一种聚合物薄膜中单分子链扩散运动轨迹的测定方法

摘要

本发明提供了一种聚合物薄膜中单分子链扩散运动轨迹的测定方法。该方法包括如下步骤：1)将荧光探针分子连接到待测聚合物的长链末端得到荧光标记聚合物；2)将所述荧光标记聚合物掺杂于未标记的所述待测聚合物中并制备成聚合物薄膜样品；3)将连续激光照射于所述样品上，得到所述荧光标记聚合物发射的荧光；4)将所述荧光进行聚焦成像得到所述荧光标记聚合物的连续单分子图像；将所述荧光标记聚合物随不同时间的连续单分子图像连接起来即得所述聚合物薄膜中单分子链扩散运动轨迹。本发明的探测方法，运用单分子荧光成像技术，具有单分子级别的灵敏度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种聚合物单分子链扩散运动轨迹的测定方法，具体涉及一种聚合物薄膜中单分子链扩散运动轨迹的测定方法。

背景技术

聚合物材料是由许许多多的长链组成的材料，聚合物链的性质直接影响着材料的使用性能。通常的聚合物测量方法都只能测得材料宏观的总体性质，并不能从微观上得到单分子的性质。聚合物的宏观性质是所有聚合物链共同表现出的平均信息，比如玻璃化转变、熔融、结晶、流变学性质等，这些信息对于材料使用性能的提高有重要的意义。但是，本质上决定聚合物材料使用性能的是聚合物材料中每一根分子链的行为，因此，要想从本质上提高聚合物的使用性能，就必须了解聚合物单链性质与材料性能之间的关系。所以，只有从微观上深入了解每根聚合物单链的行为，才能从本质上提高聚合物的使用性能。

传统的测量方法都只能得到聚合物的宏观性质，无法得到单链的信息。要想得到聚合物单链的信息，具有单分子探测能力的单分子荧光显微镜是有效的工具。单分子荧光显微镜是利用激光激发荧光分子，使荧光分子发出荧光。这些荧光被显微物镜捕获，经由显微镜的高性能光学系统进行放大，最终通过高灵敏度相机成像，从而探测到单个荧光分子的空间坐标。

发明内容

本发明的目的是提供一种聚合物薄膜中单分子链扩散运动轨迹的测定方法。

本发明提供的聚合物薄膜中单分子链扩散运动轨迹的测定方法，包括如下步骤：

1)将荧光探针分子连接到待测聚合物的长链末端得到荧光标记聚合物；

2)将所述荧光标记聚合物掺杂于未标记的所述待测聚合物中并制备成聚合物薄膜样品；

3)将连续激光照射于所述样品上，得到所述荧光标记聚合物发射的荧光；

4)将所述荧光进行聚焦成像得到所述荧光标记聚合物的连续单分子图像；将所述荧光标记聚合物随不同时间的连续单分子图像连接起来即得所述聚合物薄膜中单分子链扩散运动轨迹。

上述的测定方法中，因为聚合物薄膜中所述荧光标记聚合物相比未标记的所述聚合物只在末端多了一个所述荧光探针分子，而所述荧光探针分子的大小相比所述聚合物长链可以忽略不计，因此，所述荧光标记聚合物的扩散运动就代表了未标记的所述聚合物的单分子链扩散运动。

上述的测定方法中，步骤4)中所述不同时间的选择可以根据实际需要进行确定与调整。

上述的测定方法中，步骤3)中所述激光是由激光器产生的；所述激光器可为固体激光器。

上述的测定方法中，步骤3)中所述激光经过光学系统照射于所述样品上；所述光学系统包括波片、反射镜和光学显微镜的物镜。

上述的测定方法中，步骤4)中所述荧光经过滤光片后进行聚焦成像；所述滤光片的中心波长为所述激光器的波长。

上述的测定方法中，步骤4)中所述荧光在电荷耦合器件上进行聚焦成像；所述电荷耦合器件可为照相机；所述照相机的增益倍数可为150-255。

上述的测定方法中，所述聚合物薄膜的厚度可小于100nm，如2.5nm；所述聚合物薄膜的用量小于5mg。

上述的测定方法中，所述荧光标记聚合物的掺杂量与未标记的所述聚合物的质量比值可小于10^-4，如1.9×10^-9。

上述的测定方法中，所述聚合物薄膜可为聚乙二醇薄膜；所述聚乙二醇薄膜的数均分子量可为1000g/mol以上，如5000g/mol。

上述的测定方法中，所述荧光探针分子可为罗丹明6G，其最大吸收波长为532nm，其结构如式(I)所示：

由于聚合物薄膜中掺杂的荧光标记聚合物链和本体未标记的聚合物链结构上只在末端差一个荧光分子，因此，荧光标记聚合物链的运动行为就代表了整个薄膜中的聚合物链的运动行为。荧光标记聚合物的单链扩散系数就代表了每一根链的扩散系数。

