研究概要

Introduction

    置于电磁场(包括光频电场)下的物质体系将发生极化，其极化过程和程度与物质的分子性质、内部构造以及电性质等密切相关。同时，极化速度也是依赖于时间的动力学问题，因而检测不同频率区域的介电响应或介电性质，即介电测量，能够提供这方面的信息。

  

    以液态中分子聚集体为主的非均质体系作为研究对象，揭示体系宏观介电性质的微观机制、以及通过建立模型定量解析介电谱以获得详尽内部信息是本研究组的主要目标。

　

　

What is dielectric spectroscopy

    上述的测量介电性质的技术就是所说的介电谱方法。注目下图的频率(或波长)轴，向尺度长(或短)的方向是化学者也熟悉的、或常用的光谱学方法，介电谱与研究原子、电子和分子极化的IR, Visible, u.v. 等类似，均是一种利用电磁波对物质体系进行内部“透视”的方法。

    而在覆盖微波 (microwave)、射频(radio)以及音频(audio)的10-4─1011Hz近1015数量级的宽泛频率范围，它可以研究物质体系的偶极极化、界面极化以及离子极化，获得关于界面构造和电性质、内部构成相以及与环境的依存性、与运动性相关的诸多信息。因而有其独特的不可替代性，是物性物理化学研究的重要方法和手段。

    在上图频率(或波长、波数)的统一参照系统，物质极化引起的吸收改变分别以介电常数（<1012Hz的频率段）和折射率（约在1012Hz — 1015Hz之间的频率段）表示。极化强度 P 和电场强度 E 之间是以宏观极化率χe为系数的正比关系：P=χeE  χe=ε-1，与介电常数ε是等价的。物质体系在不同的频率段与电磁场作用产生的极化，因物质分子或集合体构造以及电性质等内部性质之不同而异，因而ε将出现如下图所示的频率 f 依存现象，即所谓介电谱，考虑时间因素称之为介电弛豫谱的也相当普遍。介电谱也有人称其为介电光谱，不足为奇，光也是一种电磁波，只是频率极高罢了。

　
What is dielectric analysis

    然而，介电谱无表可查，其严格的解析是比较烦琐的事情，也是介电研究的核心。通过对具体体系实施介电测量获得介电谱、建立适当的物理模型并进行严密的数学解析，可获得体系内部诸多信息。其解析过程简单地图示于下：

    下式是包含不同空间构造的非均匀体系的介电常数与内部相参数关系的统一公式，严格的解析对测量结果要求苛刻，漂亮的介电谱图、获得较多的介电参数是充分利用该公式的前提。

    鉴于实际体系的复杂性，多种极化并存使得介电谱解析相当困难，因而多数解析是较为定性的。但用经验公式拟合介电谱，仍可通过弛豫时间的分布区间和程度讨论极化机制和动力学问题。

    介电谱解析虽依体系不同其手段略异，但首先通过严格的包括测量系统和测量池等的介电测量、获得可靠的data是共通的、也是重要的第一步，之后的分析介电谱准确确定介电参数、考虑适当的模型进行解析也是获得可靠内部信息的关键。如何使用和说明获得的信息便是不同领域研究者的事情了。

　

研究方向

    由于生物学及材料科学在化学中的渗透，一些具有特殊功能和化学性质的体系相继出现：以分子弱相互作用形成的高度有序的分子聚集态构成膜模拟化学体系，以纳米粒子为代表的高分散体系，以及以蛋白质分子及脂类表面活性剂分子为主要构成物质的生物细胞。上述分子集合体其特殊的功能和化学性质如分子组装和分子识别等都是目前的热点课题，这些研究促使了所谓介观物理化学的发展。本研究拟以介电谱方法为手段，对上述体系以及各类高分子膜进行展开性的基础研究，具体围绕以下几个方向：

