在云母晶面上应用“自下而上”和“自上而下”两种途径制造胶原蛋白纳米线阵列

以云母晶体的（001）晶面为基质,以天然Ⅰ型鼠尾胶原蛋白单体溶液为原料,分别考察了蛋白单体受基质规导进行“自下而上”的自组装过程,以及原子力显微镜探针对吸附在基质表面的蛋白膜层进行“自上而下”加工过程：（1） 两种制备途径均能 加工出结构精确可控的胶原蛋白纳米线阵列;（2） “自下而上”制备途径利用了蛋白单体和基质晶体在界面上互相识别并规范的“反相生物矿化”原理;（3） “自上而下”的加工利用了原子力显微镜接触模式下探针的“分子扫帚”机理。     

利用原子力显微镜探针的扫帚机理制备胶原蛋白纳米纤维阵列

利用原子力显微镜能够在微观尺度上对样品材料进行操控和加工的特性,发现并考察了一种自上而下的生物大分子纳米纤维阵列的制备方法。将50μg/mL的天然I型鼠尾胶原蛋白溶液在云母晶面上形成胶原蛋白膜层,接着在原子力显微镜的接触模式下,利用探针对溶液中的胶原蛋白膜层施加100~1000 nN的力时,可以将膜层加工成具有特定取向的蛋白纳米纤维阵列。单根纤维的高度约2~5 nm,宽度在150~350 nm之间。根据纳米纤维阵列的结构与探针扫描方式的关系,对探针的制样原理进行了探讨,验证了原子力显微镜接触模式下的“分子扫帚”机理。此制备方法为生产细胞培养器皿、制备高特异性的生物探针,合成新型微纳材料提供了一种可行技术。     

云母晶面上准外延生长的胶原蛋白纳米线阵列的性质研究

胶原蛋白纤维与同样具有周期性结构表面的羟磷灰石等矿物质晶体能够通过多种作用在介观尺度上相互识别,从而有效地进行规范骨骼、牙齿等器官生长的生物矿化.在本研究中,反相利用生物矿化原理,开发出一种与热壁外延生长(Hot wall epitaxy)技术效果相似的生物大分子纳米线阵列的简单制备技术,成功地将5～10 μg/mL的天然I型鼠尾胶原蛋白单体溶液在云母晶体的(001)晶面上培育成取向单一且长程有序的胶原蛋白纳米线阵列.原子力显微镜实验结果表明,纳米线阵列随胶原蛋白单体浓度增大而变得致密,但是单条纳米线的宽度与高度较为稳定,分别约为60.0和1.5 nm.有纳米线覆盖的云母晶面亲水性好,晶面接触角由25.8°降为9.5°.基于电子背面散射衍射和透射电子显微镜的分析表征结果,纳米线的取向应沿云母[110]方向, 更详实地验证了胶原蛋白纳米线的准外延生长机理.     

聚氧乙烯单晶介观力学性质研究

以固定于平整硅基底上的聚氧乙烯单晶为模型体系,利用原子力显微镜的成像功能定位单晶后,用探针压穿聚氧乙烯单晶层,测量单晶层的介观力学性质.结果显示,原子力显微镜探针压穿单晶层所需要的力值为50~200 n N,随着探针曲率半径、下压速率和聚氧乙烯与溶剂界面能的增加,压穿单晶层所需要的力值也随之增加.结合分子模型证明在压穿过程中聚氧乙烯分子被原子力显微镜探针挤压到单晶外部.另外,发现在相同的下压速率和拉伸速率下,将相同数目的聚氧乙烯分子链挤压出晶体的能量与拉伸出晶体所需要的能量接近,继而从能量角度建立了聚氧乙烯晶体微观力学性质与介观力学性质的联系.     

