(gè)實(shí)際顆粒的直徑。那么這個(gè)球形顆粒的粒徑就是該實(shí)際顆粒的等效粒徑。等效粒徑具體有如下幾種：,相同最小長(zhǎng)度直徑,篩分直徑,等效重量直徑,等效體積直徑,等效表面積直徑,等效沉降速率直徑,相同最大長(zhǎng)度直徑,基本概念,粒度測(cè)試的基本方法,篩分法,沉降法,電阻法,-,庫(kù)爾特顆粒計(jì)數(shù)器,顯微鏡結(jié)合圖象分析法,靜態(tài)光散射法（激光衍射法）,動(dòng)態(tài)光散射法,(,光子相關(guān)光譜法,),超聲法,靜態(tài)光散射原理,一束平行的激光在沒有阻礙的無(wú)限空間中將會(huì)照射到無(wú)限遠(yuǎn)的地方，并

21、且在傳播過程中很少有發(fā)散的現(xiàn)象,激光束在無(wú)阻礙狀態(tài)下的傳播示意圖,當(dāng)光束遇到顆粒阻擋時(shí)，一部分光將發(fā)生散射現(xiàn)象。散射光的傳播方向?qū)⑴c主光束的傳播方向形成一個(gè)夾角,。,散射角,的大小與顆粒的大小有關(guān)，顆粒越大，產(chǎn)生的散射光的,角就越?。活w粒越小，產(chǎn)生的散射光的,角就越大。,進(jìn)一步研究表明，散射光的強(qiáng)度代表該粒徑顆粒的數(shù)量。這樣，在不同的角度上測(cè)量散射光的強(qiáng)度，就可以得到樣品的粒度分布了。,不同粒徑的顆粒產(chǎn)生不同角度的散射光,靜態(tài)光散射原理,動(dòng)態(tài)光散射儀原理,:,根據(jù)微小顆粒在液體中做布朗運(yùn)動(dòng)，造成溶液,中局部顆粒濃度變化，從而,引起散射光的強(qiáng)度隨時(shí)間變化。,顆粒進(jìn)行著無(wú)休止的隨機(jī)的熱運(yùn)動(dòng),-,布

22、朗運(yùn)動(dòng),一方面，顆粒的密度將出現(xiàn)起伏，局部的介電常數(shù)也會(huì)發(fā)生變化；,另一方面，運(yùn)動(dòng)著的粒子所產(chǎn)生的散射光將發(fā)生頻率漂移，即,多普勒效應(yīng),(Doppler effect),。,通過分析散射光的自相關(guān)性，推算顆粒的運(yùn)動(dòng)速度，最終測(cè)知,顆粒大小。,測(cè)量范圍,:2nm-2000nm(2,m,),動(dòng)態(tài)光散射原理,靜態(tài)光散射,vs,動(dòng)態(tài)光散射,當(dāng)一束波長(zhǎng)為,的激光照射在一定粒度的球形小顆粒上時(shí)，會(huì)發(fā)生衍射和散射二種現(xiàn)象，通常當(dāng)顆粒粒徑大于,10,時(shí)，以,衍射,現(xiàn)象為主；當(dāng)粒徑小于,10,時(shí)，則以,散射,現(xiàn)象為主。,故激光法粒度分析針對(duì)不同被測(cè)體系粒度范圍，又可具體劃分為,靜態(tài)光散射,和,動(dòng)態(tài)光散射,粒度分

23、析方法。,從光散射原理來(lái)看，一般情況下,:,a.,靜態(tài)光散射法,僅對(duì)粒度在,5,以上的樣品分析較準(zhǔn)確；,b.,動(dòng)態(tài)光散射法,則對(duì)粒度在,5,以下的納米、亞微米顆粒樣品分析準(zhǔn)確。,吸收,衍射,衍射,反射,反射,多普勒效應(yīng),聲源與接收體之間的相對(duì),運(yùn)動(dòng)引起聲波頻率發(fā)生改變現(xiàn)象，頻率的變化稱為,頻移,。,在運(yùn)動(dòng)的波源前面，波被壓縮，波長(zhǎng)變得較短，頻率變得較高,(,藍(lán)移,),。,在運(yùn)動(dòng)的波源后面，產(chǎn)生相反的效應(yīng)。波長(zhǎng)變得較長(zhǎng)，頻率變得較低,(,紅移,),。,動(dòng)態(tài)光散射儀的工作原理,動(dòng)態(tài)光散射技術(shù)（,dynamic light scattering, DLS,）是指通過測(cè)量樣品散射光強(qiáng)度起伏的變化來(lái)得出

