大分子自組裝屬于超分子化學(xué)和高分子科學(xué)的交叉學(xué)科，是當(dāng)今化學(xué)和材料 科學(xué)發(fā)展的前沿，也是孕育先進(jìn)材料的搖籃。大分子自組裝形成的高分子、超分 子體系開辟了材料科學(xué)的一個新的領(lǐng)域，納米管、納米線、功能化納米、液晶、 功能化納米薄膜、三位骨架等等都可以通過自組裝的過程來制備。在生物學(xué)上， 蛋白質(zhì)的形成，細(xì)胞的生成與演化、DNA分子間的信號存儲和傳遞都是通過分子 自組裝來實現(xiàn)的。如今分子自組裝已經(jīng)成為介于物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、材料科 學(xué)、制造、納米科學(xué)等重要領(lǐng)域之間的重要的研宄方向，是近幾年來國際科學(xué)界 非常關(guān)注的一個前沿?zé)狳c[1-4]。

對自組裝體系的表征為進(jìn)一步研宄自組裝行為提供了強(qiáng)有力的依據(jù)，如今已 經(jīng)形成了一套表征方案：用紅外光譜和光電子譜在研宄分子自組裝的結(jié)構(gòu)信息； 用X射線反射和圓二色性來研宄自組裝膜的厚度和粗糙度；用透射電子顯微鏡 (TEM)和掃描電子顯微鏡(SEM)來表征自組裝過程中形貌結(jié)構(gòu)的變化：另外用 示差掃描熱法（DSC)、二次離子質(zhì)譜等（SIMS)等，這些方面的儀器都是研宄 自組裝的重點。原子力顯微鏡（AFM)通過針尖與所觀察樣品中的原子逐個發(fā)生 作用，具有很高的分辨率，成為從分子級別上研宄分子自組裝體系一個有力的檢 測工具。

黃原膠分子的化學(xué)式為（C35H49O29) n，其結(jié)構(gòu)組成為D-葡萄糖、D-甘乳 糖、D-葡萄糖醛酸、乙酸和丙酮酸組成的“五糖重復(fù)單元”結(jié)構(gòu)聚合體，分子摩 爾比為2.8:3:1.7:0.51:0.63[5]，分子量為2X106-2X107D之間[6]。黃原膠分 子的一級結(jié)構(gòu)是有0 -(1, 4)鍵連接的D -葡萄糖基主鏈與三糖單位的側(cè)鏈組成;其側(cè) 鏈由D -甘露糖和D-葡萄糖醛酸交替連接而成;三糖側(cè)鏈由在C- 6位置帶有乙?；?的D-甘露糖以a-(1, 3)鏈與主鏈連接,在側(cè)鏈末端的D -甘露糖殘基上以縮醛的形 式帶有乙酮酸，其結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。黃原膠除擁有規(guī)則的一級結(jié)構(gòu)外，還擁有

圖3-1黃原膠分子的結(jié)構(gòu)式

Fig.3-1 Chemical structure of xanthan gum

二級結(jié)構(gòu)，經(jīng)X—射線衍射和電子顯微鏡測定，黃原膠分子間靠氫鍵作用而形成規(guī) 則的螺旋結(jié)構(gòu)。雙螺旋結(jié)構(gòu)之間依靠微弱的作用力而形成網(wǎng)狀立體結(jié)構(gòu)，這是黃 原膠的三級結(jié)構(gòu)，它在水溶液中以液晶形式存在[7]。

在生命科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)黃原膠有著廣泛的應(yīng)用，由于黃原膠無毒、無害、適應(yīng)性 較強(qiáng)，因此他在微膠囊藥物囊材中的具有很大的功能組分，如用作納米藥物載 體、進(jìn)行藥物可控釋放等發(fā)揮著重要作用;由于黃原膠自身的保水性和較強(qiáng)的親水 性，使其在醫(yī)療操作方面有很多的應(yīng)用，例如可以形成一個非常致密的水膜，從 而可以有效的避免外部細(xì)菌對皮膚的感染，減少病人在化療、放療后的口渴等； 李信、許雷等曾經(jīng)報道，黃原膠本身對小鼠的體液的免疫功能具有明顯的增強(qiáng)作 用[8-10]。此外，在1985年日本曾經(jīng)報道關(guān)于黃原膠作為一種食品添加劑材料 中，具有最有效的抗癌劑。