含mPEG侧链的水溶性梳状聚合物的合成及其侧链受限结晶行为研究

采用大单体与小单体共聚的技术,通过自由基引发溶液聚合,合成了一系列水溶性梳状聚合物———聚丙烯酸接枝聚乙二醇单甲醚(PAA-g-mPEG).制备过程分两步进行,首先合成大单体聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯,然后将大单体与丙烯酸单体共聚,合成了梳状聚合物.通过控制反应条件,获得了一系列主链和支链组成比不同的接枝共聚物.用傅立叶变换红外光谱(FT-IR)和核磁共振氢谱(1H-NMR)表征了共聚物的结构,并对其侧链的结晶行为进行了研究.采用差热扫描量热法(DSC)表征并分析了不同侧链长度的mPEG的热性能及其结晶情况.利用相差显微镜和原子力显微镜(AFM)观察薄膜的结晶形貌,表明梳状聚合物的侧链mPEG在受限条件下的薄膜结晶形貌为高度支化的晶体,初步分析了mPEG链长及其在共聚物中的重量百分含量对晶体形貌的影响.     

胶原蛋白组装过程原子力显微镜的观测

阐述一种特殊胶原蛋白物质的组装过程,即加入1α-酸性醣蛋白后形成的纤维长距胶原蛋白.通过透析改变胶原蛋白溶液与α1-酸性醣蛋白混合液的pH值,在不同的pH值阶段利用原子力显微镜法(AFM)来辨析稳定的中间结构,获得可靠且分辨率高的样品图像.从而观察到了每个阶段中间纤维的形态和直径.结果表明纤维长距胶原蛋白形成过程中存在明显的中间体.     

孪生球状碳酸钙的直接混合沉淀法制备及表征

以醋酸钙和碳酸钠为原料, 柠檬酸三钠为晶形控制剂, 利用液相直接混合沉淀法合成了分散性好、粒度约1.5~3.0 μm、长短轴比约2∶1的孪生球形碳酸钙晶体. 利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、傅里叶红外光谱仪(FTIR)、原子力扫描探针显微镜(ASPM)和粒度分析仪等对样品进行了表征. 结果表明, 在不添加柠檬酸三钠的溶液中得到微米级的立方状碳酸钙晶体, 而添加柠檬酸三钠(质量分数30%~40%)后则得到具有不同表面粗糙度的孪生球状碳酸钙晶体. 同时, 用分形生长理论和成核限制聚集(NLA)模型对孪生球状碳酸钙粒子的形成机理进行了分析.     

基于超平表面的原子力显微镜探针磨损研究

探针磨损是影响原子力显微镜图像质量的关键因素之一。为了研究原子力显微镜(AFM)探针针尖磨损问题,选取超平表面(R_q0.5 nm)作为测试样品,采用材料表面的粗糙度(R_q)评估探针针尖磨损效率。在较低的探针悬臂目标振幅比例(10%),较低反馈回路设定值比例(10%),较低扫描速度(1.0 Hz)以及适中I-gain(1.7)的测试条件下,探针的磨损最小,可以有效地延长探针的使用寿命。最后利用扫描电镜对比了不同测试条件下探针针尖的形貌,推测了探针针尖在连续测试中磨损与断裂的机理。     

扫描离子电导显微镜的原理及应用

扫描离子电导显微镜(SICM)是一种扫描探针显微技术,通过测定超微玻璃管探针的离子电流,它能够非接触地扫描样品表面,进而研究样品的形貌及性质。SICM具有成像分辨率高、探针易于制备和对被成像物体无损伤等特点,特别适用于研究生理条件下的活体细胞,是一种与扫描电化学显微镜及原子力显微镜互补的扫描探针显微镜技术。SICM能够对软界面及表面,如活细胞表面的显微结构,进行高分辨率成像;并能够与其它技术联用,研究细胞形貌与功能的关系;还能控制沉积特定分子,实现纳米尺度的显微操作与加工。本文对SICM的发展历史、仪器构造、基本原理及应用进行了综述。     

硅表面分子刷图案化及生长DNA纳米管

结合"自上而下"和"自下而上"技术构建微纳米器件是目前纳米科学和技术领域追逐的目标之一。本文首先采用硅氢化反应在硅表面共价偶联引发聚合的活性基团,接着实施表面原子转移自由基聚合(ATRP)反应形成高分子刷poly(PEGMA),采用"自上而下"的光刻技术在硅表面制备功能化的图案,最后利用"自下而上"的DNA自组装技术在图案部分原位生长DNA纳米管。上述组装过程通过多次透射反射红外光谱、凝胶电泳、透射电镜和扫描电镜进行了检测,证实了硅芯片表面定位生长DNA纳米管的可行性。     

