与高斯噪声偏离增强Hodgkin-Huxley神经元激发相干性（摘要）

自从Hodgkin和Huxley对神经元动力学行为进行开创性研究以来,内、外噪声对神经元膜电势激发的积极作用被广泛研究.以往研究中,人们通常认为噪声遵循高斯分布.然而,有关的生物学实验研究表明,在诸如神经元等感官体系中存在非高斯噪声.近十年,一类特殊形式的非高斯噪声在非线性动力学体系（包括生物体系和化学体系）中的作用受到人们的关注.本文中,我们用数值模拟方法研究该类非高斯噪声对确定性Hodgkin-Huxley（HH）神经元激发行为的影响.     

非高斯噪声增强纳米尺度钯粒子表面一氧化碳氧化反应随机速率振荡

过去的几十年里,人们对噪声的积极作用进行了广泛研究,其中,化学反应体系中噪声的作用引起人们的很大兴趣.人们研究了单晶表面和纳米粒子表面催化体系中内、外噪声对反应振荡的影响,发现了随机共振和相干共振现象.然而,在以往的研究中,人们总是用高斯噪声代替实际噪声.但实验研究表明,神经元和自催化反应等生物化学反应体系中可能存在非高斯噪声.本文研究非高斯噪声对纳米尺度钯粒子表面一氧化碳催化氧化反应速率振荡的影响.我们首先给出了不存在外噪声时体系振荡随粒子尺度的变化情况,得到了内噪声相干共振行为.其次,我们重点研究了在非高斯噪声作用下体系反应速率的振荡.发现,随着非高斯噪声与高斯噪声的偏离q的增大,振荡规律性经历了由差变好到再变差的演化,而且在某个最佳的q值,振荡变得最有规律性.我们分别给出了振荡时间序列、功率谱和信噪比随q值的变化,充分反映了上述振荡的演化情况.这个结果表明,适当的外噪声能够增强纳米尺度钯粒子表面一氧化碳氧化反应随机速率振荡,而且存在某个最佳的外噪声,使速率振荡得到最大程度的增强.同时表明,非高斯噪声可能比高斯噪声起到更大的增强作用.最后,我们对非高斯噪声增强一氧化碳反应速率振荡这一现象的物理机制作了简单...     

离子通道中毒对耦合随机Hodgkin-Huxley神经元集体激发行为的影响

四乙铵（tetraethylammonium）和河豚毒素（tetrodotoxin）可以分别使神经元细胞钾离子和钠离子通道中毒,从而导致电导降低和有效通道数减少。数值模拟研究了钾离子和钠离子通道中毒对耦合Hodgkin-Huxley神经元集体激发（collective spiking）行为的影响。发现对于一定数目的神经元,随离子通道簇面积（patchsize）的变化,离子通道中毒既可以增强也可以降低集体激发的规则性（regularity）;当簇面积大小固定时,对于较小和较大的簇面积,钾离子和钠离子通道中毒可以分别降低和增强集体激发的规则性,但二者变化的簇面积范围不同。对于某个簇面积,二者的效果可能相反。这一结果与离子通道中毒对单个神经元膜电势激发的影响不同,反映了神经元耦合作用、离子通道中毒导致的电导降低和离子通道噪声增强三者间的相互作用和影响。     

阳极电势对Geobacter sulfurreducens产电性能的影响

以产电模式菌Geobacter sulfurreducens为研究对象接种两瓶型微生物燃料电池(MFC)阳极室, 利用恒电位仪控制阳极电势, 考察了7种电势条件下MFC的启动期、最大功率密度和阳极生物量的变化情况. 研究结果表明, 当阳极电势为-250, -100和50 mV(vs. SCE)时, MFC启动较快, CV曲线和极化曲线表明, 在这3种电势条件下, MFC产电性能增强, 其中阳极电势为-100 mV时, MFC最大功率密度为1.67 W/m³, 比固定外阻条件下启动的MFC最大功率密度提高了5倍. 控制合适的阳极电势可以使阳极生物量提高2.5~3倍.     

