一种可分辨样品取向的超小角激光光散射仪及其应用

本发明属于激光光散射检测，尤其涉及一种可分辨样品取向的超小角激光光散射仪及其应用，具体涉及，一种可分辨样品取向的超小角激光光散射仪及表征样品的方法。

背景技术：

1、在材料科学研究中，对材料微观结构和取向的精确检测至关重要。激光散射是一种重要研究手段，其检测对象覆盖了聚合物、生物大分子、胶体等材料，用于研究材料的尺寸和构象，有利于加深我们对聚合物中分子量的测定与链构象、聚合物链在溶液中以及凝胶内的扩散行为的研究；生物大分子中检测蛋白质聚集状态、评估药物稳定性、分析dna/rna-蛋白复合物的尺寸及相互作用的研究；胶体中快速测定胶体颗粒尺寸及均匀性的理解。

2、现有的商业化激光光散射仪在检测精度和对样品的适应性方面存在一定局限性：例如，现有的光散射仪难以检测尺寸超过2μm的样品，且对于球晶、棒状纤维等具有取向的样品的检测能力不足；同时，在超小角散射检测时，由于光束的散射特性，传统的beamstop尺寸(激光的光束阻挡器bs)较大，探测器尺寸较小，影响检测的灵敏度和精度，无法满足对超小角散射信号的准确捕捉。

3、对于小角激光光散射设备的改进以及表征方法已经进行了一定的研究，vivik等人(samim ali,yimin mao,vivek m.prabhu；pinhole mirror-based ultra-small anglelight scattering setup for simultaneous measurement of scattering and transmission.rev.sci.instrum.1april 2022；93(4):044104)自行搭建了一个小角激光光散射仪器并且与浊度测试装置连用，实现了微米级的尺寸表征，但是无法测试具有取向的样品；angel等人(angel romo-uribe,bonifacio alvarado-tenorio,maria eugenia romero-guzmán；a small-angle light scattering instrument to study soft condensedmatter.revista latinoamericana de metalurgia y materiales 2010；30(1):190-200)通过引入偏振片实现了一个简单和低成本仪器进行取向样品的测试，但是由于其使用光屏成像，其分辨率受到影响，限制了使用范围。

技术实现思路

1、为改善现有技术的不足，本发明提供一种可分辨样品取向的超小角激光光散射仪及其应用，可在较低的角度范围内获得散射信号，实现更大尺度的结构表征，并通过偏振片不同的偏振角度能够分析结晶聚合物等。

2、为了实现上述功能，本发明采取以下技术方法，

3、第一方面，本发明提供一种可分辨样品取向的超小角激光光散射仪，包括沿光路顺次设置的激光发射单元、光路校准单元、样品池单元和信号收集单元，所述信号收集单元与信号处理单元连接；

4、所述激光发射单元用于发射激光，所述光路校准单元用于将激光发射单元发射的激光进行汇聚并传递至样品池单元，所述信号收集单元用于收集经过样品池单元后的激光信号并发送至信号处理单元进行处理；

5、所述光路校准单元包括透镜组，所述透镜组包括至少两个相对设置的第一透镜和第二透镜，所述第一透镜用于将激光汇聚，所述第二透镜用于将聚集的点光源转换成平行光。

6、根据本发明的实施方案，所述第一透镜和第二透镜之间设置有第一针孔光阑，所述第一针孔光阑设置在第一透镜将激光汇聚的焦点处。

7、根据本发明的实施方案，所述第一针孔光阑选自50μm精密针孔，所述第一针孔光阑可以过滤掉其余杂光，随后调整位置使得精密针孔处于第一透镜的焦点处。

8、根据本发明的实施方案，所述激光发射单元包括激光器和准直单元，所述准直单元设置在激光器和光路校准单元之间，所述光路校准单元用于将激光器发射的激光进行准直后传递至光路校准单元。

9、根据本发明的实施方案，所述激光发射单元还包括散热台，所述散热台用于为激光器降温。

10、优选的，所述激光器采用50mw单频二极管泵浦激光器，其波长为532nm，可以减少样品产生荧光，由于功率较大需将其置于散热器上，保证温度恒定以确保激光质量，并且通过调整激光强度，可以实现散射信号强度始终处于合适的范围，以此来提高收集到的散射信号质量。

11、根据本发明的实施方案，所述准直单元包括沿光路顺次设置的第一高度调整全反镜、第二高度调整全反镜、第一准直全反镜和第二准直全反镜，所述第一高度调整全反镜和第二高度调整全反镜平行设置，所述第一准直全反镜和第二准直全反镜相对设置，用于改变激光的角度。