以上所列出的一些情況需要通過改變處理外部條件如濃度、溫度、超聲以及 PH值等對黃原膠溶液的性質(zhì)進(jìn)行控制與調(diào)節(jié)。因此從這些方面考慮來說，研宄 不同外部環(huán)境條件下對黃原膠分子的自組裝方式非常重要。

黃原膠特殊的結(jié)構(gòu)特征還使其對熱、酸、堿和酶都具有十分良好的耐受能 力，這些性質(zhì)都使得黃原膠成為十分良好的食品增稠劑和穩(wěn)定劑，從而使黃原膠 成為應(yīng)用領(lǐng)域廣、發(fā)展速度快且極富發(fā)展?jié)摿Φ奈⑸锒嗵荹11-14]。黃原膠已經(jīng)被廣泛的用于食物增稠劑，它在很大的溫度范圍和PH值范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。它也 常用于混凝土水下灌注中來增大混凝土的黏性，防止被水沖走。黃原膠的另外一 個引人注目的特性是在牙膏中的應(yīng)用，實驗表明黃原膠能夠保護(hù)牙齒，降低酸性 物質(zhì)等對牙齒的腐蝕，它能夠迅速在牙齒表面形成一層保護(hù)膜。

黃原膠的水溶液是呈多聚陰離子，并且構(gòu)象是多樣的，只要取決于被表征的 條件（溶液的濃度，溫度、電解質(zhì)、PH和離子強(qiáng)度）。黃原膠分子有時是有序的 螺旋結(jié)構(gòu)（helix),有時是無序的無規(guī)則線團(tuán)（random coil) [15-18]。X-衍射的研 宄認(rèn)為黃原膠分子為五折的右手螺旋結(jié)構(gòu)[19]，螺距為4.7nm,直徑為1.9nm.該螺旋 結(jié)構(gòu)為單股、雙股或者多股的說法都有，不過到目前為止更多的人還是認(rèn)為雙股 螺旋[20]。Kirby et al.用接觸模式下的原子力顯微鏡證明了黃原膠分子能夠在正辛 醇溶液中成像[21]，然后他們進(jìn)一步研宄了黃原膠在任意的環(huán)境下（在溶液中、 空氣下和真空中等）用輕敲模式下成像[22], Capron et al.用接觸模式在丙醇二酸 中研宄了當(dāng)加熱溫度超過分子從有序到無序的轉(zhuǎn)變溫度時[23]，本性有序的結(jié)構(gòu) 會發(fā)生變形，同時分子量降低，分子量大約降低了一半，這就證明了本性有序形 成的雙螺旋結(jié)構(gòu)，該螺旋通過非共價鍵(氫鍵、靜電和空間效應(yīng))來穩(wěn)定。

Lindberg等人首先證明黃原膠分子一級結(jié)構(gòu)為梳狀，分子量很大，是具有0(1-

4)連鍵的毗喃葡萄糖聚合物。相間的葡萄糖殘基的C-3上連有三糖側(cè)鏈，上有丙酮 酸及乙酸側(cè)基[24]。X-衍射的研宄認(rèn)為黃原膠分子為五折的單螺旋結(jié)構(gòu)[25]。粘度 測定[26],旋光光度法或圓二色性[27]及NMR[28]對其溶液的研宄認(rèn)為黃原膠分子 存在一種熱誘導(dǎo)的由原始的棒狀向變性的屈曲狀結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變.GHolzwarth等利用 透射電鏡通過對黃原膠變性與復(fù)性的研宄認(rèn)為其原始結(jié)構(gòu)為二股或三股的右手螺 旋,南開大學(xué)的王德潤等用電子顯微鏡研宄了黃原膠分子形貌結(jié)構(gòu)[29]。

