光散射的应用

1、光散射的应用贵州大学xx学院专业姓名学号2011.03.22光散射的应用Xxx摘要：光散射是光在电场中接触到微粒，微粒的分子转化为偶 极子，在光波电场的振动下，偶极子向各个方向振动，发出与入射光 振动频率相同诱导波，这种诱导波就是散射光；散射光在应用广泛， 根据胶体体系中光散射理论，光散射可用于判断溶胶还是分子液体， 照相补光，利用共振光散射法做DNA的定量分析，基于光散射流式细 胞仪的广泛应用，瑞利光散射光谱法研究牛血红蛋白与镝（III ）的相 互作用等，复杂结构光散射的射线跟踪方法及其应用。光散射的应用， 现象明显，效果显著，在生活中的各方面都有重要意义。胶体光散射（light scatt

2、ering of colloids ）一束光线通过胶体介质时在入射光方向以外的各个方向上都能 检测到光强的现象。具有显著的光散射是大多数胶体体系的重要特 征。当光束通过胶体溶液时，从侧向可以看到一个混浊发亮的光柱， 此种乳光现象称为廷德尔效应（见彩图胶束-微孔乳液体系的化学驱 油机理驱油过程II、胶束-微孔乳液体系的化学驱油机理驱油过程 I、硫溶胶（左）的廷德尔效应，右为对照物氯化钠溶液）,E。印再嬷它是胶体粒子强烈地散射光的结果。实际上纯液体也产生光散射，只 是微弱得多，须用灵敏的检测器如光电倍增管才能测出。起因与条件光是一种电磁波，传播时其交变的电磁场与介质 分子相互作用，使分子中电子成为

3、往复运动的偶极振子。根据电磁理 论，振动着的偶极子是个次波源，像一根天线向各个方向辐射电磁波, 这就是光散射的起因。散射光的频率与入射光相同，故属弹性散射。 光学上完全均匀的介质因散射波彼此相消，不产生散射 引入折射 率与介质不同的胶体质点或因介质自身热运动其折射率有局部涨落， 这种光学上的微观不均匀性是产生光散射的条件。介质的光学不均匀 性越显著，散射越强。光散射理论瑞利散射公式 对于比入射光波长小得多的质点，瑞利导出稀 胶体的散射公式：10.23瑞利公式 1洲】年，Rayiuiftl,研究了大歧的光散射现象，对于粒子47nm的溶胶,出H 了散射光的强度E唠公式,H尸才十2梦为Ravlcig

4、h公式/fl(.l+u.w2 a)上A入射光的强度和波K：/观察者与散射中心的距离；上七分散相，分散介质折射率I V-每个粒子的体积；c一翼位体积中的粒子数；。观察方向-与入射光方向间夹角,散射光的强度与入射光波长的四次方成反比入射光波长-短， 散射光一强，可见光区的波长较短的紫色和蓝色光散射作用最强；波长 较长的红色光散射最弱，大部分会透过溶胶。可解笄当白光照射时，从业 直于入射光方向现察到的散射光呈蓝紫色，而透过光呈橙红色.,散射光的强度与粒子体积的平方成正比U小分子溶液粒孑太小.散 射光很弱看不见光柱。溶胶粒子大小合话,有阴显的光柱产生粒 反射为主散射光很弱C可用丁达尔效应来鉴别溶胶和小

5、分子溶液.,分散相与分散介质折射率相差越大,散射光越强。,散射光强度与粒子的浓度成正比.测定条件相同，对于同类物质 /|= CVC, 测定胶体溶液浓度的仪器，称为忘度计言瑞利散射理论的出发点是讨论个别质点的散射，即认为质点是 彼此独立的。这种处理适用于气体或稀溶胶，对液体则不能成立。液 体中相邻质点的运动有强烈的相关性，彼此间有一定的位相关系，故 大部分散射光为相消干涉。光散射的涨落理论把液体的密度涨落引起 的折射率局部涨落作为计算散射光强的出发点，得到和瑞利理论相似 的结果，但包含了该物理量的局部涨落均方值项。大质点的散射 上述瑞利散射的特征都是由小质点（可视作点） 散射源衍生出来的。随着质

6、点的变大（至少在一维方向上线度超过A/ 20;1/10）,散射逐渐变得复杂，不再遵守散射公式。此时散射光强 对波长和质点半径的高次方依赖关系减弱思（90）也不再是全偏振。 质点尺寸超过尢/ 20兀/ 10后，来自同一个质点的不同部分的散射分 A波因位相不同而出现干涉，此即内干涉，以区别于因一定程度的有序排列在质点间出现的外干涉。内干涉导致前向散射强度大于后向散射 强度：匀3）%（,七-初。内干涉程度取决于质点中有多少个散射元 和它们间的相互位相关系。因此，从散射光强的角度分布可以确定质 点的大小与形状，这是光散射方法的一项重要应用。当质点尺寸与波 长相近时，有可能在某些角度位置上出现完全相消或

