一种分析处于玻璃态的聚合物链段松弛行为的方法

技术领域

本发明属于高分子物理基础研究领域，具体涉及到一种分析处于玻璃态的聚合物链段松弛行为的方法。

背景技术

玻璃化转变一直是凝聚态物理里悬而未解的难题，对应的玻璃化转变温度是聚合物最重要的特征温度之一。其中很重要的一个特征是体系的非均匀性，包括空间非均匀性和时间非均匀性。探究非均匀性的空间和时间尺度对理解玻璃化转变具有很重要的意义。

单分子荧光显微目前被广泛应用研究玻璃化转变，其能最大程度地避免整体平均。通过观察标记或参杂于体系内的荧光分子的转动，间接地反映聚合物体系链段的松弛行为。其中，散焦成像被证明是行之有效的方法，具有平行观察多个荧光分子和提取荧光分子三维空间取向的优势。受到荧光分子寿命和自相关分析方法的影响，目前的研究几乎都是关于过冷态体系，由于该状态下聚合物链段的松弛时间较小。利用单分子荧光研究处于玻璃态的聚合物链段动力学行为缺乏一种有效地分析方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种分析处于玻璃态的聚合物链段松弛行为的方法。

本发明提供的分析处于玻璃态的聚合物链段松弛行为的方法，包括如下步骤：

1)将荧光分子标记在处于玻璃态的聚合物或参杂在处于玻璃态的聚合物中，制备聚合物薄膜样品并进行退火处理；

2)观察步骤1)中所述聚合物薄膜样品内荧光分子的转动，拍摄散焦录像；

3)获取步骤2)中所述散焦录像中若干个荧光分子的转动轨迹；

4)将步骤3)中荧光分子的转动轨迹进行快速傅里叶变换，得到每个荧光分子转动轨迹中振动模式的频率分布，即每个荧光分子的频谱；取所有荧光分子的平均频谱，即可对所述玻璃态聚合物链段的松弛行为进行分析。

上述的方法中，聚合物中掺杂的荧光分子的转动运动是与聚合物链段运动耦合在一起的，因此，所述荧光分子的平均频谱即可用于分析所述聚合物链段的松弛行为。

上述的方法，步骤1)中，所述荧光分子参杂在所述聚合物中；所述荧光分子与所述聚合物的质量比可为(10^-11～10^-10)：1，如5×10^-11：1。制备所述聚合物薄膜所使用的聚合物溶液中，所述荧光分子的浓度可为10^-10～10^-9M，如10^-9M。

所述荧光分子可为苝系荧光分子，如式Ⅰ-式Ⅳ所示不同尺寸的荧光分子：

所述聚合物薄膜样品的厚度可小于等于100nm，如100nm。

所述聚合物优选为玻璃化转变温度在单分子荧光显微镜物镜的工作温度范围内(如<60℃)的聚合物，此体系中荧光分子的转动比较明显，如聚乙酸乙烯酯；所述聚乙酸乙烯酯的数均分子量可为1000g/mol以上，如100000g/mol。

所述退火处理中的加热温度可为90℃～110℃，如100℃，加热时间可为12～24小时，如12小时，所述退火处理在真空条件下进行。所述退火处理可消除所述聚合物的残余应力和溶剂。

上述的方法，步骤2)中，所述观察采用全内反模式的单分子荧光显微镜；所述全内反模式的单分子荧光显微镜可为奥林巴斯生产的IX-71倒置显微镜，物镜为油镜，型号是PlanApo×100，数值孔径为1.45，相机是EMCCD，型号是Andor DV897。录像长度取决于荧光分子的寿命，一般在分钟尺度。

上述的方法，步骤3)中，所述若干个荧光分子的具体数目为研究人员根据统计学常识可获知的，具体为至少50个荧光分子。所述荧光分子的转动轨迹的获取方法可如下：将步骤2)中所述散焦录像转化成一系列随时间变化的灰度图(如8-bit灰度图)， 分析所述灰度图中所述若干个荧光分子的对称的散焦图案的中间黑线(处于对称轴位置的黑线)的转动，即可获得所述荧光分子的转动轨迹。

