黃原膠溶液的濃度對樣品在表面上成像影響扮演著重要的角色，在室溫條件 下，黃原膠溶液從濃度0.001g/L到0.1g/L很大范圍內(nèi)被研宄。
圖3-2不同濃度下的黃原膠分子形貌圖
Fig.3-2. AFM topography images of xanthan gum at different concentrations
圖3-2中，呈現(xiàn)了不同濃度下的黃原膠分子形貌圖，形貌圖的尺寸大小都是 4000nmx4000nm，這三幅圖是黃原膠分子的水溶液，在退火溫度為90C，退火時 間是30分鐘。溶液的濃度分別為(a):0.1g/L, (b): 0.01g/L, (c)0.001g/L,這三幅圖就是
不同的溶液濃度對樣品在表面成像的影響，從形貌出向上我們可以看出：（a)聚集 大顆粒，（b)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，（c)單個纖維，這個趨勢是和溶液的濃度相一致。圖3.2 (a) 是濃度為:0.1g/L黃原膠分子的AFM圖像，從圖像中我們可以看到，黃原膠分子 將會聚集到一塊，形成了很多無序、分散、大小和高度不一的類似于球狀體的顆 粒分布在新解離的云母表面，有些可以呈現(xiàn)不規(guī)則的形狀。這是由于在這個濃度
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下黃原膠分子發(fā)生了聚集，并且形成了不同的聚集形態(tài)造成的。當(dāng)濃度減少到
0.01 g/L時，如圖3.2 (b)黃原膠分在將會擴(kuò)散，形成了相互纏繞的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。 隨著濃度的再次降低，相互纏繞的黃原膠分子將會被大量的水溶液分開，形成了 單個纖維，正如圖3.2 (c)所示。
表格1
用AFM截面分析軟件測量不同濃度下黃原膠分子的高度
Table 1
Molecular heights of different concentration xanthan gum molecules measured by AFM
Measured height /AMeasured height /A
0.01g/L0.001 g/L
Data10.854.57
10.854.85
11.135.42
11.135.71
11.425.99
11.425.99
12.276.28
12.566.85
12.846.85
13.707.14
13.997.14
Average/A12.016.07
Standard deviation1.130.89
在圖3-2 (b) (c)中，黃原膠分子的11個點(diǎn)被選取，他們的高度用AFM 自帶的截面分析軟件分析。表格1顯示了不同濃度下黃原膠分子的高度測量值， 當(dāng)溶液濃度為0.01 g/L時，測量的平均高度是12.01A,高度的標(biāo)準(zhǔn)偏差是±1.13， 當(dāng)溶液濃度為0.001 g/L時，測量的平均高度是6.07A,高度的標(biāo)準(zhǔn)偏差是±0.89。 Miles et.al.曾經(jīng)報(bào)道用STM研宄了黃原膠分子的高度大約為1-1.5nm[17]，正如我 們表格1中一樣，在濃度為0.01 g/L時我們所測量的黃原膠分子的高度是1.2nm,
很好的與Miles et.al.曾經(jīng)報(bào)道的相一致，但是當(dāng)溶液稀釋到0.001 g/L時，測量的 平均高度為0.6nm,正好是濃度為0.01 g/L時我們所測量的黃原膠分子的高度的一 半，因此從表格1中，很好的說明了黃原膠分子在云母表面的自由伸展為雙鏈和 單鏈。
根據(jù)3.3.1部分的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，我們可以清晰的了解黃原膠分子在不同濃 度下分子的構(gòu)型發(fā)生了很大的變化，這一節(jié)中，我們提出了黃原膠分子從網(wǎng)狀結(jié) 構(gòu)到單個纖維形成過程的假設(shè)模型。
(a)(b)(c)
圖3-3從網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)到單個纖維過程的模型
Fig.3-3. Model for network to single fiber of xanthan gum molecular
黃原膠的水溶液中分子間的結(jié)合主要是通過氫鍵和陰離子等弱相互作用。正 如圖3-3 (a)所示，黃原膠分子的粘性主要是通過無規(guī)則的線圈相互纏繞而形成 的，很大程度上超過了側(cè)鏈中負(fù)電荷的相互排斥。因此當(dāng)達(dá)到一定的濃度的時候 (0.01 gL) —個交織的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)形成。除了黃原膠分子相互纏繞外，分子間主要 是通過螺旋棒狀結(jié)構(gòu)中的分子間的氫鍵力。
