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黄原胶分子在云母表面自组装研究

发布日期:2015-06-05 10:38:27
大分子自组装属于超分子化学和高分子科学的交叉学科,是当今化学和材料 科学发展的前沿,也是孕育先进材料的摇篮。大分子自组装形成的高分子、超分 子体系开辟了材料科学的一个新的领域,纳米管、纳米线、功能化纳米、液晶、 功能化纳米薄膜、三位骨架等等都可以通过自组装的过程来制备。在生物学上, 蛋白质的形成,细胞的生成与演化、DNA分子间的信号存储和传递都是通过分子 自组装来实现的。如今分子自组装已经成为介于物理学、化学、生物学、材料科 学、制造、纳米科学等重要领域之间的重要的研宄方向,是近几年来国际科学界 非常关注的一个前沿热点[1-4]。
对自组装体系的表征为进一步研宄自组装行为提供了强有力的依据,如今已 经形成了一套表征方案:用红外光谱和光电子谱在研宄分子自组装的结构信息; 用X射线反射和圆二色性来研宄自组装膜的厚度和粗糙度;用透射电子显微镜 (TEM)和扫描电子显微镜(SEM)来表征自组装过程中形貌结构的变化:另外用 示差扫描热法(DSC)、二次离子质谱等(SIMS)等,这些方面的仪器都是研宄 自组装的重点。原子力显微镜(AFM)通过针尖与所观察样品中的原子逐个发生 作用,具有很高的分辨率,成为从分子级别上研宄分子自组装体系一个有力的检 测工具。
黄原胶分子的化学式为(C35H49O29) n,其结构组成为D-葡萄糖、D-甘乳 糖、D-葡萄糖醛酸、乙酸和丙酮酸组成的“五糖重复单元”结构聚合体,分子摩 尔比为2.8:3:1.7:0.51:0.63[5],分子量为2X106-2X107D之间[6]。黄原胶分 子的一级结构是有0 -(1, 4)键连接的D -葡萄糖基主链与三糖单位的侧链组成;其侧 链由D -甘露糖和D-葡萄糖醛酸交替连接而成;三糖侧链由在C- 6位置带有乙酰基 的D-甘露糖以a-(1, 3)链与主链连接,在侧链末端的D -甘露糖残基上以缩醛的形 式带有乙酮酸,其结构如图3-1所示。黄原胶除拥有规则的一级结构外,还拥有
图3-1黄原胶分子的结构式
Fig.3-1 Chemical structure of xanthan gum
二级结构,经X—射线衍射和电子显微镜测定,黄原胶分子间靠氢键作用而形成规 则的螺旋结构。双螺旋结构之间依靠微弱的作用力而形成网状立体结构,这是黄 原胶的三级结构,它在水溶液中以液晶形式存在[7]。
在生命科学领域内黄原胶有着广泛的应用,由于黄原胶无毒、无害、适应性 较强,因此他在微胶囊药物囊材中的具有很大的功能组分,如用作纳米药物载 体、进行药物可控释放等发挥着重要作用;由于黄原胶自身的保水性和较强的亲水 性,使其在医疗操作方面有很多的应用,例如可以形成一个非常致密的水膜,从 而可以有效的避免外部细菌对皮肤的感染,减少病人在化疗、放疗后的口渴等; 李信、许雷等曾经报道,黄原胶本身对小鼠的体液的免疫功能具有明显的增强作 用[8-10]。此外,在1985年日本曾经报道关于黄原胶作为一种食品添加剂材料 中,具有最有效的抗癌剂。
以上所列出的一些情况需要通过改变处理外部条件如浓度、温度、超声以及 PH值等对黄原胶溶液的性质进行控制与调节。因此从这些方面考虑来说,研宄 不同外部环境条件下对黄原胶分子的自组装方式非常重要。
黄原胶特殊的结构特征还使其对热、酸、碱和酶都具有十分良好的耐受能 力,这些性质都使得黄原胶成为十分良好的食品增稠剂和稳定剂,从而使黄原胶 成为应用领域广、发展速度快且极富发展潜力的微生物多糖[11-14]。黄原胶已经被广泛的用于食物增稠剂,它在很大的温度范围和PH值范围内保持稳定。它也 常用于混凝土水下灌注中来增大混凝土的黏性,防止被水冲走。黄原胶的另外一 个引人注目的特性是在牙膏中的应用,实验表明黄原胶能够保护牙齿,降低酸性 物质等对牙齿的腐蚀,它能够迅速在牙齿表面形成一层保护膜。