Dip-pen刻蚀技术直接构建聚-L-赖氨酸纳米结构

Dip-pen纳米刻蚀技术(简称DPN技术)为在目标基底上沉积一个有序或连续的图案提供了一条简单而有效的途径,DPN技术是一种直接书写的扫描探针刻蚀技术,它使用原子力显微镜探针针尖,在一定的驱动力下,直接将化学试剂“墨水”转移到目标基底上．近年来,利用DPN技术已经成功地实现了多种“墨水一基底”组合。     

内环化聚(β-氨基酯)的制备与生物物理性能

拓扑结构对聚合物性能具有重要影响.本文通过调控聚合条件制备内环化聚(β-氨基酯)并探究其生物物理性能.以三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)和4-吗啉丙胺(MPA)为单体并控制其投料比及体系单体浓度,利用迈克尔加成反应制备了两种内环化聚(β-氨基酯).使用凝胶渗透色谱仪(GPC)、核磁共振波谱仪(NMR)和原子力显微镜(AFM)等对内环化聚(β-氨基酯)的化学组成、拓扑结构和生物物理性能进行表征与分析.结果表明,随着环化度的增加,聚(β-氨基酯)对DNA压缩能力增强,降解速率加快,质子缓冲能力提高,细胞毒性增大.本文研究结果为制备和表征内环化聚(β-氨基酯)提供了新思路,也为设计有效的基因递送载体提供了依据.     

扫描探针显微术在巯醇自组装单分子膜纳米刻蚀中的应用

介绍了近十年来扫描探针显微术(SPM)在巯醇自组装单分子膜纳米刻蚀中的应用. 依据扫描探针的工作原理, 依次讨论了扫描隧道显微镜、原子力显微镜和导电原子力显微镜的工作特点和适用范围. 同时也讨论了自组装单分子膜纳米刻蚀术在生物分子传感器、超高密度信息存储等领域的应用前景.     

STM和ECSTM探针的制备及探针对图象的影响

本文综述了扫描隧道显微镜(STM)以及现场电化学扫描隧道显微镜(ECSTM)探针的制备方法,并对相应探针制备方法的优缺点以及探针性能对图象影响方面的进展进行了评述。     

定位生长法制备AFM单壁碳纳米管针尖

采用粘性胶状物作为生长单壁碳纳米管(SWNTs)的催化剂前驱体, 在原子力显微镜下驱动废旧的硅探针粘附该种胶状物,随后进行化学气相沉积(CVD), 实现了SWNTs在硅探针末端的定位生长, 成功地制备出了SWNT针尖. 对SWNTs及SWNT 针尖进行了表征, 并对针尖的稳定成像条件进行了分析. 结果表明, 针尖一般由5-10 nm 的SWNT 管束构成, 伸出长度仅为几百纳米, 受热振动影响较小, 无需后处理即可稳定地成像, 成像分辨率与新的硅探针相当.     

2,4-D/CMC-g-AM/SA/FK微球的制备及其缓释性能

以丙烯酰胺(AM)为单体,制备了羧甲基纤维素钠接枝丙烯酰胺共聚物(CMC-g-AM)。以2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-D)为模型药物,以羽毛蛋白(FK)为共混改性剂,采用挤压法制备了CMC-g-AM/海藻酸钠(SA)/羽毛蛋白载药微球。利用红外光谱、光学显微镜、激光粒度仪分别对接枝共聚物的结构、载药微球的形貌以及粒径分布进行了表征,并探讨了不同的接枝共聚物、羽毛蛋白用量、交联剂浓度和交联时间对缓释微球的载药量和缓释性能影响。结果表明,当CMC-g-AM的合成单体比AM:CMC为3:1,羽毛蛋白用量为30%,交联剂浓度为0.7 mol·L-1,交联时间为1 h,载药微球的载药量较高,为16.7%。复合微球平均粒径为1.6 mm。载药微球具有良好的缓释性能,释药曲线符合Higuchi动力学方程。     

