光散射的應(yīng)用

1、光散射的應(yīng)用貴州大學(xué)xx學(xué)院專業(yè)姓名學(xué)號(hào)2011.03.22光散射的應(yīng)用Xxx摘要：光散射是光在電場(chǎng)中接觸到微粒，微粒的分子轉(zhuǎn)化為偶 極子，在光波電場(chǎng)的振動(dòng)下，偶極子向各個(gè)方向振動(dòng)，發(fā)出與入射光 振動(dòng)頻率相同誘導(dǎo)波，這種誘導(dǎo)波就是散射光；散射光在應(yīng)用廣泛， 根據(jù)膠體體系中光散射理論，光散射可用于判斷溶膠還是分子液體， 照相補(bǔ)光，利用共振光散射法做DNA的定量分析，基于光散射流式細(xì) 胞儀的廣泛應(yīng)用，瑞利光散射光譜法研究牛血紅蛋白與鏑（III ）的相 互作用等，復(fù)雜結(jié)構(gòu)光散射的射線跟蹤方法及其應(yīng)用。光散射的應(yīng)用， 現(xiàn)象明顯，效果顯著，在生活中的各方面都有重要意義。膠體光散射（light scatt

2、ering of colloids ）一束光線通過膠體介質(zhì)時(shí)在入射光方向以外的各個(gè)方向上都能 檢測(cè)到光強(qiáng)的現(xiàn)象。具有顯著的光散射是大多數(shù)膠體體系的重要特 征。當(dāng)光束通過膠體溶液時(shí)，從側(cè)向可以看到一個(gè)混濁發(fā)亮的光柱， 此種乳光現(xiàn)象稱為廷德爾效應(yīng)（見彩圖膠束-微孔乳液體系的化學(xué)驅(qū) 油機(jī)理驅(qū)油過程II、膠束-微孔乳液體系的化學(xué)驅(qū)油機(jī)理驅(qū)油過程 I、硫溶膠（左）的廷德爾效應(yīng)，右為對(duì)照物氯化鈉溶液）,E。印再嬤它是膠體粒子強(qiáng)烈地散射光的結(jié)果。實(shí)際上純液體也產(chǎn)生光散射，只 是微弱得多，須用靈敏的檢測(cè)器如光電倍增管才能測(cè)出。起因與條件光是一種電磁波，傳播時(shí)其交變的電磁場(chǎng)與介質(zhì) 分子相互作用，使分子中電子成為

3、往復(fù)運(yùn)動(dòng)的偶極振子。根據(jù)電磁理 論，振動(dòng)著的偶極子是個(gè)次波源，像一根天線向各個(gè)方向輻射電磁波, 這就是光散射的起因。散射光的頻率與入射光相同，故屬彈性散射。 光學(xué)上完全均勻的介質(zhì)因散射波彼此相消，不產(chǎn)生散射 引入折射 率與介質(zhì)不同的膠體質(zhì)點(diǎn)或因介質(zhì)自身熱運(yùn)動(dòng)其折射率有局部漲落， 這種光學(xué)上的微觀不均勻性是產(chǎn)生光散射的條件。介質(zhì)的光學(xué)不均勻 性越顯著，散射越強(qiáng)。光散射理論瑞利散射公式 對(duì)于比入射光波長小得多的質(zhì)點(diǎn)，瑞利導(dǎo)出稀 膠體的散射公式：10.23瑞利公式 1洲】年，Rayiuiftl,研究了大歧的光散射現(xiàn)象，對(duì)于粒子47nm的溶膠,出H 了散射光的強(qiáng)度E嘮公式,H尸才十2夢(mèng)為Ravlcig

4、h公式/fl(.l+u.w2 a)上A入射光的強(qiáng)度和波K：/觀察者與散射中心的距離；上七分散相，分散介質(zhì)折射率I V-每個(gè)粒子的體積；c一翼位體積中的粒子數(shù)；。觀察方向-與入射光方向間夾角,散射光的強(qiáng)度與入射光波長的四次方成反比入射光波長-短， 散射光一強(qiáng)，可見光區(qū)的波長較短的紫色和藍(lán)色光散射作用最強(qiáng)；波長 較長的紅色光散射最弱，大部分會(huì)透過溶膠?？山怏钱?dāng)白光照射時(shí)，從業(yè) 直于入射光方向現(xiàn)察到的散射光呈藍(lán)紫色，而透過光呈橙紅色.,散射光的強(qiáng)度與粒子體積的平方成正比U小分子溶液粒孑太小.散 射光很弱看不見光柱。溶膠粒子大小合話,有陰顯的光柱產(chǎn)生粒 反射為主散射光很弱C可用丁達(dá)爾效應(yīng)來鑒別溶膠和小