7、相长干涉，即在 散射光强的角度分布上有极大和极小。对于同样的质点，这些极大和 极小值位置随波长而异。用白光照射单分散胶体，在不同的角度上将 看到不同的颜色，这称为高级廷德尔谱或高级廷德尔散射。1908年G.米提出球形大质点的散射理论。这个理论除了考虑偶 极矩外，还考虑了大质点中多极电矩与磁矩的辐射，以及入射光经过 球面进入球体时在界面上受到的干扰。相对折射率互食=E ）与质点 相对大小心（心=2状，氏为球半径）增大时，这些因素变得重要。在 米散射中，球形质点的散射光强用级数展开式表示，且空和打值越大， 级数式越复杂。1910年后，瑞利和R.甘斯进一步发展了散射理论，导出适合于 有限大小的球的散

8、射公式。1947年P.德拜将其推广用于无规线团高 聚物溶液。他们共同的结论通常称为瑞利-甘斯-德拜理论，只要相对 折射率接近于1，对任意大小的质点都适用。此理论的出发点是在满 足2 （U; 1的条件下,可以把大质点的散射视作是一群独立的偶极 振子的散射，因而比米的理论处理简化了很多。这三种类型的散射的 适用范围如表类型相对折射率相对尺寸大小毒剥散射瑞利-甘斯德拜散射米散射|m 11 心m军 1P/A1光散射的应用复杂结构光散射的射线跟踪方法及其应用1本法主要应用射线跟踪方法研究目标涂层材料玻璃微珠反射膜 的光散射问题。主要工作与成果如下：.根据均匀球形粒子的Mie理论远场计算公式，推导了均匀

9、球形粒子的振幅函数和强度函数的求解过程，计算了均匀球形粒子及 双层球形粒子的Mie理论散射结果。.利用费马原理推导了反射和折射定律，以反射射线的跟踪 为例介绍了几何光学射线跟踪方法的推导过程;根据几何光学彩虹理 论和Airy理论，推导了 N阶几何光学彩虹角与入射角和折射率的关系 及Airy峰的位置表达式，详细阐述了 一阶彩虹形成的物理原因，计算 了球形粒子的一、二阶Airy分布。.根据几何光学原理，得到了玻璃微珠最小偏转角与折射率 关系的表达式，分析了玻璃微珠回向反射特性最佳时的折射率范围； 给出了接收面上的光照度与偏转角的关系方程。.根据几何光学和等效电磁流原理，推导了几何光学积分方 程混合

10、方法；应用射线跟踪方法建立了玻璃微珠及反射膜的几何模 型,计算了他们的光散射特性并与Mie理论进行了比较，证明了射线跟踪算法的科学可行性;根据玻璃微珠反射膜的结构特点，建立了射 线跟踪的单元法。光线柔和自然明暗反差适当(八)一一室内自然光和散射光的应用2正开始从事新闻摄影的同志，往往为室内拍照而作难，总觉得原 有自然光线难以掌握，应用闪光灯照明，近景平淡失色，远处漆黑一 片，形象不美，难以入画。其实，室内原有自然光，只要能获得适当曝 光，拍出来的照片,影调柔和均匀，景物真实自然，具有朴实无华之美。 特别是随着科学技术的发展，人们的居住条件在逐步改善，新的房屋 建筑宽广明亮，室内设备完善，装修考

11、究,将为室内摄.共振光散射法DNA的定量分析进展共振光散射(RLS)技术是一项在普通荧光分光光度计上进行光 散射检测的分析技术。自从1993年Pasternack等首次应用共振光 散射法对卟啉类化合物在核酸上的聚集进行研究以来，共振光散射 技术逐渐得到广泛应用，如用于对纳克级核酸进行定量分析。其最 大特点是试剂安全廉价、快速、灵敏度高和特异性强。但还存在技 术方面的问题，如染料与核酸结合不稳定。常用的测定DNA的共振 光散射法见表3。表3常用的测定DNA的心法Tlh 3 Iht C4rnmun mMttfjh light scattering trtithvds fun dvt机、mining