24、樣品顆粒大小信息的一種技術(shù)。之所以稱為“動(dòng)態(tài)”是因?yàn)闃悠分械姆肿硬煌５刈霾祭蔬\(yùn)動(dòng)，正是這種運(yùn)動(dòng)使散射光產(chǎn)生,多普勒頻移,。,光在傳播時(shí)若碰到顆粒，一部分光會(huì)被吸收，一部分會(huì)被散射掉。如果顆粒靜止不動(dòng)，散射光發(fā)生彈性散射時(shí)，能量頻率均不變。,當(dāng)產(chǎn)生散射光的粒子朝向監(jiān)測(cè)器運(yùn)動(dòng)時(shí)，相當(dāng)于把散射的光子往監(jiān)測(cè)器送了一段距離，使光子較粒子靜止時(shí)產(chǎn)生的散射光要早到達(dá)監(jiān)測(cè)器，也就是在監(jiān)測(cè)器看來(lái)散射光的頻率增高了；,如果產(chǎn)生散射光的粒子逆向監(jiān)測(cè)器運(yùn)動(dòng)，相當(dāng)于把散射光子往遠(yuǎn)離監(jiān)測(cè)器的方向拉了一把，結(jié)果使散射光的頻率降低。,動(dòng)態(tài)光散射技術(shù)的工作原理可以簡(jiǎn)述為以下幾個(gè)步驟：,首先根據(jù)散射光的變化，即多普勒頻移測(cè)得溶液

25、中分子的擴(kuò)散系數(shù),D,；,再由,D=KT/6r,可求出分子的流體動(dòng)力學(xué)半徑,r,，,(,式中,K,為玻爾茲曼,常數(shù)，,T,為絕對(duì)溫度，,為溶液的粘滯系數(shù),),；,根據(jù)已有的分子半徑,分子量模型，就可以算出分子量的大小。,動(dòng)態(tài)光散射儀的工作原理,動(dòng)態(tài)光散射法，主要用來(lái)測(cè)量納米材料的粒度分布。國(guó)外已有現(xiàn)成的儀器，國(guó)內(nèi)目前還沒有。,動(dòng)態(tài)光散射技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：,1,樣品制備簡(jiǎn)單，不需特殊處理，測(cè)量過程不干擾樣品本身的性質(zhì)，所以能夠反映出溶液中樣品分子的真實(shí)狀態(tài)；,2,測(cè)量過程迅速，而且樣品可以回收利用；,3,檢測(cè)靈敏度高，,10kD,蛋白質(zhì)，濃度只需,0.1mg/mL,樣品體積只需,20-50L,即可；,

26、4,能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)樣品的動(dòng)態(tài)變化。,有效粒徑：具有相同擴(kuò)散系數(shù)的正球形流體粒度直徑，是有物理意義的指標(biāo)。,動(dòng)態(tài)光散射技術(shù)在生物學(xué)中的應(yīng)用,測(cè)定蛋白質(zhì)分子的均一性,蛋白質(zhì)樣品的均一性是生長(zhǎng)晶體的前提條件，在無(wú)法直接觀察蛋白質(zhì)在溶液中狀態(tài)的情況下，生長(zhǎng)晶體是一個(gè)需要經(jīng)驗(yàn)和運(yùn)氣的過程。但是用光散射技術(shù)，只需要幾分鐘就可以確切地告訴你，這個(gè)樣品是否有長(zhǎng)出晶體的可能性。你還可以測(cè)定蛋白在不同溶液中的狀態(tài)，從而確定出哪種溶液最適合生長(zhǎng)晶體。,測(cè)定蛋白質(zhì)分子的,pH,穩(wěn)定性,有些蛋白質(zhì)分子在不同的,pH,值條件下，會(huì)有不同的構(gòu)型，或者形成聚合態(tài)，或是變性。如胰島素在,pH2.0,時(shí)是以單體存在，而在,pH3.