非高斯噪声多次增强NO＋CO／Pt（100）体系速率振荡

在过去的几十年里，噪声的积极作用被广泛研究．以往研究中，人们通常认为噪声遵循高斯分布．然而，有关的生物学实验研究表明，在诸如神经元等感官体系中存在非高斯噪声．近十年，一类特殊形式的非高斯噪声在非线性动力学体系（包括生物体系和化学体系）中的作用受到人们的关注．本文中，我们用数值模拟方法研究该类非高斯噪声对NO＋CO，Pt（100）催化还原体系反应速率振荡的影响．     

钙离子体系中隐式和显式内随机共振

近年来, 细胞内钙离子信号及其产生机理已成为研究热点之一, 这是因为钙离子信号能控制细胞的生死、 传递细胞间的信息、 提高基因表达的有效性和特殊性[^1~3]. 在钙离子信号传递过程中, 受环境扰动是不可避免的. Shuai等^[4]发现噪音能够控制钙离子通道中钙离子的释放. 在过去的十年中, 无论是物理、 化学还是生物体系^[5~10]的噪音效应已被广泛研究, 其中包括对随机共振(SR)的研究^[5], 经典SR是环境噪音能够放大弱的外加信号. 但随着研究的深入, 发现有无噪音SR^[11]和内SR(ISR) ^[6]. ISR的内信号来自噪音诱导的内信号, 这种SR现象叫隐式内SR(IISR). 而我们则发现了另外一种内SR, 即显式内SR(EISR) ^[12], 它的内信号是体系固有的内信号, 而不是由噪音诱导的. 本文主要研究加入外信号将对IISR和EISR产生的影响.     

不同pH下多晶Au电极上的氧还原反应

利用旋转圆盘电极体系系统研究了不同pH下氧气在多晶Au电极上的还原反应,并计算了不同pH条件及不同超电势范围内的Tafel斜率.研究发现,同在酸性（但是pH不同）或同在碱性（但是pH不同）的介质中氧还原起始电位以及纯粹动力学控制区（电流较小的区域）的氧还原电流几乎不随溶液的pH值而变化.酸性条件下以及碱性条件的高超电势范围内,Tafel斜率接近120mV/dec;而碱性条件的低超电势范围内,Tafel斜率接近60mV/dec.金电极上ORR的活化超电势随着pH值的增加而降低约79mV/pH.初步讨论了pH对氧还原机理和动力学的影响及其内在原因.     

植物生长调节剂对柠条的生长调控作用研究

采用循环伏安法(CV)和差示脉冲伏安法(DPV)研究了配合物Co(en)₃³⁺与柠条叶DNA的相互作用.体系式电势E^0'的负移和峰电流的下降表明,该配合物与柠条叶DNA有明显相互作用,小分子配合物与柠条DNA可能以非共价方式结合.     

嘈杂小世界网络中的随机共振现象

以双稳态振荡器耦合而成的具有小世界拓扑结构的网络为研究对象,重点研究了该体系在周期弱信号和乘性高斯白噪声的共同作用下,振荡器之间的耦合强度与网络拓扑结构的无序度对于网络动力学行为的影响．结果显示噪声可以诱导产生随机共振现象,在适中的耦合强度下增加体系拓扑的无序度可以使整个体系的随机共振现象得到加强．另外,研究表明体系中存在着一组最优的耦合强度和拓扑无序度,在它们的协同作用下体系能够最有效地检测到外界的弱信号．     

ArCCo~3(CO)~9~-~nL~n的化学ETC合成及其电化学研究

利用由化学还原剂BPK引发的电子迁移催化反应(ETC)合成了两个系列八种新的三核钴簇合物p-RC_6H_4CCo_3(CO)_(9-n)L_n(L=PPh_3,n=1;L=P(OEt)_3,n=2)。用m.p.、元素分析、IR及~1H NMR对簇合物进行了表征。对簇合物在Pt电极上的循环伏安(CV)研究表明,p-RC_6H_4CCo_3(CO)_9及PPh_3单取代物在室温下均经历一个可逆的单电子过程。p-RC_6H_4CCo_3(CO)_9的E_(1/2)与R的σ_m的线性关系表明R通过诱导效应影响簇合物的氧化还原性。取代簇合物的还原电势相对于母体簇合物的负移表明P的配位增大了CCo_3上的电荷密度,导致簇合物难被还原。     