黄原胶的水溶液是呈多聚阴离子,并且构象是多样的,只要取决于被表征的 条件(溶液的浓度,温度、电解质、PH和离子强度)。黄原胶分子有时是有序的 螺旋结构(helix),有时是无序的无规则线团(random coil) [15-18]。X-衍射的研 宄认为黄原胶分子为五折的右手螺旋结构[19],螺距为4.7nm,直径为1.9nm.该螺旋 结构为单股、双股或者多股的说法都有,不过到目前为止更多的人还是认为双股 螺旋[20]。Kirby et al.用接触模式下的原子力显微镜证明了黄原胶分子能够在正辛 醇溶液中成像[21],然后他们进一步研宄了黄原胶在任意的环境下(在溶液中、 空气下和真空中等)用轻敲模式下成像[22], Capron et al.用接触模式在丙醇二酸 中研宄了当加热温度超过分子从有序到无序的转变温度时[23],本性有序的结构 会发生变形,同时分子量降低,分子量大约降低了一半,这就证明了本性有序形 成的双螺旋结构,该螺旋通过非共价键(氢键、静电和空间效应)来稳定。
Lindberg等人首先证明黄原胶分子一级结构为梳状,分子量很大,是具有0(1-
4)连键的毗喃葡萄糖聚合物。相间的葡萄糖残基的C-3上连有三糖侧链,上有丙酮 酸及乙酸侧基[24]。X-衍射的研宄认为黄原胶分子为五折的单螺旋结构[25]。粘度 测定[26],旋光光度法或圆二色性[27]及NMR[28]对其溶液的研宄认为黄原胶分子 存在一种热诱导的由原始的棒状向变性的屈曲状结构的转变.GHolzwarth等利用 透射电镜通过对黄原胶变性与复性的研宄认为其原始结构为二股或三股的右手螺 旋,南开大学的王德润等用电子显微镜研宄了黄原胶分子形貌结构[29]。
原子力显微镜(AFM)具有高分辨率、制样简单、不需要导电、可以对样品 在任何环境(真空、大气和溶液)下,都能对样品成像。总体来讲,目前国内对 黄原胶分子自组装的报道很少,国外的研宄较多,但是都没有利用原子力显微镜 对黄原胶分子自组装的高分辨成像技术进行系统的研宄。因此本章节大家采用
AFM的高度成像功能,对不同浓度下的黄原胶分子的微观形态和结构进行了考 察,探讨了浓度的变化对黄原胶分子的微观结构的影响规律,根据黄原胶分子在 固体表面进行自组装的特性,研宄了外部条件如样品的温度、超声处理以及样品 溶液的PH值对黄原胶自组装的影响。
3.2实验部分 3.2.1试剂和仪器
黄原胶样品购买于Sigma-Aldrich企业,不需要进一步处理,实验室所用的 基片为新剥离的云母片,原子力显微镜(5500AFM,美国安捷伦Agilent),电子 天平(FA1004,上海恒平科学仪器有限企业),SZ-97系列自动三重纯水蒸馏器 (上海亚荣生化仪器厂),飞鸽牌离心机(AK/QC-058,上海安亭科学仪器厂), XK96-A/B型快速混匀器(姜堰市新康医疗器械有限企业),数显恒温磁力搅拌器 (85 —2,杭州雷磁分析仪器厂)。
3.2.2黄原胶溶液的样品制备
黄原胶溶液的样品制备过程如下几个步骤:
(1)用电子天平称取0.5g黄原胶粉末,并将其溶解在50mL的三次蒸馏水 中,在室温下搅拌。制备成10g/L的黄原胶母溶液,储存在4°C的冰箱中以后方 便使用。
(2)将10g/L的黄原胶母溶液从冰箱中取出,通过恒温磁力搅拌器加热到 90C大约30分钟,加热的过程中同时进行搅拌,目的是使溶液加热均匀,随后
冷却都室温。
(3)溶液然后放置在离心机上,离心速度为150000g大约2个小时,目的 是移除较大颗粒聚集物和一些气泡,取中间液放在4C冰箱内进行保存一夜。
(4)取出1mL处理液,稀释到9mL的三次蒸馏水中,这个过程连续重复三 次,最终0.1g/L, 0.01g/L,和0.001g/L的黄原胶溶液被制备出来。
(5)将10g/L的黄原胶母溶液从冰箱中取出,通过恒温磁力搅拌器加热到 60°C,加热的过程中同时进行搅拌,目的是使溶液加热均匀,然后分别在30分 钟,4个小时,6个小时和9个小时取出样品,随后冷却都室温。
