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本文研究了在静电相互作用占主导的体系中,强聚电解质链在单分子尺度上的性质。主要包括构象和抗衡离子分布,并且分别考察了盐浓度对构象和拓扑结构对抗衡离子分布的影响,具体描述如下: 选择研究广泛的聚苯乙烯磺酸钠(NaPSS)作为研究聚电解质构象和抗衡离子分布的模型。同时,为了研究聚电解质链性质的普适性,在研究主链构象时,选择主链带正电的季铵化聚四乙烯基吡啶(QP4VP)作为物理模型。 1)在无盐溶液中,使用荧光关联光谱技术(FCS)测量了单分子尺度下(约nmol浓度)NaPSS和QP4VP的扩散系数,其样品均为末端染色,并且分子量跨度在一个数量级左右,将扩散系数和聚合度进行标度理论分析,发现聚电解质链的构象比中性聚合物链在良溶剂中的构象更加伸展。然后根据Stokes-Einstein方程将扩散系数转化为流体力学半径,使用棒状流体力学半径公式可以很好的拟合流体力学半径和聚合度的关系。所以,证明了强聚电解质链在无盐条件下是棒状构象。 2)同样使用上述聚电解质物理模型体系,研究了聚电解质链构象对盐浓度的依赖性,在10-4M氯化钠浓度下,NaPSS和QP4VP的短链均是棒状构象;而在0.1M氯化钠浓度下,NaPSS和QP4VP的长链分别是无规线团构象和溶胀的无规线团构象,而在10-4M盐浓度下的长链和0.1M盐浓度下的短链,对于NaPSS和QP4VP的链构象是介于棒状和无规线团之间的塌缩构象;当氯化钠浓度为1M时,NaPSS和QP4VP主链分别是无规线团和溶胀的无规线团构象。 3)通过光子计数直方图(PCH)技术研究了NaPSS链在无外加盐条件下抗衡离子的分布。研究发现,NaPSS链末端局部抗衡离子浓度比本体抗衡离子浓度高2-3个数量级,这是由于主链所带电荷吸引抗衡离子而引起的。研究还发现链末端电势会随着随着分子量的增加逐渐趋于饱和。这是由于链长的增加,主链所带电荷的数目增加,即静电势能增加;静电势的增加会增大主链对抗衡离子的束缚,使得抗衡离子吸附量增加,单位单体平均带电量下降,即静电势随着分子量的增加而逐渐趋于饱和。 4)同样利用PCH技术研究了NaPSS链环形和线形拓扑结构对抗衡离子分布的影响,与线形拓扑结构相比,环形拓扑结构链周围富集的抗衡离子浓度稍低于线形链中间富集的抗衡离子浓度而远高于线形链末端富集的抗衡离子浓度;通过FCS研究发现,环形拓扑结构链比线形拓扑结构链具有更小的流体力学半径,这进一步证明环形拓扑结构具有更高的电荷密度,能够富集更多的抗衡离子。 最后,简要说明两个问题。 第一、作为聚电解质基础物理性质研究的课题,特别是使用FCS进行构象研究的样品,需要具有准确的分子量以及各样品适宜的聚合度,并且具有窄的分子量分布以及可标记的官能团。由于商业化样品的局限性以及不确定性,本论文中使用的所有聚电解质样品均由本人合成并经过严格表征。 第二、本论文主要考察静电相互作用占主导的聚电解质体系,所以研究所使用的样品均为强聚电解质,而不是存在其它相互作用的弱聚电解质。