5、分子溶液.,分散相與分散介質(zhì)折射率相差越大,散射光越強(qiáng)。,散射光強(qiáng)度與粒子的濃度成正比.測(cè)定條件相同，對(duì)于同類物質(zhì) /|= CVC, 測(cè)定膠體溶液濃度的儀器，稱為忘度計(jì)言瑞利散射理論的出發(fā)點(diǎn)是討論個(gè)別質(zhì)點(diǎn)的散射，即認(rèn)為質(zhì)點(diǎn)是 彼此獨(dú)立的。這種處理適用于氣體或稀溶膠，對(duì)液體則不能成立。液 體中相鄰質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)有強(qiáng)烈的相關(guān)性，彼此間有一定的位相關(guān)系，故 大部分散射光為相消干涉。光散射的漲落理論把液體的密度漲落引起 的折射率局部漲落作為計(jì)算散射光強(qiáng)的出發(fā)點(diǎn)，得到和瑞利理論相似 的結(jié)果，但包含了該物理量的局部漲落均方值項(xiàng)。大質(zhì)點(diǎn)的散射 上述瑞利散射的特征都是由小質(zhì)點(diǎn)（可視作點(diǎn)） 散射源衍生出來的。隨著質(zhì)

6、點(diǎn)的變大（至少在一維方向上線度超過A/ 20;1/10）,散射逐漸變得復(fù)雜，不再遵守散射公式。此時(shí)散射光強(qiáng) 對(duì)波長和質(zhì)點(diǎn)半徑的高次方依賴關(guān)系減弱思（90）也不再是全偏振。 質(zhì)點(diǎn)尺寸超過尢/ 20兀/ 10后，來自同一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的不同部分的散射分 A波因位相不同而出現(xiàn)干涉，此即內(nèi)干涉，以區(qū)別于因一定程度的有序排列在質(zhì)點(diǎn)間出現(xiàn)的外干涉。內(nèi)干涉導(dǎo)致前向散射強(qiáng)度大于后向散射 強(qiáng)度：勻3）%（,七-初。內(nèi)干涉程度取決于質(zhì)點(diǎn)中有多少個(gè)散射元 和它們間的相互位相關(guān)系。因此，從散射光強(qiáng)的角度分布可以確定質(zhì) 點(diǎn)的大小與形狀，這是光散射方法的一項(xiàng)重要應(yīng)用。當(dāng)質(zhì)點(diǎn)尺寸與波 長相近時(shí)，有可能在某些角度位置上出現(xiàn)完全相消或

7、相長干涉，即在 散射光強(qiáng)的角度分布上有極大和極小。對(duì)于同樣的質(zhì)點(diǎn)，這些極大和 極小值位置隨波長而異。用白光照射單分散膠體，在不同的角度上將 看到不同的顏色，這稱為高級(jí)廷德爾譜或高級(jí)廷德爾散射。1908年G.米提出球形大質(zhì)點(diǎn)的散射理論。這個(gè)理論除了考慮偶 極矩外，還考慮了大質(zhì)點(diǎn)中多極電矩與磁矩的輻射，以及入射光經(jīng)過 球面進(jìn)入球體時(shí)在界面上受到的干擾。相對(duì)折射率互食=E ）與質(zhì)點(diǎn) 相對(duì)大小心（心=2狀，氏為球半徑）增大時(shí)，這些因素變得重要。在 米散射中，球形質(zhì)點(diǎn)的散射光強(qiáng)用級(jí)數(shù)展開式表示，且空和打值越大， 級(jí)數(shù)式越復(fù)雜。1910年后，瑞利和R.甘斯進(jìn)一步發(fā)展了散射理論，導(dǎo)出適合于 有限大小的球的散

8、射公式。1947年P(guān).德拜將其推廣用于無規(guī)線團(tuán)高 聚物溶液。他們共同的結(jié)論通常稱為瑞利-甘斯-德拜理論，只要相對(duì) 折射率接近于1，對(duì)任意大小的質(zhì)點(diǎn)都適用。此理論的出發(fā)點(diǎn)是在滿 足2 （U; 1的條件下,可以把大質(zhì)點(diǎn)的散射視作是一群獨(dú)立的偶極 振子的散射，因而比米的理論處理簡化了很多。這三種類型的散射的 適用范圍如表類型相對(duì)折射率相對(duì)尺寸大小毒剝散射瑞利-甘斯德拜散射米散射|m 11 心m軍 1P/A1光散射的應(yīng)用復(fù)雜結(jié)構(gòu)光散射的射線跟蹤方法及其應(yīng)用1本法主要應(yīng)用射線跟蹤方法研究目標(biāo)涂層材料玻璃微珠反射膜 的光散射問題。主要工作與成果如下：.根據(jù)均勻球形粒子的Mie理論遠(yuǎn)場(chǎng)計(jì)算公式，推導(dǎo)了均勻