    以Debye的极化分子理论和Maxwell-Wagner的界面极化理论构成现行的主要介电理论，前者解释如分子溶液等单一的物质体系的偶极极化问题、而后者讨论的是非均匀体系内因相界面上电荷积累产生的空间电荷极化(界面极化)，两者对于介于微观和微观之间尺度的所谓介观体系均不能完全适合，特别是其介电行为的理论解析。因此，从具体体系的实例入手，展开该方面理论上的研究是本组主要方向之一。

    对用于物质分离的机能性高分子膜(荷电的或非荷电的)在水溶液中的介电行为进行介电解析、探讨构造与机能的关系以及分离过程物理化学问题；研究各种高分子材料或复合材料以独立膜的形式在溶液中的介电谱，得到有关材料自身的以及复合体中各组分的结构和电性质方面的物理化学参数；通过对导电高分子膜或溶液的介电测量和解析、解明其分子内、分子间以及纤维质间的导电机制。

    左图示意的具有层状结构的纳滤膜的介电谱研究就是典型的一例。非常明显的多重弛豫反映膜/溶液体系的内部构造以及各相物理化学性质，采用适当的物理模型解析该谱，可获得如膜内部各层的电容、电导、膜的荷电量等有关膜构造和电性质的详尽信息。  

    建立于层状结构介电谱解析基础上的介电实时监测技术，适用于膜（诸如壳聚糖膜）的物质吸附和释放过程的研究也是该研究方向的课题之一。
    

    利用介电谱技术考察粒子分散系中粒子表面和内部构造及其电性质， 并通过改变粒子分散系外界环境，如电解质溶液浓度，离子种类和价态，悬浮介质pH值，以及粒子表面的荷电状况的条件下，获得纳米或微粒子的物质吸附能力以及聚集状态等信息。具体地，存在相界面的粒子分散系在外加交变电场下，由于界面极化效应和双电层中的对离子极化效应，在不同的频率段将产生两个明显的弛豫现象。通过解析介电谱，求得反映粒子和连续介质电性质的物理参数，进一步，利用介电参数考察具体粒子构造和性质，可获得表征界面电动力学性质的诸如zeta电位ζ、表面电导率κσ等重要参数———这是本实验室重要的研究方向之一。

    自上个世纪初开始，生物细胞的介电性质（或电性质）就成为科学研究的一个热点领域，目前，这项研究正处于一个从基础研究逐步走向应用和商业用途的发展阶段。而本研究组本着传承先辈科研精神的信念，利用介电谱解析的“non-invasive”和“in situ ”监测之特点，对细胞悬浮体系、特别是细胞培养或其他自然过程的动态性质研究，以获得有关细胞受外界环境影响、如与表面活性剂、金属离子、pH等化学因素相互作用的详尽知见，并结合相关的生物学研究手段，探求细胞在上述因素作用后细胞膜结构和功能发生改变的可能机理； 此外，细胞培养中生物量的在线介电监测，非生命物质中有生命物质的探测（美国宇航局（NASA）关于探索火星生命存在与否的科研课题之一）等，也是研究组兴趣所在。   

     

          　　　　　　　     当细胞悬浮液置于电场作用下时，细胞质和悬浮介质中的离子会在电场作用下发生移动，直到细胞质膜阻止了离子的移动，这样，在细胞膜的两侧就会形成电荷聚集，从而产生界面极化现象。
                                                                           　　 

    胶束、反胶束、微乳液、囊泡、脂质体、LB膜等的介电测量和理论解析，以获得聚集状态和各组成相电性质等参数，解明脂质层各区微细构造。此外，对球状蛋白质水溶液和生物大分子的介电行为进行模拟研究，以期待解明药物领域中的如渗透和释放等某些物理化学问题；聚电解质溶液以及聚电解质与表面活性剂相互作用的体系的介电测定获得高分子链运动状态、表面结合水以及表面活性剂分子的相互作用情况。下图示意了胶束体系与外交变电场的相互作用。
    由表面活性剂分子构筑的胶束溶液，在外加电场的作用下，胶束表面的对离子会沿着胶束的表面做两种运动，从而产生弛豫现象，同时溶液中的水分子的运动在介电谱中也会有响应。

　

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