本文關(guān)鍵詞：利用透射電子顯微鏡對(duì)環(huán)狀分子動(dòng)態(tài)自組裝結(jié)構(gòu)的研究

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【摘要】：正如我們所知,如今所獲取的數(shù)據(jù)能夠快速解決問題比以往任何時(shí)候都要重要。透射電子顯微鏡作為納米材料結(jié)構(gòu)表征的主要手段之一,可用于更加快速直接的確定納米材料的結(jié)構(gòu)信息和空間分布等。在獲得清晰準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上來探索納米微觀結(jié)構(gòu)的組裝情況和其隨環(huán)境產(chǎn)生的響應(yīng)性變化。一個(gè)成功的透射電子顯微鏡的圖像與樣品的制備是分不開的。因此我們更需要注意樣品的制備環(huán)節(jié)。根據(jù)文獻(xiàn)資料我們可以了解到,在樣品的制備過程中存在多種不同的制樣方法,這些不同的制樣方法對(duì)形貌的影響也各有差異,有時(shí)應(yīng)用不同的制樣方法所獲得結(jié)果截然不同。這使得我們有時(shí)很難判斷真實(shí)的形貌。因此本實(shí)驗(yàn)過程中也對(duì)不同樣品不同制樣方法進(jìn)行了研究與分析,在經(jīng)歷數(shù)次嘗試后找到合適的制樣方案,從而得出清晰準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。本文包括三章,在各自結(jié)果與討論部分主要來說明利用透射電子顯微鏡所解決的科學(xué)問題,前兩章的內(nèi)容是已發(fā)表的工作,分別發(fā)表在Nature Commun.2015和Angew.Chem.Int.Ed.2016,第三章的工作是目前正在研究中的工作,其共同特點(diǎn)是基于由芳香環(huán)狀分子構(gòu)成的兩親分子的組裝,雖然其分子結(jié)構(gòu)相似但卻擁有不同的組裝行為。首先,在本文的第一章中,著重描述了制樣方法中表面作用的影響,由于本實(shí)驗(yàn)中所研究的兩親性分子所組裝的結(jié)構(gòu)自身的性質(zhì),其納米結(jié)構(gòu)的外層多為親水部分,因此制樣所用的載網(wǎng)表面是否親水將會(huì)對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。在樣品溶劑揮發(fā)的過程中,通過表面作用,若表面較為疏水則會(huì)使得所形成的納米結(jié)構(gòu)在溶劑揮發(fā)過程在銅網(wǎng)表面過于聚集,導(dǎo)致不能得到其真實(shí)的組裝形貌,往往會(huì)產(chǎn)生一些假象來影響對(duì)真實(shí)形貌的判斷。這些假象是由于在溶劑揮發(fā)過程中納米結(jié)構(gòu)與銅網(wǎng)表面相互作用逐漸形成的。并不能夠正確的反映組裝的真實(shí)狀態(tài)。所以想要得到一個(gè)準(zhǔn)確的結(jié)果我們首先要知道表面作用有著怎樣的影響。通過查閱已報(bào)道的文獻(xiàn)與資料,可以了解到通常由電沉積方法(如銅、鎳、金)得到的銅網(wǎng)其表面已達(dá)到高度親水性的狀態(tài),而不需要任何特殊的處理。然而,根據(jù)我所研究的實(shí)驗(yàn)體系的需要,有時(shí)需要使其銅網(wǎng)表面變得更加親水,這樣可使得納米結(jié)構(gòu)完整的保留在銅網(wǎng)表面。已報(bào)道的常見的方法有以下幾種,可以用于增加透射電子顯微鏡銅網(wǎng)表面的親水性。這些不同的方法和手段也已經(jīng)得到來自世界各地不同的實(shí)驗(yàn)機(jī)構(gòu)中不同的研究人員的認(rèn)可和使用,最初是由羅伯特教授于1997年11月21日提出:1.