9、球形粒子的振幅函數(shù)和強(qiáng)度函數(shù)的求解過程，計(jì)算了均勻球形粒子及 雙層球形粒子的Mie理論散射結(jié)果。.利用費(fèi)馬原理推導(dǎo)了反射和折射定律，以反射射線的跟蹤 為例介紹了幾何光學(xué)射線跟蹤方法的推導(dǎo)過程;根據(jù)幾何光學(xué)彩虹理 論和Airy理論，推導(dǎo)了 N階幾何光學(xué)彩虹角與入射角和折射率的關(guān)系 及Airy峰的位置表達(dá)式，詳細(xì)闡述了 一階彩虹形成的物理原因，計(jì)算 了球形粒子的一、二階Airy分布。.根據(jù)幾何光學(xué)原理，得到了玻璃微珠最小偏轉(zhuǎn)角與折射率 關(guān)系的表達(dá)式，分析了玻璃微珠回向反射特性最佳時(shí)的折射率范圍； 給出了接收面上的光照度與偏轉(zhuǎn)角的關(guān)系方程。.根據(jù)幾何光學(xué)和等效電磁流原理，推導(dǎo)了幾何光學(xué)積分方 程混合

10、方法；應(yīng)用射線跟蹤方法建立了玻璃微珠及反射膜的幾何模 型,計(jì)算了他們的光散射特性并與Mie理論進(jìn)行了比較，證明了射線跟蹤算法的科學(xué)可行性;根據(jù)玻璃微珠反射膜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立了射 線跟蹤的單元法。光線柔和自然明暗反差適當(dāng)(八)一一室內(nèi)自然光和散射光的應(yīng)用2正開始從事新聞攝影的同志，往往為室內(nèi)拍照而作難，總覺得原 有自然光線難以掌握，應(yīng)用閃光燈照明，近景平淡失色，遠(yuǎn)處漆黑一 片，形象不美，難以入畫。其實(shí)，室內(nèi)原有自然光，只要能獲得適當(dāng)曝 光，拍出來的照片,影調(diào)柔和均勻，景物真實(shí)自然，具有樸實(shí)無華之美。 特別是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們的居住條件在逐步改善，新的房屋 建筑寬廣明亮，室內(nèi)設(shè)備完善，裝修考

11、究,將為室內(nèi)攝.共振光散射法DNA的定量分析進(jìn)展共振光散射(RLS)技術(shù)是一項(xiàng)在普通熒光分光光度計(jì)上進(jìn)行光 散射檢測(cè)的分析技術(shù)。自從1993年P(guān)asternack等首次應(yīng)用共振光 散射法對(duì)卟啉類化合物在核酸上的聚集進(jìn)行研究以來，共振光散射 技術(shù)逐漸得到廣泛應(yīng)用，如用于對(duì)納克級(jí)核酸進(jìn)行定量分析。其最 大特點(diǎn)是試劑安全廉價(jià)、快速、靈敏度高和特異性強(qiáng)。但還存在技 術(shù)方面的問題，如染料與核酸結(jié)合不穩(wěn)定。常用的測(cè)定DNA的共振 光散射法見表3。表3常用的測(cè)定DNA的心法Tlh 3 Iht C4rnmun mMttfjh light scattering trtithvds fun dvt機(jī)、mining

12、 DNA試荊剖定芯弟品忙RES峰稅性范圍pH值muWg也”FLctUNAGT400U-U4 3一 1Q43ctUNA7. 3F-64700 1.2網(wǎng)緯晶紫otDNA9. 210.551245孔崔石綠clDNA9. 510. 04820.02160.0640閣鋁離fctDNA2. 21MlUT一。卻小蛔clDNAEOF 一&。0一&岫固黃0tilDNA9一拔4670.025-7. 000網(wǎng)桃gfaDNA5.54C0.01 T0【制以nDNA2.2U3功0 8.4淚多胺ttUNA2.20.15343網(wǎng)Ru(4)y)2PIP( T)2+ctDKAE 5/0.U164. 000旺橙ctDNA2.U35

13、954瑞利光散射光譜法研究牛血紅蛋白與鏑(III )的相互作用在近生理?xiàng)l件pH=7.40時(shí)，牛血紅蛋白和Dy (I )的光散射 強(qiáng)度均十分微弱，當(dāng)兩者相互作用后，光散射強(qiáng)度急劇增強(qiáng)，最大散 射峰分別位于380nm和470nm處，并研究了此反應(yīng)的影響因素和適宜 的反應(yīng)條件；在此條件下結(jié)合紫外可見吸收光譜，發(fā)現(xiàn)牛血紅蛋白與 Dy (I)在不同濃度條件下相互作用，均是定量作用，并有很好的線 性關(guān)系，但其光散射光譜和紫外光譜的峰值變化均有不同，我們可以 推斷出稀土離子濃度不同，血紅蛋白與Dy (I )的作用機(jī)理不同， 并探討了其作用機(jī)理。RLS光譜與吸收光譜圖9為Hb-Dy (III)體系的瑞利光散射