當(dāng)濃度變小達(dá)到0.001 g/L時，單個黃原膠分子的形貌結(jié)構(gòu)被發(fā)現(xiàn)。由于大量 的水溶液，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被解體，黃原膠分子間的相互作用被分離，分子鏈也被分 開。正如圖3-2 (b)、（c)中用原子力顯微鏡所看到的一樣。
圖3-3是黃原膠分子從網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)到單個纖維形成過程的模型圖，在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) 中，正如3-2 (b)中，我們用原子力顯微鏡測量到黃原膠分子相互交織的網(wǎng)狀結(jié) 構(gòu)，當(dāng)加入大量水溶液進(jìn)行稀釋時，大量的水分子將施加給相互交織纏繞的黃原膠分子一個剪切力，這個力首先要打破無規(guī)則相互纏繞而形成的粘滯力，這個力 小于分子間的氫鍵力，因此我們認(rèn)為首先發(fā)生圖3-2 (a)到（b)這個過程。一 旦剪切力被施加，溶液就具有了假塑性（在外力作用下，其粘度因剪切力速率的 增大而減少），分子鍵相互纏繞的粘滯力完全被打開，再加上黃原膠分子中側(cè)鏈 負(fù)電荷的相互排斥，更加劇了這個過程的發(fā)生，形成了雙螺旋結(jié)構(gòu)，如圖3-3
(b)。隨著水溶液的稀釋，剪切力逐漸增大，在一定程度上會超過分子鍵氫鍵的 力，因此分子鍵的氫鍵會慢慢打開，最終形成分子單鏈纖維，正如3-2中（c)所 示，模型如3-3中（c)所示。
因此我們可以認(rèn)為，通過觀察不同濃度下黃原膠分子的形成過程，可以間接 的了解到黃原膠分子的整個行程過程，不同濃度下的黃原膠分子的形貌圖像對應(yīng) 著黃原膠分子行成過程的不同階段，上面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好的說明了這一點(diǎn)，這就 為研宄生物分子的形成過程提供了一個非常便捷的路徑。通過配比不同濃度下的 生物樣品，在空氣中即可以用AFM直接地觀察到生物分子的形成過程。
這一節(jié)中我們對黃原膠分子采取逐漸縮小掃面范圍的方法進(jìn)行掃描成像，并 同時獲得了 8000nmx8000nm，5000nmx5000nm ，4000nmx4000nm ，
3000nmx3000nm，2000nmx2000nm，1000nmx1000nm 的表面形貌圖，用原子力 顯微鏡自帶的粗糙度統(tǒng)計(jì)軟件分析了不同掃描范圍下的AFM掃描圖的平均粗糙 度，平均粗糙度'表示的是掃描圖上的各點(diǎn)相對于中心平面的數(shù)學(xué)平均偏離，他
的定義公式是：
1 N-
Ra = —T Z, - Z
上式中，N表示的是掃描范圍內(nèi)所采取的數(shù)據(jù)點(diǎn)的個數(shù)，之,表示的是某點(diǎn)的 高度值的大小，Z為中心平面的高度值的大小。
(a) 8mm x 8mm (b) 5mm x 5mm (c) 4mm x 4^m d) 3^m x 3mm (e)2mm x 2^m (f) l/mm x l/mm
Fig. 3-4 The topograph images in different scaning area of xanthan gum molecular with
AFM
圖3-4是用原子力顯微鏡測得的黃原膠分子在不同掃描范圍下的表面形貌 圖，從原子力顯微鏡掃描的表面形貌圖像來看，隨著掃描區(qū)域的逐漸縮小，形貌 圖像所反映的細(xì)節(jié)更加豐富，表面結(jié)構(gòu)形態(tài)更加清晰，更加細(xì)微的細(xì)節(jié)都能掃描 出來。再一點(diǎn)，可以進(jìn)行原位觀察，圖像逐漸縮小后，也可以逐漸變大，可以不 同時間，不同范圍隨時隨地進(jìn)行觀察，在原位觀察的同時，可以對生物大分子進(jìn) 行實(shí)時掃描，更能細(xì)致的描述生物大分子隨時的結(jié)構(gòu)變化，對于研宄生物分子的 形成過程是一個很有力的說明工具。
圖3-5粗糙度統(tǒng)計(jì)軟件分析不同掃描范圍下的平均粗糙度，從粗糙度的統(tǒng)計(jì) 圖來看，隨著原子力顯微鏡掃描范圍的逐漸擴(kuò)大，形貌圖像所反映的表面平均粗 糙度的數(shù)值變大，這與Bonssu等人的實(shí)驗(yàn)所發(fā)現(xiàn)的隨著掃描范圍的逐漸增大， 表面平均粗糙度相應(yīng)增大的實(shí)驗(yàn)結(jié)論相一致。因此當(dāng)我們在分析表面的粗糙度的 時候，選擇的圖像過小的時候，我們將會發(fā)現(xiàn)粗糙度與圖像很大的時候偏離過 大，因此我們在選取掃描范圍大小的時候，一定要適當(dāng)，盡量是分析的結(jié)果與實(shí) 際值之間的偏差盡量減少。但是正如圖3-4所示，掃描范圍過大的時候，細(xì)節(jié)將 會看不到，分析不出來，掃描范圍過小是有會出現(xiàn)失真的情況，如圖3-4 (f)，因 此需要找一個合適的掃描范圍，便于我們分析。在本論文中，我們一般采取 4卿x 4卿的掃描范圍進(jìn)行分析。