光散射的应用.docx

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光散射的应用

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。

1．胶体光散射（lightscatteringofcolloids）

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Ⅲ]、[硫溶胶（左）的廷德尔效应，右为对照物氯化钠溶液]）,

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。

二．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：

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。

随着质点的变大（至少在一维方向上线度超过

／20～

／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,

（90°）也不再是全偏振。

质点尺寸超过

／20～

／10后，来自同一个质点的不同部分的散射分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：

（

）＞

（

－

）。

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

（

＝

/

）与质点相对大小

（

＝2

/

，

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

和

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

（

-1）

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

。

3.光散射的应用

1.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:

（1）.根据均匀球形粒子的Mie理论远场计算公式,推导了均匀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。

（2）.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。

（3）.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。

（4）.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。

2.光线柔和自然明暗反差适当（八）——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,装修考究,将为室内摄.

3.共振光散射法------DNA的定量分析进展[3]

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。

4.瑞利光散射光谱法研究牛血红蛋白与镝（Ⅲ）的相互作用[4]

在近生理条件pH=7.40时，牛血红蛋白和Dy（Ⅲ）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（Ⅲ）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（Ⅲ）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（Ⅲ）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（Ⅲ）体系对RLS强度的吸收。

这种吸收不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9RLS光谱和吸收光谱

Fig.9RLSspectraandabsorptionspectra

1.RLSspectraofHb-Dy（Ⅲ）2.RLSspectraofHb-Dy（Ⅲ）3.AbsorptionspectraofHb-Dy（Ⅲ）

Dy（Ⅲ）浓度和Hb浓度不同对Hb-Dy（Ⅲ）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（Ⅲ）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（Ⅲ）浓度增大，促进更多的Dy（Ⅲ）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（Ⅲ）浓度不变时：

由于此时Hb浓度较大，浓度不变的Dy（Ⅲ）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（Ⅲ）结合的部位，与浓度不变的Dy（Ⅲ）发生作用，从而导致微粒尺度变小，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л-л*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

浓度变化散射强度变化紫外吸收变化

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。

Hb浓度增大，410nm处的峰谷强度随浓210nm处的吸收峰随浓度

Dy（Ⅲ）浓度度增大而降低，并有很增大而增强，410nm处的

不变。

好的线性关系。

吸收峰随浓度增大而增强。

光散射的应用极为广泛，随着科学技术的不断进步，未来技术的改革和提升，光散射技术应用将更加完善，更加有效率，更加环保。

参考文献：

[1]武光玲复杂结构光散射的射线跟踪方法及其应用2007.

[2]魏德忠光线柔和自然明暗反差适当（八）——室内自然光和散射光的应用1989.

[3]化学与生物工程武鑫,李生泉,刘金龙DNA的定量分析方法进展200911.

[4]常希俊张莉王邃杨芳瑞利光散射光谱法研究牛血红蛋白与镝（Ⅲ）的相互作用