14、光譜和紫外吸收光譜。從圖中可以看出，RLS的峰在380nm和470nm處，吸收峰在210nm和 410nm處，RLS的兩個(gè)峰都位于吸收光譜的峰谷。不像共振光散射光 譜，共振光散射光譜的峰位于吸收帶附近，而光散射光譜的峰位于吸 收光譜的峰谷，光散射光譜的峰谷位于吸收光譜的吸收峰。這種不同 現(xiàn)象可以這樣解釋10：根據(jù)共振光散射理論，強(qiáng)度的增加由于在可 見吸收區(qū)溶液散射指數(shù)的增加，所以通常這種增加位于吸收帶附近。 在Hb-Dy (I )體系中，吸收帶沒有散射強(qiáng)度的增加，吸收峰對(duì)應(yīng)于 光散射的峰谷，所以不是共振散射現(xiàn)象。光散射光譜的峰和峰谷是由 于Hb-Dy (I )體系對(duì)RLS強(qiáng)度的吸收。這種吸收不

15、但引起光散射光 譜的峰和峰谷，還引起RLS光譜和吸收光譜的這種對(duì)稱關(guān)系。圖9 RLS光譜和吸收光譜Fig.9 RLS spectra and absorption spectra1. RLS spectra of Hb-Dy (III) 2. RLS spectra of Hb-Dy (III) 3. Absorption spectra of Hb-Dy (III)Dy (I)濃度和Hb濃度不同對(duì)Hb-Dy (I)體系影響的比較依照上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，列出表一以便比較滴加Dy (I)和Hb濃 度不同時(shí)對(duì)瑞利散射光譜和紫外吸收光譜的不同影響。從圖中我們可以清楚地看到兩種情況對(duì)光譜的不同影響，可以推測(cè)

16、是由于它們作用 的機(jī)理不同，結(jié)合部位不同導(dǎo)致的。(1)、Dy (III )濃度增大，Hb濃 度不變時(shí)：由于Dy (I )濃度增大，促進(jìn)更多的Dy(I )通過靜電 作用與蛋白質(zhì)中的帶負(fù)電荷的部分氨基酸殘基作用，聚集在蛋白質(zhì)表 面，而使微粒尺度增大，表現(xiàn)為散射強(qiáng)度在470nm處的峰隨著Dy(III) 濃度的不斷增大而成線性關(guān)系增強(qiáng)。(2) Hb濃度增大，Dy (I)濃度不變時(shí)：由于此時(shí)Hb濃度較大，濃度不變的Dy (I )要與不斷增 加濃度蛋白質(zhì)更好更有效的結(jié)合，就會(huì)使蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，有可 能使其部分氨基酸殘基發(fā)生破壞，暴露出能與Dy (I)結(jié)合的部位，與濃度不變的Dy(I )發(fā)生作用，從而導(dǎo)

17、致微粒尺度變小，表現(xiàn)為 散射強(qiáng)度在410nm處的峰谷隨著Hb濃度增大而降低；同時(shí)，與前面 相比紫外吸收在410nm處的峰也有明顯變化，在400nm附近處是一個(gè)soret帶，這是血紅素的叮-叮*躍遷帶，此處峰隨著Hb濃度增大而增強(qiáng)，更加說明了兩種情況的結(jié)合部位不同，作用機(jī)理不同。由此可 見，稀土離子與蛋白質(zhì)結(jié)合，通過改變蛋白質(zhì)微構(gòu)象或干擾蛋白質(zhì)對(duì) 其他離子結(jié)合兩種程度的不同而發(fā)揮其劑量效應(yīng)11，影響蛋白質(zhì)的 功能；也就是說，稀土離子與蛋白質(zhì)結(jié)合的位點(diǎn)與稀土離子的濃度有 關(guān)，濃度不同，直接影響稀土離子與蛋白質(zhì)的作用結(jié)合位點(diǎn)，同時(shí)也紫外吸收變化濃度變化散射強(qiáng)度變化Dy (III)濃度470nm處的峰強(qiáng)度隨濃210nm處的吸收峰隨濃度增大，Hb濃度度增大而增強(qiáng)，并有很增大而增強(qiáng)，410nm處的不變。好的線性關(guān)系。吸收峰隨濃度增大不變。一定會(huì)表現(xiàn)出對(duì)生理活性的不同影響，這還有待于進(jìn)一步的研究。表一、Hb-Dy (III)體系的光譜比較Hb濃度增大，Dy （III）濃度 不變。410