12、 DNA试荆剖定芯弟品忙RES峰税性范围pH值muWg也”FLctUNAGT400U-U4 3一 1Q43ctUNA7. 3F-64700 1.2网纬晶紫otDNA9. 210.551245孔崔石绿clDNA9. 510. 04820.02160.0640阁铝离fctDNA2. 21MlUT一。却小蛔clDNAEOF 一&。0一&岫固黄0tilDNA9一拔4670.025-7. 000网桃gfaDNA5.54C0.01 T0【制以nDNA2.2U3功0 8.4泪多胺ttUNA2.20.15343网Ru(4)y)2PIP( T)2+ctDKAE 5/0.U164. 000旺橙ctDNA2.U35

13、954瑞利光散射光谱法研究牛血红蛋白与镝(III )的相互作用在近生理条件pH=7.40时，牛血红蛋白和Dy (I )的光散射 强度均十分微弱，当两者相互作用后，光散射强度急剧增强，最大散 射峰分别位于380nm和470nm处，并研究了此反应的影响因素和适宜 的反应条件；在此条件下结合紫外可见吸收光谱，发现牛血红蛋白与 Dy (I)在不同浓度条件下相互作用，均是定量作用，并有很好的线 性关系，但其光散射光谱和紫外光谱的峰值变化均有不同，我们可以 推断出稀土离子浓度不同，血红蛋白与Dy (I )的作用机理不同， 并探讨了其作用机理。RLS光谱与吸收光谱图9为Hb-Dy (III)体系的瑞利光散射

14、光谱和紫外吸收光谱。从图中可以看出，RLS的峰在380nm和470nm处，吸收峰在210nm和 410nm处，RLS的两个峰都位于吸收光谱的峰谷。不像共振光散射光 谱，共振光散射光谱的峰位于吸收带附近，而光散射光谱的峰位于吸 收光谱的峰谷，光散射光谱的峰谷位于吸收光谱的吸收峰。这种不同 现象可以这样解释10：根据共振光散射理论，强度的增加由于在可 见吸收区溶液散射指数的增加，所以通常这种增加位于吸收带附近。 在Hb-Dy (I )体系中，吸收带没有散射强度的增加，吸收峰对应于 光散射的峰谷，所以不是共振散射现象。光散射光谱的峰和峰谷是由 于Hb-Dy (I )体系对RLS强度的吸收。这种吸收不

15、但引起光散射光 谱的峰和峰谷，还引起RLS光谱和吸收光谱的这种对称关系。图9 RLS光谱和吸收光谱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)浓度和Hb浓度不同对Hb-Dy (I)体系影响的比较依照上述实验结果，列出表一以便比较滴加Dy (I)和Hb浓 度不同时对瑞利散射光谱和紫外吸收光谱的不同影响。从图中我们可以清楚地看到两种情况对光谱的不同影响，可以推测

16、是由于它们作用 的机理不同，结合部位不同导致的。(1)、Dy (III )浓度增大，Hb浓 度不变时：由于Dy (I )浓度增大，促进更多的Dy(I )通过静电 作用与蛋白质中的带负电荷的部分氨基酸残基作用，聚集在蛋白质表 面，而使微粒尺度增大，表现为散射强度在470nm处的峰随着Dy(III) 浓度的不断增大而成线性关系增强。(2) Hb浓度增大，Dy (I)浓度不变时：由于此时Hb浓度较大，浓度不变的Dy (I )要与不断增 加浓度蛋白质更好更有效的结合，就会使蛋白质结构发生变化，有可 能使其部分氨基酸残基发生破坏，暴露出能与Dy (I)结合的部位，与浓度不变的Dy(I )发生作用，从而导

17、致微粒尺度变小，表现为 散射强度在410nm处的峰谷随着Hb浓度增大而降低；同时，与前面 相比紫外吸收在410nm处的峰也有明显变化，在400nm附近处是一个soret带，这是血红素的叮-叮*跃迁带，此处峰随着Hb浓度增大而增强，更加说明了两种情况的结合部位不同，作用机理不同。由此可 见，稀土离子与蛋白质结合，通过改变蛋白质微构象或干扰蛋白质对 其他离子结合两种程度的不同而发挥其剂量效应11，影响蛋白质的 功能；也就是说，稀土离子与蛋白质结合的位点与稀土离子的浓度有 关，浓度不同，直接影响稀土离子与蛋白质的作用结合位点，同时也紫外吸收变化浓度变化散射强度变化Dy (III)浓度470nm处的峰强度随浓210nm处的吸收峰随浓度增大，Hb浓度度增大而增强，并有很增大而增强，410nm处的不变。好的线性关系。吸收峰随浓度增大不变。一定会表现出对生理活性的不同影响，这还有待于进一步的研究。表一、Hb-Dy (III)体系的光谱比较Hb浓度增大，Dy （III）浓度 不变。410