原子力顯微鏡（AFM)具有高分辨率、制樣簡單、不需要導(dǎo)電、可以對樣品 在任何環(huán)境（真空、大氣和溶液）下，都能對樣品成像。總體來講，目前國內(nèi)對 黃原膠分子自組裝的報道很少，國外的研宄較多，但是都沒有利用原子力顯微鏡 對黃原膠分子自組裝的高分辨成像技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的研宄。因此本章節(jié)我們采用

AFM的高度成像功能，對不同濃度下的黃原膠分子的微觀形態(tài)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了考 察，探討了濃度的變化對黃原膠分子的微觀結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，根據(jù)黃原膠分子在 固體表面進(jìn)行自組裝的特性，研宄了外部條件如樣品的溫度、超聲處理以及樣品 溶液的PH值對黃原膠自組裝的影響。

3.2實驗部分 3.2.1試劑和儀器

黃原膠樣品購買于Sigma-Aldrich公司，不需要進(jìn)一步處理，實驗室所用的 基片為新剝離的云母片，原子力顯微鏡（5500AFM，美國安捷倫Agilent),電子 天平（FA1004,上海恒平科學(xué)儀器有限公司），SZ-97系列自動三重純水蒸餾器 (上海亞榮生化儀器廠），飛鴿牌離心機(jī)（AK/QC-058,上海安亭科學(xué)儀器廠）， XK96-A/B型快速混勻器（姜堰市新康醫(yī)療器械有限公司），數(shù)顯恒溫磁力攪拌器 (85 —2,杭州雷磁分析儀器廠）。

3.2.2黃原膠溶液的樣品制備

黃原膠溶液的樣品制備過程如下幾個步驟：

(1)用電子天平稱取0.5g黃原膠粉末，并將其溶解在50mL的三次蒸餾水 中，在室溫下攪拌。制備成10g/L的黃原膠母溶液，儲存在4°C的冰箱中以后方 便使用。

(2)將10g/L的黃原膠母溶液從冰箱中取出，通過恒溫磁力攪拌器加熱到 90C大約30分鐘，加熱的過程中同時進(jìn)行攪拌，目的是使溶液加熱均勻，隨后

冷卻都室溫。

(3)溶液然后放置在離心機(jī)上，離心速度為150000g大約2個小時，目的 是移除較大顆粒聚集物和一些氣泡，取中間液放在4C冰箱內(nèi)進(jìn)行保存一夜。

(4)取出1mL處理液，稀釋到9mL的三次蒸餾水中，這個過程連續(xù)重復(fù)三 次，最終0.1g/L, 0.01g/L,和0.001g/L的黃原膠溶液被制備出來。

(5)將10g/L的黃原膠母溶液從冰箱中取出，通過恒溫磁力攪拌器加熱到 60°C，加熱的過程中同時進(jìn)行攪拌，目的是使溶液加熱均勻，然后分別在30分 鐘，4個小時，6個小時和9個小時取出樣品，隨后冷卻都室溫。

(6)將10g/L的黃原膠母溶液從冰箱中取出，通過恒溫磁力攪拌器加熱到 40C，加熱的過程中同時進(jìn)行攪拌，目的是使溶液加熱均勻，然后分別在30分 鐘，4個小時，9個小時和24個小時取出樣品，隨后冷卻都室溫。

(7)將取出的在不同溫度不同時間下的溶液放置在離心機(jī)上，離心速度為 150000g大約2個小時，目的是移除較大顆粒聚集物和一些氣泡，取中間液放在 4C冰箱內(nèi)進(jìn)行保存一夜。

(8)將不同的溶液取出1mL處理液，稀釋到9mL的三次蒸餾水中，這個過 程連續(xù)重復(fù)二次，制備出0.01g/L的黃原膠溶液。由于在上一章中我們的實驗說 明了黃原膠溶液在0.01g/L能夠形成交織的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，所以我們以這個濃度下的 黃原膠溶液在研宄黃原膠分子的自組裝行為，在這一章中我們的溶液濃度都是在

