本發明是關于一種基于單分子熒光顯微成像獲取聚合物形變時的測量系統，涉及對聚合物形變機理及脆、韌性根源等探索的高分子物理基礎研究領域。

背景技術：

在材料領域玻璃態聚合物得到了廣泛的應用，原因除了其輕量、絕緣、易加工成型等優勢外還在于其具有良好的機械性能(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生較大的形變而不會斷裂。現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進一步增強聚合物的模量和韌性，這就要求對玻璃態聚合物在外力作用下發生形變的機理有更深層次的理解。研究玻璃態聚合物的形變機理一直是高分子物理領域非常大的挑戰。處于玻璃態的聚合物自身在未發生形變時就存在非常復雜的物理特性如空間的動態非均勻性和結構松弛的特性，而形變過程中還進一步表現出非線性的響應特征。對于聚合物形變時非線性響應的研究已經進行了相當長的時間。

理論方面，1936年Eyring提出外力降低分子重排勢壘從而使玻璃具有流動性的觀點來解釋玻璃的形變(“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，提出了眾多的理論模型來描述玻璃態聚合物的形變行為。

實驗方面，Gleason等通過固態核磁方法研究了尼龍-6的拉伸形變過程，證明了形變時無定形區鏈運動能力的增強(“Chain Mobility in the Amorphous Region of Nylon 6 Observed under Active Uniaxial Deformation”Science 2000,288,(5463),116-119.)；Argon等通過小分子向聚合物基體滲透的方法研究了玻璃態聚合物形變時的鏈運動能力，發現聚合物在遠低于其玻璃化溫度下被壓縮時，小分子滲入其中的速率就可以與在玻璃化溫度下未發生形變時的滲透速率相當(“Enhanced Case-II diffusion of diluents into glassy polymers undergoing plastic flow”Polymer 2001,42,(2),613-621.)；Vigier等結合動態機械分析和小角X射線散射結果研究玻璃態聚合物形變時發現形變過程中聚合物內部產生許多鏈運動能力較強的微小區域(high mobility zones)，且區域隨著形變先是尺寸增加，之后是數目的增加(“Characterization of the Drastic Increase in Molecular Mobility of a Deformed Amorphous Polymer”Phys.Rev.Lett.2006,97,(20),207801.)。

盡管經過了許多實驗方法的探索，深入理解玻璃態聚合物非線性形變行為的目標仍未實現，原因之一是定量研究不足，二是缺少深入到單分子鏈級別的描述。Ediger等將熒光探針引入聚合物中隨之用線偏振光對探針進行漂白使發射的熒光具有各向異性，之后通過跟蹤計算形變過程中熒光各向異性的衰減實現了定量研究聚合物鏈運動的能力，所得結果具有一定普適性。遺憾的是該方法得到的是鏈運動的統計信息，無法用來描述分子鏈級別的響應。Wang等的研究以分子鏈為基礎提出了唯象的負載鏈(load-bearing strands)模型來解釋聚合物形變時的脆、韌性及屈服行為，但是目前為止該模型仍需更多證據支持。因此，目前亟需一種可以達到單分子級別的實驗測試手段來更精細地研究玻璃態聚合物在形變過程中的鏈響應行為。

技術實現要素：

針對上述問題，本發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的測量系統，能夠更精細地研究玻璃態聚合物在形變過程中的鏈響應行為。

為實現上述目的，本發明采取以下技術方案：一種基于單分子熒光顯微成像獲取聚合物形變時的測量系統，其特征在于，該測量系統包括：一用于使得一個以上的激發光光源產生圓偏振光以激發各個方向取向的熒光探針的激發光光源單元；一用于將所述激發光光源單元發出的圓偏振光會聚到發生形變的待測樣品，同時將待測樣品產生的熒光信號收集并導出的光學顯微單元；一用于固定設置待測樣品，并對待測樣品進行拉伸測試，獲得待測樣品應力應變數據的高精度機械拉伸單元；一用于在待測樣品形變過程中進行單分子顯微成像的單分子熒光成像單元。

進一步地，該測量系統還包括一計算機，所述計算機獲取所述待測樣品應力應變數據和單分子熒光成像結果，并將兩者進行關聯分析后得到待測樣品形變狀態下熒光探針周圍分子鏈的運動和空間取向信息從而得到玻璃態聚合物在局部和觀察區域整體的鏈響應信息。