將銅網(wǎng)表面快速的通過一個(gè)酒精燈或一個(gè)打火機(jī)的火焰中。為了不改變網(wǎng)格本身,或是將精細(xì)的柵欄熔化,必須進(jìn)行快速的通過火焰。2.在丙酮中漂洗,用以除去銅網(wǎng)表面吸附的碳?xì)浠衔铩?.用100%的乙醇沖洗銅網(wǎng)表面后再用100%的丙酮進(jìn)行沖洗銅網(wǎng)表面。4.銅網(wǎng)也可以通過在4%的硝酸中浸漬(5至10次),然后在水中浸漬幾次。建議使用具有PTFE(聚四氟乙烯)涂層的鑷子操作,以避免普通金屬鑷子被酸腐蝕溶解。5.用鑷子(推薦使用PTFE(聚四氟乙烯)涂層)夾取銅網(wǎng)放置于一瓶濃硝酸瓶口處約一秒鐘左右。酸霧會(huì)使網(wǎng)格更加親水而不會(huì)腐蝕銅網(wǎng)。6.等離子體刻蝕機(jī)清潔幾分鐘去除表面所帶有的有機(jī)物造成的親水特性的損失。7.在清潔液中浸泡約30秒后用蒸餾水沖洗銅網(wǎng),然后放置一張濾紙?jiān)谝粋�(gè)干燥的布氏漏斗中,將銅網(wǎng)正面朝上放在濾紙上。這個(gè)銅網(wǎng)可以在短時(shí)間內(nèi)保持親水性,若長(zhǎng)時(shí)間后使用需要再重新進(jìn)行處理。8.將銅網(wǎng)在0.1N鹽酸中浸漬,不需要進(jìn)一步?jīng)_洗銅網(wǎng)可直接使用。當(dāng)然這些方法中有些方法對(duì)銅網(wǎng)親水性的改善非常顯著,例如用火燒,但是其操作的可控性低,無論是燒的時(shí)間程度都很難控制,且表面親水區(qū)域多為不均勻的。再例如用酸進(jìn)行處理有時(shí)效果很好,但對(duì)于一些對(duì)酸敏感的納米結(jié)構(gòu)來說這種表面處理手段會(huì)對(duì)形貌本身產(chǎn)生一定的影響。而其余方法中對(duì)表面親水性改善的效果并不是非常明顯。因此有很多種方法供我們選擇,根據(jù)自身體系的需求靈活地利用不同的方法來獲取可信的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是非常重要的。盡管通過進(jìn)行實(shí)驗(yàn)可以找到合適的制樣方法,但是干態(tài)透射電子顯微鏡對(duì)于反映組裝真實(shí)狀態(tài)上始終有一定的限制。例如一些參數(shù)難以控制,染色劑的選擇,染色方法,兩種溶液之間的滲透變化,納米結(jié)構(gòu)干燥后在銅網(wǎng)表面堆積聚集都會(huì)導(dǎo)致尺寸和形狀的變化�？紤]到這種情況我們還可以利用冷凍透射電子電子顯微鏡這一個(gè)重要的研究?jī)x器。冷凍電鏡這項(xiàng)技術(shù)是基于對(duì)其溶液中的組裝狀態(tài)進(jìn)行直接觀察。冷凍透射電子顯微鏡是將溶液狀態(tài)進(jìn)行直接研究的一種途徑,將溶液制成薄的冰膜,從而觀察其形貌,這種情況下可以直觀的真實(shí)的展現(xiàn)分子的自組裝狀態(tài),有時(shí)還可以捕捉到組裝的中間狀態(tài),這些數(shù)據(jù)也為解釋組裝原理提供了更多的直接證據(jù)。冷凍固定對(duì)于生物材料來說是最佳的保鮮技術(shù)。也可被用于觀察尺寸非常小的細(xì)顆粒樣品。對(duì)于脫水后會(huì)發(fā)生變化的樣品來說,冷凍透射電子顯微鏡是必不可少的。透過冷凍電鏡所觀察到的結(jié)果更接近于溶液中分子組裝的真實(shí)狀態(tài)。當(dāng)然這種技術(shù)中薄膜上的表面張力對(duì)分子的分布也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。冷凍中制備非常薄的冰膜是很困難的,因此對(duì)薄膜的制備需要大量的實(shí)踐。在不使用染色劑的情況下也無需考慮染色劑與樣品相互對(duì)其形貌的影響。當(dāng)然為提高對(duì)比度或無法觀察到納米結(jié)構(gòu)時(shí)也可以在冷凍電鏡中使用染色技術(shù),這時(shí)通常利用鉬酸銨作為染色劑。