27、0,時(shí)則以二聚體形式存在，當(dāng),pH,升至,7.0,時(shí)則以六聚體存在。因?yàn)檫@種變化表現(xiàn)為大小的變化，所以光散射技術(shù)可以用來(lái)測(cè)定蛋白質(zhì)分子的,pH,穩(wěn)定性。,測(cè)定蛋白質(zhì)分子的熱穩(wěn)定性,對(duì)一些熱不穩(wěn)定的蛋白，溫度改變會(huì)導(dǎo)致分子變性聚合，因此可以觀察到分子半徑明顯增大。所以可以利用光散射技術(shù)來(lái)研究蛋白質(zhì)分子的熱穩(wěn)定性。,蛋白質(zhì)變復(fù)性及折疊的研究,蛋白質(zhì)變性時(shí)往往是以聚合形式或較松散的狀態(tài)存在，復(fù)性后，蛋白質(zhì)折疊成天然狀態(tài)，會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)的變化，這一變化可以導(dǎo)致流體動(dòng)力學(xué)半徑的變化，所以光散射技術(shù)可以用來(lái)檢測(cè)這一動(dòng)態(tài)變化的過程。,臨界膠束濃度的測(cè)定,一定濃度的表面活性劑分子加到溶液中會(huì)形成微膠束，但濃度不同

28、會(huì)影響膠束的大小以及是否能夠形成膠束。如果濃度增加到一定程度，膠束就會(huì)形成，膠束的大小和單分子大小會(huì)有明顯區(qū)別，利用光散射就可以確定膠束形成的臨界濃度。,還可用于一些,動(dòng)態(tài)過程,的檢測(cè)，譬如蛋白質(zhì)復(fù)性的整個(gè)過程的監(jiān)測(cè)。,Zeta,電位儀,顆粒表面電荷來(lái)源,表面基團(tuán)的電離,晶格取代或晶格缺失,吸附作用,顆粒周圍存在一個(gè)雙電層：內(nèi)層,(,stern,層,),的離子很緊密地與顆粒表面聯(lián)系；外層,(,擴(kuò)散層,),的離子的分布很松散。,在擴(kuò)散層內(nèi)，有一個(gè)剪切面,(,滑動(dòng)面,),，在此界面內(nèi)的物體都以同一速度運(yùn)動(dòng)，而界面之外都不動(dòng)。,此界面的勢(shì)能,(,電位,),成為,電位,(zeta potential)

29、,。,什么是,zeta,電位？,Zeta,電位是描述分散體系中的,粒子,和,分散體系,之間,靜電作用,的一個(gè)重要參數(shù)。,Zeta,電位儀測(cè)量原理,溶液中顆粒的表面具有可電離性，其表面的電子和正離子會(huì)擴(kuò)散到溶液中去，直至達(dá)到一個(gè)電離平衡。,帶電顆粒在電場(chǎng)中會(huì)發(fā)生泳動(dòng),-,電泳，然而，顆粒并不是獨(dú)自流動(dòng)，周圍會(huì)攜帶一薄層離子和溶劑。,將粒子置于一電場(chǎng)中，陽(yáng)性顆粒朝負(fù)極流動(dòng)，陰性顆粒朝正極流動(dòng)。顆粒帶電量不同（,zeta,電位不同），泳動(dòng)速度也不同。,產(chǎn)生不同的散射光,多普勒頻移,。,檢測(cè)器檢測(cè)多普勒頻移,Zeta,電位在特定體系中的測(cè)量取決于表面的化學(xué),性質(zhì)與周圍環(huán)境的相互反應(yīng)。,pH,的變化,溶

30、液電導(dǎo)率,的變化,某種,特殊添加劑,的濃度，如表面活性劑、高分子。,影響,zeta,電位的因素,zeta,電位必須在一個(gè)明確定義的環(huán)境中研究（特定的,pH,值和離子強(qiáng)度），否則數(shù)據(jù)是沒有價(jià)值的！,zeta,電位的,應(yīng)用,測(cè)量粒子表面電位,-,穩(wěn)定性,結(jié)合自動(dòng)滴定：測(cè)量,pH,，,等電點(diǎn),分散體系穩(wěn)定的標(biāo)志,穩(wěn)定特征,最大集聚與沉淀,強(qiáng)烈集聚與沉淀,團(tuán)聚的臨界值,某些分散體系的臨界值,較穩(wěn)定,很穩(wěn)定,相當(dāng)穩(wěn)定,極其穩(wěn)定,|Zeta,電位,|,0-3mv,3-5mv,10-15mv,16-30mv,30-40mv,41-60mv,60-80mv,80-100mv,2,4,6,8,1,0,1,-,6,0,-,4,0,-,2,0,0,2,0,4,0,6,0,Isoelectric,Point,Zeta Potential (mV),pH,2,STABLE,STABLE,UNSTABLE,比較穩(wěn)定,謝謝,