上述的方法，步骤4)中，所述傅里叶变换之前还包括将步骤3)中所有荧光分子的转动轨迹裁成相同的时间尺度的步骤，如被裁断至150s。

上述的方法，步骤4)中，所述方法还包括分析同一尺寸的荧光分子的平均频谱在不同频率下的强度随温度变化(如36℃、39.8℃和43.6℃)的变化程度的步骤。

上述的方法，步骤4)中，所述方法还包括分析在同一温度下不同尺寸的荧光分子(如上述式Ⅰ-式Ⅳ所示不同尺寸的荧光分子)的平均频谱在不同频率下的强度的步骤。

本发明具有如下有益效果：

本发明方法通过快速傅里叶变换将获取的荧光分子转动轨迹转换为对应的振动模式频率分布，揭示了玻璃态聚合物链段的松弛行为。该方法发挥了单分子荧光方法的优势，拓展了其研究范围，从过冷态延伸至玻璃态，有效地分析了处于玻璃态测聚合物体系的链段松弛行为。

附图说明

图1为实施例1中的灰度图，左下角插图为荧光分子结构及跃迁偶极矩方向。

图2是实施例1中不同温度下典型的荧光分子转动轨迹和对应的振动模式的频谱，其中图2(a)和图2(a’)为36℃，图2(b)和图2(b’)为39.8℃和图2(c)和图2(c’)为43.6℃。

图3是实施例1中同一尺寸的荧光分子在不同温度下的平均频谱(a-c)和在相同温度下不同尺寸的荧光分子的平均频谱(d-f)。

具体实施方式

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

实施例1、分析聚乙酸乙烯酯(PVAc)链段的松弛行为

1)取聚乙酸乙烯酯(数均分子量为100,000g/mol，购买于Aldrich公司)溶于乙酸乙酯中配制PVAc的乙酸乙酯溶液(1.7wt％)，向溶液中分别添加不同尺寸的苝系荧光分子(Probe-XS、Probe-S、Probe-M和Probe-L)，得到添加有不同尺寸的苝系荧光分子的PVAc的乙酸乙酯溶液，控制溶液中荧光分子的浓度约为10^-9M。荧光分子与聚合物的质量比为5×10^-11：1；不同尺寸的苝系荧光分子的结构式如下：

采用旋涂法(spin-coating)将上述溶液涂于处理干净的玻璃片(Thermo Fischer所产，厚度0.17mm)上，旋涂速度为4000rpm，旋涂时间为60秒，所得薄膜的厚度约为100nm，将制得的聚乙酸乙烯酯薄膜样品置于真空烘箱中在100℃退火24小时，然后真空状态下自然放置至室温待用，消除残余应力及溶剂。

2)利用全内反模式的单分子荧光显微镜(奥林巴斯生产的IX-71倒置显微镜，物镜为油镜，型号是PlanApo×100，数值孔径为1.45，相机是EMCCD，型号是Andor DV897)观察步骤1)中薄膜样品内荧光分子的转动，拍摄散焦录像；条件如下：入射波长为532nm，样品处的入射光强度为9.0-16.0W.cm^-2，曝光时间0.5s，录像总长度250～300s。

3)将上述拍摄的录像转换为一系列随时间变化的8-bit灰度图，如图1所示，为添加的荧光分子为Probe-S的聚乙酸乙酯薄膜的灰度图。该灰度图中，每个荧光分子的散焦图案均呈瓣状，说明几乎所有荧光分子的取向是平行于基底表面。散焦图案中间的黑线(如图1中箭头所示)的方向是跃迁偶极矩的方向，沿着荧光分子的长轴方向，因此散焦图案发生转动，说明荧光分子在转动。

利用Image J软件分析散焦图案中间黑线的转动即可获得荧光分子的转动轨迹。典 型荧光分子(即松弛行为占主导的荧光分子)在不同温度下的转动轨迹示意图见图2(a)-(c)。为了得到整体的信息，在相同条件(相同温度)下，至少分析50个荧光分子的转动轨迹。

4)将步骤3)中所有荧光分子的转动轨迹进行快速傅里叶变换，获取每个荧光分子转动轨迹中振动模式的频率分布，即每个荧光分子的频谱，典型荧光分子(即松弛行为占主导的荧光分子)的转动轨迹对应的频谱见图2(a’)-(c’)。为了消除荧光分子寿命的影响以及便于平均化，所有分析的荧光分子的转动轨迹被裁断至150s。变换之后，把所有荧光分子的频谱加和平均，得到所有荧光分子的平均频谱(整体的振动模式频率分布)，见图3，可以看出，对于同一种荧光分子，随着温度的升高，能谱的整体强度变大，对比而言，高频区增大的幅度较低频区大些。说明聚合物链段的松弛行为变快。在相同温度下，小尺寸染料高频区的强度较大尺寸染料要大。说明聚合物链段的松弛行为具有尺度依赖性，即松弛单元越小，能谱的频率越高。