進一步地，所述激發光光源單元一個以上的激發光光源、一格蘭泰勒棱鏡、兩光闌、一1/4波片、五光學透鏡、一快門、一斬波器和一中性密度濾波片；所述激發光光源發出的不同波長的激發光分別經若干反射鏡反射后依次進入所述格蘭泰勒棱鏡起偏成為線偏振光，經所述格蘭泰勒棱鏡出射的線偏振光經第一光闌發射到所述1/4波片形成圓偏振光，經所述1/4波片出射的圓偏振光發射到第一光學透鏡、快門和第二光學透鏡，經所述第二光學透鏡出射的激發光發射到所述斬波器，所述斬波器對激發光的頻率進行調制后通過第二光闌發射到所述中性密度濾波片進行濾波處理，經所述中性密度濾波片出射的激發光依次進入第三光學透鏡和第四光學透鏡，通過調節所述第三光學透鏡和第四光學透鏡實現激發光于所述光學顯微單元的物鏡負焦平面處聚焦從而出射為平行擴束的圓偏振光，經所述第四光學透鏡出射的光進入所述光學顯微單元。

進一步地，所述光學顯微單元采用倒置顯微鏡，圓偏振光經物鏡聚焦待測樣品，待測樣品的熒光探針經圓偏振光激發產生熒光，熒光經所述物鏡收集并經第五光學透鏡發射到所述單分子熒光成像單元。

進一步地，所述單分子熒光成像單元采用EMCCD相機。

進一步地，所述高精度機械拉伸單元為原位單軸雙向機械拉伸裝置，所述高精度機械拉伸單元包括基板、伺服電機、具有雙向螺紋的傳動軸和樣品固定/拉伸組件，所述樣品固定/拉伸組件用于固定設置所述待測樣品，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層間導軌間接固定，層間導軌用于X-Y面的調節從而實現在拉伸方向及垂直于拉伸方向上的位置調節，所述下層基板用于與所述光學顯微單元進行固定，所述伺服電機固定連接所述雙向螺紋的傳動軸，所述雙向螺紋的傳動軸分別固定連接所述樣品固定/拉伸組件，所述伺服電機通過所述計算機實現對待測樣品形變的控制，所述樣品固定/拉伸組件通過固定設置在所述上層基板的并行雙導軌實現滑動。

本發明由于采取以上技術方案，其具有以下優點：1、本發明的激發光光源經格蘭泰勒棱鏡出射為線偏振光并經1/4波片形成圓偏振光以激發各個方向取向的熒光探針，因此本發明不需要線偏振光進行激發，成本較低。2、本發明的激發光光源單元可以包括一個以上的激發光光源，因此通過寬場成像可以同時得到觀察區域眾多熒光探針的信號。3、本發明通過高精度機械拉伸單元對待測樣品進行拉伸測試，獲得待測樣品應力應變數據，同時采用單分子熒光成像單元在待測樣品形變過程中進行單分子顯微成像，通過外部計算機將高精度機械拉伸單元獲得待測樣品應力應變數據與單分子熒光成像結果進行關聯分析后得到不同樣品形變狀態下熒光探針周圍分子鏈的運動和空間取向信息從而得到玻璃態聚合物在局部和觀察區域整體的鏈響應信息。綜上，本發明能夠以單分子級別的實驗測試手段更精細地研究玻璃態聚合物在形變過程中的鏈響應行為。

附圖說明

圖1是本發明測量系統的原理示意圖；

圖2是本發明的高精度機械拉伸單元的結構示意圖；

圖3是本發明的高精度機械拉伸單元的側視示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖來對本發明進行詳細的描繪。然而應當理解，附圖的提供僅為了更好地理解本發明，它們不應該理解成對本發明的限制。在本發明的描述中，需要理解的是，術語“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重要性。

本發明的基于單分子熒光顯微成像獲取聚合物形變時的測量系統，包括激發光光源單元、光學顯微單元、高精度機械拉伸單元以及單分子熒光成像單元。

如圖1所示，激發光光源單元包括一個以上的激發光光源1(本發明實施例中采用波長為473nm和波長為532nm的兩個激發光光源，以此為例，不限于此，可以根據需要進行設置)、若干反射鏡2、一格蘭泰勒棱鏡3、兩光闌、一1/4波片5、五光學透鏡、一快門7、一斬波器8和一中性密度濾波片9。