ArCCo~3(CO)~9~-~nL~n的化学ETC合成及其电化学研究

利用由化学还原剂BPK引发的电子迁移催化反应(ETC)合成了两个系列八种新的三核钴簇合物p-RC~6H~4CCo~3(CO)~9~-~nL~n(L=PPh~3, n=1; L=P(OEt)~3, n=2)。用m.p.、元素分析、IR及^1H NMR对簇合物进行了表征。对簇合物在Pt电极上的循环伏安(CV)研究表明, p-RC~6H~4CCo~3(CO)~9及PPh~3单取代物在室温下均经历一个可逆的单电子过程。p-RC~6H~4CCo~3(CO)~9的E~1~/~2与R的σ~m线性关系表明R通过诱导效应影响簇合物的氧化还原性。取代簇合物的还原电势相对于母体簇合物的负转移表明P的配位增大了CCo~3上的电荷密度, 导致簇合物难被还原。     

非恒温CO表面催化氧化体系双随机共振

当考虑化学反应热、热传导和热辐射的影响时, Pt(110)/CO+O2表面催化氧化体系温度出现时空变化. 以衬底温度为控制参数, 通过计算机模拟, 研究了衬底温度噪声对该非恒温表面反应体系振荡动力学行为的影响. 研究发现, 温度噪声可以诱导体系双随机共振现象, 而且增大衬底温度可以使体系共振行为由双随机共振变为单随机共振. 这表明体系可以利用温度噪声加强其反应振荡, 并对其具有双重选择性, 人们可以通过改变衬底温度大小来控制体系的共振行为.     

磷钨酸/乙炔黑修饰电极上的阿昔洛韦电化学行为及其测定

本文制备了磷钨酸/乙炔黑修饰电极(PTA/AB/GCE),用循环伏安法(CV)研究了阿昔洛韦(ACV)在该修饰电极上的循环伏安行为。结果表明在pH 6.0的磷酸盐缓冲液中,ACV在该修饰电极上出现一明显的氧化峰。在60～220mV.s-1扫速范围内,其氧化峰电流(Ipa)与扫速平方根(v1/2)呈线性关系,表明该电极过程是受扩散控制的不可逆过程。计算了电极过程的部分动力学参数:电极有效面积为0.06902cm2,转移电子数为2,扩散系数为2.063×10-6cm2.s-1。运用方波溶出伏安法测定不同浓度ACV的方波溶出伏安曲线,结果表明氧化峰电流(Ipa)与ACV浓度在7.8×10-7～1.0×10-4mol.L-1范围内呈良好线性关系(r=0.9924),检出限(S/N=3)为3.1×10-7mol.L-1,加标回收率为95.69%～107.2%。     

阳极电沉积Co-Ni混合氧化物在碱性介质中的电催化析氧性能

 利用电化学阳极共沉积技术,从含不同Co2+/Ni2+比的NaOH溶液中,在Ni基体上制备了Co-Ni混合氧化物. 利用X射线衍射分析了混合氧化物的物相结构,并通过循环伏安法、稳态Tafel曲线和电化学阻抗谱研究了混合氧化物作为析氧阳极材料的电催化活性. 结果表明,从n(Co2+)/n(Ni2+)=1的电解液中沉积所得的Co-Ni混合氧化物主要为尖晶石结构NiCo2O4相,并具有最高的析氧催化活性. 析氧反应在Co-Ni混合氧化物电极上表现出两个明显的Tafel区域: 在低电势区Tafel曲线斜率为40~48 mV/(°),对OH-的反应级数为2.0; 在高电势区Tafel曲线斜率为110~120 mV/(°),对OH-的反应级数为1.0. 在恒定电势E=0.60 V时,Co-Ni混合氧化物上析氧反应的电化学标准活化焓为37.4~51.7 kJ/mol. 通过对析氧历程的分析,提出了在不同电势范围内Co-Ni混合氧化物上析氧反应的动力学方程,并较好地解释了实验结果.     