新型荧光环肽探针用于病变胶原蛋白的靶向检测

胶原蛋白是细胞外基质的主要成分,它在细胞分化、迁移、组织重塑和器官形态发生等大量生理过程中发挥着重要作用.作为关键的结构蛋白,胶原蛋白的过度降解与肿瘤等严重疾病的发生息息相关,已成为癌症分化、侵袭、转移以及癌症分期的重要诊断标准.因此,构建胶原蛋白的高效检测方法对肿瘤等相关疾病分子机制的解析和治疗方法的开发至关重要.环肽具有较为刚性的结构、高的酶稳定性和良好的药理特性等优点.本文利用邻苯二甲醛(OPA)与多肽序列中的赖氨酸和半胱氨酸反应,在(Gly-Pro-Hyp)n序列的基础上进行环化修饰,成功合成了一个环肽探针FAM-c CTP.组织染色的结果表明, FAM-c CTP不需要任何预处理,即可靶向识别小鼠和人的多种石蜡组织切片中的变性胶原.与特异性结合某种特定类型的胶原蛋白抗体相比, FAM-c CTP是广谱型探针,可用于选择性检测不同类型和不同物种来源的变性胶原蛋白.该环肽探针可以一直保持单链状态,不需要加热等预处理,克服了传统(Gly-Pro-Hyp)n探针的缺陷,为病变胶原蛋白的靶向检测和病理组织染色提供了新的工具.     

原子力显微镜研究高分子超薄膜结晶机理及功能化调控

近十年来,随着功能高分子单晶(含单层或寡层片晶)工程及应用研究的不断深入,除了纳米尺度结晶形貌的表征以外,多功能原子力显微镜还被用于研究分子结构、结晶条件和后处理条件对功能高分子晶体性能(电、热、光、磁等)的影响,进一步还可采用扫描探针加工技术(机械刻蚀、电致刻蚀和热致刻蚀等)对其性能进行调控以构筑功能化聚集态结构和微图案.另一方面,超薄膜中单层或寡层片晶可为研究高分子结晶提供合适的模型体系,与原子力显微镜相结合,不但可以原位、实空间、高分辨地研究高分子的成核与生长过程(生长形态演变和生长动力学),还可以用于研究亚稳态折叠链片晶厚度和形态随热处理温度与时间的演化,从而加深对片晶内有序差异、片晶增厚与熔融行为和自诱导成核的认识.     

用AFM研究DL-缬氨酸晶体的结构及其表面分子的排列

利用原子力显微镜(AFM)成像技术来观察DL-缬氨酸晶体表面分子的规则排列, 研究表明对映体分子在DL-缬氨酸晶体中相互配对排列, 每个晶胞单元中包含两个对映体分子, 属于具有中心对称结构 群, 整个晶体是消旋的. 通过原子力显微镜对DL-缬氨酸晶体表面重复单元的测量结果与X衍射数据对比, 发现用AFM观察到的DL-缬氨酸晶体中分子表面形貌的规整排列的距离, 同X衍射得出的三斜晶系晶胞参数数据基本一致, 由此判定该晶体属于三斜晶系而不是单斜晶系. 探讨了利用纳米技术的研究手段在分子水平研究生命起源中的手性问题, 在确定的晶面上通过分子周期性结构排列规律, 对DL-缬氨酸晶体表面分子进行手性识别.     

空壳纳米金修饰的新型DNA传感器

利用新型材料金纳米空球, 通过层层修饰的技术, 分别将壳聚糖、空壳纳米金、L-半胱氨酸、细胞色素c以及ssDNA探针修饰到玻碳电极表面, 制备了一种新型的DNA生物传感器. 以紫外及透射电子显微镜(TEM)表征了空壳纳米金, 以循环伏安法、阻抗谱图等电化学方法研究了传感器的特性, 通过原子力显微镜方法观察了该DNA生物传感器不同层之间的形态差异. 结果表明, 该修饰电极所吸附的ssDNA探针为1.672×10^―10 mol•cm^－2. 在指示剂柔红霉素的帮助下, DNA探针可与互补的DNA进行杂交, 借此以微分脉冲伏安法测定DNA.