兩個激發光光源1發出不同波長的激發光分別經若干反射鏡2反射后依次進入格蘭泰勒棱鏡3起偏成為線偏振光，經格蘭泰勒棱鏡3出射的線偏振光經第一光闌41發射到1/4波片5形成圓偏振光以激發各個方向取向的熒光探針，經1/4波片5出射的圓偏振光經反射鏡2反射，并依次發射到第一光學透鏡61、快門7和第二光學透鏡62，第一光學透鏡61和第二光學透鏡62組成4f系統消除光路快門7孔徑與光束束徑不匹配帶來的影響，經第二光學透鏡62出射的激發光經反射鏡2反射到斬波器8，斬波器8對激發光的頻率進行調制后通過第二光闌42發射到中性密度濾波片9進行濾波處理，經中性密度濾波片9出射的激發光經反射鏡2反射并依次進入第三光學透鏡63和第四光學透鏡64，第三光學透鏡63和第四光學透鏡64之間的間距可根據實際進行調節，通過調節第三光學透鏡63和第四光學透鏡64實現激發光于光學顯微單元的高數值孔徑物鏡10負焦平面處聚焦從而出射為平行擴束的圓偏振光。

經第四光學透鏡64出射的圓偏振光經反射鏡2反射進入光學顯微單元，光學顯微單元采用倒置顯微鏡，激發光經高數值孔徑物鏡10聚焦待測樣品，待測樣品固定設置在高精度機械拉伸單元11上，高精度機械拉伸單元11用于對待測樣品進行拉伸測試，獲得待測樣品應力應變數據，激發光激發待測樣品的熒光探針產生熒光，熒光信號經高數值孔徑物鏡10收集并經反射鏡2透射，經反射鏡2透射的熒光經第五光學透鏡65和反射鏡2發射到單分子熒光成像單元12，單分子熒光成像單元12用于在待測樣品形變過程中進行單分子顯微成像，即對擴散慢體系(凝膠、高分子固體薄膜等)內的熒光探針進行實時追蹤成像，本發明可以通過外部計算機將高精度機械拉伸單元11獲得待測樣品應力應變數據與單分子熒光成像結果進行關聯分析后得到不同樣品形變狀態下熒光探針周圍分子鏈的運動和空間取向信息從而得到玻璃態聚合物在局部和觀察區域整體的鏈響應信息。

在一個優選的實施例中，單分子熒光成像單元12可以采用高靈敏度EMCCD相機。

在一個優選的實施例中，高精度機械拉伸單元11為原位單軸雙向機械拉伸裝置，如圖2～3所示，高精度機械拉伸單元包括基板11-1、高性能伺服電機(圖中未示出)、具有雙向螺紋的傳動軸(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導軌11-4間接固定，例如下層基板11-11與中層基板11-12之間設置X方向導軌，中層基板11-12與上層基板11-13之間設置Y方向導軌，層間導軌用于X-Y面的調節從而實現在拉伸方向及垂直于拉伸方向上的位置調節，下層基板11-11用于與倒置顯微鏡進行固定，高性能伺服電機固定連接雙向螺紋的傳動軸11-2，雙向螺紋的傳動軸11-2分別固定連接樣品固定/拉伸組件11-3，外部的計算機通過控制高性能伺服電機運動實現對待測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通過固定設置在上層基板11-13的并行雙導軌11-5實現滑動，保證了形變測試的穩定性，樣品固定/拉伸組件11-3的具體結構不做限制，只要能夠實現對待測樣品的固定/拉伸即可，例如夾子等。

下面詳細說明本發明的基于單分子熒光顯微成像獲取聚合物形變時的測量系統的具體使用過程為：

1、打開激發光光源1并將擴束后的激發光束調節準直使之成為平行的圓偏振光；

2、調節光學顯微單元，根據實驗需要將成像模式設置為全內反射或透射；

3、將高精度機械拉伸單元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使觀察目標位置處于高數值孔徑物鏡10正上方；

5、切換到所需放大倍數物鏡，調節高數值孔徑物鏡10高度使之達到合適的聚焦位置；

6、打開高精度機械拉伸單元11，并進行拉伸方案設置；

7、調節光學顯微單元和單分子熒光成像單元12，以達到最佳成像效果；

8、單分子熒光成像單元12進行成像錄制，并啟動高精度機械拉伸單元11執行所設定的拉伸方案；

9、通過高精度機械拉伸單元11獲得待測樣品應力應變數據，與單分子熒光成像結果進行關聯分析后得到不同樣品形變狀態下玻璃態聚合物在局部和觀察區域整體的鏈響應信息；

10、按需切換不同放大倍數物鏡，參照上述步驟以進行不同尺度觀察與分析。

上述各實施例僅用于說明本發明，其中各部件的結構、連接方式和制作工藝等都是可以有所變化的，凡是在本發明技術方案的基礎上進行的等同變換和改進，均不應排除在本發明的保護范圍之外。