乙酰半胱氨铜自组装修饰金电极作为生物传感器测定一氧化氮

将铜离子共价键合到自组装在Au电极表面的乙酰半胱胺单分子层上,获得了乙酰半胱胺铜自组装单分子膜修饰电极(CuACYS CME),研究了它的电化学性质,并采用扫描电子显微镜(SEM),X射线荧光仪(XRFS),X射线光电子能仪(XPS)以及循环伏安法(CV)对该电极表面进行了表征。在pH 3.0时,循环伏安图显示Cu修饰层存在一对氧化还原峰,其峰电位分别为Vp1a=246 mV,Vp1c=101 mV(vs.SCE)。它的表面电子转移系数α为0.52,速率常数Ks=0.04 s-1,表面覆盖度Γ=1.2×10-10mol/cm2,属于单分子层吸附。在pH 2.0~5.0的NaAc底液中,该电极对NO的还原有催化作用,pH 3.0时NO的还原过电位为VpcⅡ=-672 mV,较在裸电极上(-1.1V)降低了约600 mV,采用示差脉冲伏安法(DPV)测定催化电流与NO的浓度在3.1×10-9~4.7×10-8mol/L范围内呈良好的线性关系。NO催化还原过程的异相电子转移速率常数为3.12×10-3cm/s。     

乙炔黑修饰电极上吡虫啉的电化学行为及测定

制备了乙炔黑修饰电极(AB/GCE),并用循环伏安法(CV)研究了吡虫啉(IDP)在该修饰电极上的循环伏安行为。在pH 9.0的NH3.H2O-NH4Cl缓冲液中,IDP在该电极上出现一不可逆的还原峰。在20～240mV/s扫速范围内,其还原峰电流(Ipc)与扫速平方根(v1/2)呈线性关系,表明该电极过程受扩散控制。计算了电极过程的部分动力学参数:电极有效面积为0.0635cm2,转移电子数为2,扩散系数为3.793×10-3cm2/s。运用方波伏安法测定不同浓度IDP的方波伏安曲线,还原峰电流Ipc与IDP浓度在7.0×10-7～8.0×10-5mol/L范围内呈良好线性关系(r=0.9975),检出限为2.29×10-7mol/L,加标回收率为93.5%～105.3%。     

介观振荡化学反应体系的内噪声随机共振

用化学Langevin方程研究了内噪声对介观振荡化学反应体系的影响.研究发现,在确定性体系处于定态条件下,内噪声可以导致体系振荡:随着内噪声强度的变化,诱导振荡信号的信噪比通过一个极大值,表明内噪声随机共振的出现;由于内噪声强度随着系统体积的变化而改变,因此,这一现象也证明了系统尺度共振,即最佳尺度效应的存在.     

噪声性质对B-Z流动反应体系随机共振影响的模拟

用一个三变量的B-Z流动反应模型研究当流速参数kf在Hopf分岔点附近被色噪声和白噪声调制后系统动力学的行为. 通过计算机模拟观察到噪声诱导的振荡以及随机共振(stochastic resonance)现象, 以及色噪声的相关时间和白噪声的持续时间对随机共振行为的影响.     

聚磷钼酸/乙炔黑修饰电极上乙萘酚的电化学行为及测定

制备了聚磷钼酸/乙炔黑修饰电极(PMA/AB/GCE),用循环伏安法(CV)研究了乙萘酚(EN)在该电极上的循环伏安行为。在pH 5.5的HAc-NaAc缓冲液中,EN在该修饰电极上出现一明显的氧化峰。在60~300 mV/s扫速范围内,其氧化峰电流(I pa)与扫速平方根(v1/2)呈线性关系,表明该电极过程是受扩散控制的不可逆过程。计算电极过程的部分动力学参数:电极有效面积为0.122 cm2,质子数与电子数均为1,扩散系数为D为9.64×10-5cm2/s。运用方波伏安法测定不同浓度EN的方波伏安曲线,结果表明氧化峰电流与EN浓度在9.0×10-7~1.0×10-4mol/L范围内呈良好线性关系(r=0.992),检出限(S/N=3)为6.35×10-7mol/L,加标回收率为92.8%~102.8%。     

肝细胞中环境噪声所诱导的双重随机共振

通过对老鼠单个肝细胞内的钙离子振荡动力学的研究, 发现受外在环境噪声的影响, 由噪声诱导出的胞内钙离子会产生相干振荡, 并且在两个不同的噪声强度处会观察到我们称之为双重随机共振(Stochastic bi-resonance, SBR)的现象. 另外, 比较来自细胞体系内部环境的噪声发现也会出现类似的现象. 这一发现将有助于我们进一步理解生命体系中钙离子信息复杂振荡现象的形成过程及其机理. 最后我们利用该动力学体系的分岔特性来解释双重随机共振现象的形成机制.