本发明的探测方法，运用单分子荧光成像技术，具有单分子级别的灵敏度，在荧光标记聚合物掺杂浓度极稀(小于10^-4)的情况下仍能得到清晰的图像和信息，具有较高的信噪比和灵敏度，特别适合于聚合物薄膜样品中单分子链的研究和测量，测量样品的厚度可小于100nm。

附图说明

图1为本发明的实验装置示意图。

图2为实施例1中的荧光标记聚乙二醇的单分子荧光图像。

图3为实施例1中的荧光标记聚乙二醇的一个单分子链的扩散运动轨迹。

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、聚乙二醇熔融态薄膜中单分子链扩散轨迹的测定

1、荧光标记聚乙二醇的制备

聚乙二醇的其中一个末端为羟基，罗丹明6G分子含有酯基，把20mg聚乙二醇(数均分子量为5000g/mol，购至Polymer Source公司)和3mg罗丹明6G(其最大吸收波长为532nm)溶于二氯亚砜中，120℃回流2天，聚乙二醇其中一个末端的羟基和罗丹明6G的酯基发生酯交换反应，使罗丹明6G标记于聚乙二醇链末端；将得到的反应液通过体积排除凝胶柱，罗丹明6G标记聚乙二醇先流出色谱，未反应的自由罗丹明6G分子后流出色谱，收集前一部分的红色溶液，从而得到罗丹明6G标记聚乙二醇。

2、掺杂有罗丹明6G标记聚乙二醇的聚乙二醇薄膜的制备

取未标记的聚乙二醇(数均分子量为5000g/mol，购至Polymer Source公司)5mg溶于5g乙腈中得到聚乙二醇的乙腈溶液，向该溶液中加入10^-5mol/L荧光标记聚乙二醇的乙腈溶液(其最大吸收波长为532nm)10μL，并混合均匀得到荧光标记聚乙二醇和聚乙二醇的乙腈溶液，其中，荧光标记聚乙二醇与聚乙二醇的质量比值为1.9×10^-9。

采用旋涂法(spin-coating)将上述溶液涂于处理干净的石英片上，旋涂速度为4000rpm，旋涂时间为60秒，厚度为2.5nm，并置于真空烘箱中室温下干燥24小时得到掺杂有罗丹明6G标记聚乙二醇的聚乙二醇薄膜。

3、聚乙二醇薄膜中单分子链的二维扩散运动轨迹的测定

本发明的实验装置示意图如图1所示。在光学显微镜装置中的物镜上滴加浸油后，将无聚乙二醇薄膜样品一面的盖玻片与物镜接触放置，将待测聚乙二醇薄膜置于盖玻片上，对该聚乙二醇薄膜样品加热至聚乙二醇的融化温度以上(80℃)，并保持80℃，使聚乙二醇薄膜熔化形成连续的熔体膜。固体激光器所发出的激光经过光学系统(该光学系统包括波片、反射镜和物镜)照射到聚乙二醇薄膜样品上。样品中的荧光探针分子罗丹明6G被激光激发所发出的荧光通过物镜收集后经过低通滤光片系统成像于照相机上，调节光学装置至正焦成像后可以得到清晰的单分子荧光图像。该照相机的增益倍数为255，使用温度为-75℃，曝光时间0.2秒。

该聚乙二醇薄膜的单分子荧光图像如图2所示，图2中每一个亮点就是一个荧光标记的聚乙二醇链的位置。采用连续拍摄模式，每秒钟拍摄5幅荧光图像，每组拍摄200幅，从而得到罗丹明6G标记聚乙二醇单分子荧光位置的连续运动轨迹，即为聚乙二醇单分子链的扩散运动轨迹，如图3所示。