0.01g/L下進(jìn)行研宄的。

(9)取出退火溫度在40C下，退火時間為30分鐘的樣品進(jìn)行進(jìn)一步處理， 將該樣品分成相等的二份，放在超聲波中，分別在超聲5分鐘，30分鐘后將樣品 取出。超聲處理器為40kHz。

(10)取出退火溫度在90C下，退火時間為30分鐘的樣品進(jìn)行進(jìn)一步處理， 取出1mL處理液，然后加入等量的磷酸緩沖液（PBS，PH=5.29),用勻膠機(jī)搖勻 后，配制出低于0.01g/L的黃原膠溶液，儲存在4C冰箱內(nèi)，以便研宄。

3.2.3 AFM樣品的制備

用微量取液器吸取2瓜的黃原膠溶液，滴于新解離的云母表面上，讓黃原膠 溶液在云母表面均勻展開，用濾紙將邊緣的多余的溶液吸去，然后用氮氣將云母 表面的溶液吹干或者將其在大氣下自然晾干，形成黃原膠吸附層。在晾干的過程 中，發(fā)現(xiàn)表面有較大顆粒（空氣中的塵埃），用三次蒸餾水小心清洗吸附層三 次。在干凈的空氣中干燥（我們實驗在超凈工作間進(jìn)行操作），在無塵臺上使其 自然風(fēng)干后或氮氣吹干后用于AFM觀察。大約經(jīng)過30—60分鐘黃原膠分子就能 牢固的吸附在云母表面，AFM樣品的制備比較簡單，重復(fù)性較好。這樣黃原膠分 子的AFM樣子制備完成。

3.2.4AFM 實驗

本論文中所用的原子力顯微鏡為美國安捷倫（Agilent)公司生產(chǎn)的，型號為 5500AFM，我們的樣品為生物樣品，因此我們在實驗中一般常用輕巧模式下的原 子力顯微鏡（TM—AFM),掃描探針為美國vecco公司生產(chǎn)的，微懸臂為矩形， 長度為40nm,掃描針尖為商用錐形硅針尖。針尖的共振頻率范圍130—140kHz, 我們實驗中選取共振峰頂偏左的135.50kHz為輕巧模式下原子力顯微鏡的共振頻 率，輕巧成像模式采用高頻振動的探針掃描樣品，探針與樣品之間的每次接觸時 間極短，減少了針尖對樣品的橫向作用力，大大減少和避免掃描過程中樣品的飄 逸和損壞。

成像的過程中，原子力顯微鏡的圖像的的對比度主要是由于針尖與樣品之間 的作用力大小，作用力太小的話，圖像的對比度很差，不能得到清晰穩(wěn)定的圖 像，然而圖像的作用力過大時，很容易對黃原膠分子造成損壞，經(jīng)過多次實驗結(jié) 果分析可以得到，最佳的作用力大約在2—5nN量級以內(nèi)。在實驗過程中為了減少 針尖對黃原膠分子的作用力過大而破壞樣品，在成像清晰的條件下調(diào)節(jié)setpoints 值將針尖與樣品表面的作用力調(diào)至最小。在實驗中，針尖的掃面速度與掃描范圍 是成線性關(guān)系，掃描范圍變大時，掃描速度就應(yīng)該相應(yīng)加大，我們可以獲得原子 力顯微鏡的最大掃描范圍為8000nmx8000nm，掃描速度為0.2?2 line/s。

在本部分中原子力顯微鏡圖像僅采集形貌圖像，圖像的分辨率為256 x 256像 素，所有圖像只經(jīng)過自動平滑處理（FlattenAuto),以消除慢掃描方向上的低頻噪 音。圖像一般處理是原子力顯微鏡（5500 AFM，Americal Agilent Co.)自帶數(shù) 據(jù)處理軟件，我們還通過商業(yè)版處理原子力顯微鏡圖像軟件Scanning Probe Image Processor (SPIP™軟件(Image Metrology ApS,Version 4.2, Lyngby, Denmark)，由哈 弗大學(xué)董明東副教授提供。