(6)将10g/L的黄原胶母溶液从冰箱中取出,通过恒温磁力搅拌器加热到 40C,加热的过程中同时进行搅拌,目的是使溶液加热均匀,然后分别在30分 钟,4个小时,9个小时和24个小时取出样品,随后冷却都室温。
(7)将取出的在不同温度不同时间下的溶液放置在离心机上,离心速度为 150000g大约2个小时,目的是移除较大颗粒聚集物和一些气泡,取中间液放在 4C冰箱内进行保存一夜。
(8)将不同的溶液取出1mL处理液,稀释到9mL的三次蒸馏水中,这个过 程连续重复二次,制备出0.01g/L的黄原胶溶液。由于在上一章中大家的实验说 明了黄原胶溶液在0.01g/L能够形成交织的网状结构,所以大家以这个浓度下的 黄原胶溶液在研宄黄原胶分子的自组装行为,在这一章中大家的溶液浓度都是在
0.01g/L下进行研宄的。
(9)取出退火温度在40C下,退火时间为30分钟的样品进行进一步处理, 将该样品分成相等的二份,放在超声波中,分别在超声5分钟,30分钟后将样品 取出。超声处理器为40kHz。
(10)取出退火温度在90C下,退火时间为30分钟的样品进行进一步处理, 取出1mL处理液,然后加入等量的磷酸缓冲液(PBS,PH=5.29),用匀胶机摇匀 后,配制出低于0.01g/L的黄原胶溶液,储存在4C冰箱内,以便研宄。
3.2.3 AFM样品的制备
用微量取液器汲取2瓜的黄原胶溶液,滴于新解离的云母表面上,让黄原胶 溶液在云母表面均匀展开,用滤纸将边缘的多余的溶液吸去,然后用氮气将云母 表面的溶液吹干或者将其在大气下自然晾干,形成黄原胶吸附层。在晾干的过程 中,发现表面有较大颗粒(空气中的尘埃),用三次蒸馏水小心清洗吸附层三 次。在干净的空气中干燥(大家实验在超净工作间进行操作),在无尘台上使其 自然风干后或氮气吹干后用于AFM观察。大约经过30—60分钟黄原胶分子就能 牢固的吸附在云母表面,AFM样品的制备比较简单,重复性较好。这样黄原胶分 子的AFM样子制备完成。
3.2.4AFM 实验
本论文中所用的原子力显微镜为美国安捷伦(Agilent)企业生产的,型号为 5500AFM,大家的样品为生物样品,因此大家在实验中一般常用轻巧模式下的原 子力显微镜(TM—AFM),扫描探针为美国vecco企业生产的,微悬臂为矩形, 长度为40nm,扫描针尖为商用锥形硅针尖。针尖的共振频率范围130—140kHz, 大家实验中选取共振峰顶偏左的135.50kHz为轻巧模式下原子力显微镜的共振频 率,轻巧成像模式采用高频振动的探针扫描样品,探针与样品之间的每次接触时 间极短,减少了针尖对样品的横向作用力,大大减少和避免扫描过程中样品的飘 逸和损坏。
成像的过程中,原子力显微镜的图像的的对比度主要是由于针尖与样品之间 的作用力大小,作用力太小的话,图像的对比度很差,不能得到清晰稳定的图 像,然而图像的作用力过大时,很容易对黄原胶分子造成损坏,经过多次实验结 果分析可以得到,最佳的作用力大约在2—5nN量级以内。在实验过程中为了减少 针尖对黄原胶分子的作用力过大而破坏样品,在成像清晰的条件下调节setpoints 值将针尖与样品表面的作用力调至最小。在实验中,针尖的扫面速度与扫描范围 是成线性关系,扫描范围变大时,扫描速度就应该相应加大,大家可以获得原子 力显微镜的最大扫描范围为8000nmx8000nm,扫描速度为0.2?2 line/s。
在本部分中原子力显微镜图像仅采集形貌图像,图像的分辨率为256 x 256像 素,所有图像只经过自动平滑处理(FlattenAuto),以消除慢扫描方向上的低频噪 音。图像一般处理是原子力显微镜(5500 AFM,Americal Agilent Co.)自带数 据处理App,大家还通过商业版处理原子力显微镜图像AppScanning Probe Image Processor (SPIP™App(Image Metrology ApS,Version 4.2, Lyngby, Denmark),由哈 弗大学董明东副教授提供。
 
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