12、根据本发明的实施方案，所述第一高度调整全反镜和第二高度调整全反镜之间的垂直距离为60～100mm，例如为90mm、99mm。

13、根据本发明的实施方案，所述第一准直全反镜与第二准直全反镜的角度根据实际需要设置，以最终将激光垂直射入第一透镜为准。

14、根据本发明的实施方案，所述第一准直全反镜设置与经过第二高度调整全反镜的激光之间的角度为30～70°，例如为45°。

15、根据本发明的实施方案，所述第二准直全反镜设置与经过第一准直全反镜的激光之间的角度为30～70°，例如为45°。

16、根据本发明的实施方案，所述第一高度调整全反镜、第二高度调整全反镜、第一准直全反镜和第二准直全反镜选用反射率＞90％的全反镜，例如选用加强铝反射镜。

17、根据本发明的实施方案，所述光路校准单元包括透镜组和第一针孔光阑，所述透镜组包括至少两个相对设置的第一透镜和第二透镜，所述第一针孔光阑设置在第一透镜和第二透镜之间，所述第一透镜用于将激光汇聚，所述第一针孔光阑设置在第一透镜将激光汇聚的焦点处，所述第二透镜用于将聚集的点光源转换成平行光。

18、根据本发明的实施方案，所述第一透镜与第二准直全反镜设置有第一可变光阑。

19、根据本发明的实施方案，所述样品池单元与光路校准单元之间设置有第一偏振片。

20、根据本发明的实施方案，所述第一透镜与第一偏振片之间设置有第二可变光阑和全反镜，所述全反镜用于将通过第二透镜的平行光垂直反射入样品池单元中。

21、根据本发明的实施方案，所述样品池单元与信号收集单元之间设置有第二偏振片。

22、经过准直和校正后的激光垂直引导到第一偏振片(作为起偏器)处，得到一束偏振光，偏振光随进入样品台处，在通过样品台后进入第二偏振片(作为检偏器)，可以通过第二偏振片调控偏振角度，以得到vv(采用垂直偏振的激光光源，在接收光路中加入一个垂直方向起偏的偏振片，仅收集垂直偏振方向的散射光)、vh(采用垂直偏振的激光光源，在接收光路中加入一个水平方向起偏的偏振片，仅收集水平偏振方向的散射光)的散射信号，以此获得取向样品不同偏振角度的散射信号，从而分析样品的尺寸。

23、根据本发明的实施方案，所述第二偏振片与样品池单元设置有第三可变光阑。

24、根据本发明的实施方案，所述第一可变光阑、第二可变光阑、第三可变光阑在使用时，孔径可调，分别用于汇聚前、校正后以及样品台前除去杂散光以此来提高光束质量。

25、根据本发明的实施方案，所述激光器发射激光后，由准直单元将激光垂直传递于光路校准单元处，通过光路校准单元的精密针孔光阑与双透镜组协同校正技术控制光束质量，随后经第一偏振片后，照射进样品台，随后通过信号收集单元收集2d散射信号，经过信号处理单元处理后得到1d散射强度与散射矢量的关系。

26、根据本发明的实施方案，所述第二偏振片与信号收集单元之间设置有光束阻挡器和第三透镜，所述光束阻挡器的直径大于激光光束的直径，优选为3～9mm，能够屏蔽透射光的基础上，直径尽可能的小，以便于收集到更小角度的散射信号；所述第三透镜用于将散射信号调整到合适的大小传递到信号收集单元上，以此来提高收集到的小角度散射信号。

27、根据本发明的实施方案，所述散射角的计算方法按如下公式进行：

28、θ＝arctan(x/l)

29、x为第三透镜某一点处到光束中心的距离，最小值为bs的半径2.1mm，最大值为第三透镜半径r，r为15.28mm；l表示样品台到第三透镜的距离，通过改变l的距离即可调整散射角θ的范围。

30、第二方面，本发明提供一种上述可分辨样品取向的超小角激光光散射仪在材料尺寸、构象中的应用。

31、根据本发明的实施方案，所述材料为聚合物、生物大分子、胶体中的一种或几种。

32、有益效果

33、1)本发明通过将激光进行校正并调整入射高度、方向，使其垂直通过偏振片等，来调整入射光与散射(包括透射)光的偏振角度以得到不同的散射信号，实现了对具有取向的样品的精确检测，包括球晶样品等，拓宽了仪器的应用范围，能够满足不同领域对不同尺寸材料检测的需求。同时在散射信号采集系统中设计了一个光束阻挡器，从而能够保证阻挡透射光的同时采集低角度的散射信号，极大地提高了超小角散射检测的灵敏度和精度，能够捕捉到更微弱的散射信号，实现了测量尺度范围为2.70-19.38μm以及球形粒子3.87-27.73μm的大尺度结构研究，其可检测较大尺寸样品的特性拓宽了仪器的应用范围。

34、2)本发明的目的是提供一种可检测取向的超小角激光光散射测量系统，通过设置透镜组，对入射光进行优化，能够滤掉杂散光，提升了入射光的质量，从而能够提升散射信号的质量对；并通过多个可变光阑，在光束到达样品台前除去杂散光以此来提高光束质量，从而提高本发明散射仪的准确度，可以获得角度范围在1.18°至8.48°之间的散射信号，并且通过在样品前后增加偏振片，可以测试具有取向结构的样品，如球晶、棒状样品等。通过收集到的低角度散射信号能够测量的尺度范围是2.70-19.38μm以及球形粒子3.87-27.73μm微米尺度范围内的粒子，提供一种测量胶体和聚合物粒子在溶液中的粒径尺寸，以及分析结晶聚合物的尺寸及结晶动力学，解决现有商业化激光光散射谱仪技术中检测精度不足、无法检测大尺寸样品以及难以检测样品取向的问题。