這種技術(shù)被稱為“負(fù)染色冷凍”(由Adrian等人于1998提出)。然而一旦涉及到使用染色劑我們便需要考慮到染色劑對(duì)組裝的結(jié)構(gòu)本身所造成的影響。由于我們所研究的體系,這種兩親性分子所組裝的結(jié)構(gòu)較小,且其電子密度不高,因此在冷凍透射電子顯微鏡中所產(chǎn)生的對(duì)比度較低。且由于我們所使用的使分子親水的烷氧鏈,其電子密度與周圍溶劑的電子密度相似,所以在反映整個(gè)結(jié)構(gòu)的尺寸上會(huì)有一些誤差。此外,由于冷凍透射電子顯微鏡中若冰膜的狀態(tài)不佳也會(huì)造成一定的誤導(dǎo),例如冰的晶體等一些人為因素的影響。如何正確的判斷和分析從冷凍透射電子顯微鏡中得到的結(jié)果需要對(duì)一些相關(guān)文獻(xiàn)的查閱與自身的經(jīng)驗(yàn)積累和干態(tài)透射電子顯微鏡的結(jié)果。相比之下,干態(tài)透射電子顯微鏡所獲得的結(jié)果,其對(duì)比度更高,圖像更加清晰,但需要考慮到很多影響因素。冷凍電鏡的結(jié)果雖然能夠更真實(shí)反映溶液中分子的組裝狀態(tài),但圖像對(duì)比度較低,因此這兩種儀器在形貌研究上各有利弊,但經(jīng)過分析其最終所得到結(jié)果應(yīng)該是相輔相成互相對(duì)應(yīng)的,在結(jié)合冷凍電子透射顯微鏡和干態(tài)透射電子顯微鏡兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果后我們才能夠得到相互對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)確的結(jié)果。通過利用透射電子顯微鏡對(duì)芳香環(huán)狀兩親分子1的組裝形貌的研究,首先我們可以確認(rèn)利用所設(shè)計(jì)的環(huán)狀兩親分子可以構(gòu)筑尺寸均勻的約幾毫米長(zhǎng)的管狀結(jié)構(gòu),每根納米管的外徑約為9納米和內(nèi)徑約為2納米。將管的溶液稀釋后,我們發(fā)現(xiàn)碳納米管離散成為纖維,每根纖維的直徑約為4納米。通過加熱具有納米管的溶液后,發(fā)現(xiàn)這種納米管將完全收縮閉合成為纖維狀態(tài),這種纖維的直徑約為6納米。將加熱的溶液冷卻后纖維將重新恢復(fù)到管狀結(jié)構(gòu),經(jīng)過多次加熱和冷卻循環(huán)證實(shí)這種打開和關(guān)閉的行為是可逆的,因此證明我們成功地利用這種圓盤形芳香環(huán)狀分子構(gòu)筑了高度動(dòng)態(tài)的管狀納米結(jié)構(gòu),可以快速隨溫度變化在打開和關(guān)閉兩種狀態(tài)進(jìn)行切換。其次,在第二章中通過一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)描述染色方法的影響。染色包括正染法和負(fù)染法。正染法可以用來增強(qiáng)樣本的對(duì)比度。它是基于一個(gè)重金屬鹽(鈾或鉛)和樣品分子之間的化學(xué)反應(yīng)。這種技術(shù)適用于輕元素組成的,細(xì)顆粒物質(zhì)或塊狀樣品以及冷凍超薄切片等。它特別適用于聚合物和生物材料。本文中所著重描述的染色方法主要為負(fù)染色,負(fù)染法是一種簡(jiǎn)便、快速、定性的,檢測(cè)細(xì)胞器結(jié)構(gòu)、個(gè)體大分子和病毒的常用方法。然而,該方法不適于在高分辨條件下對(duì)樣品進(jìn)行檢測(cè),這是種在技術(shù)上要求較高的方法,在這種情況下應(yīng)對(duì)樣品進(jìn)行快速冷凍或使樣品玻璃化。此外,由于負(fù)染色涉及到沉積的重原子污漬,人為因素對(duì)結(jié)構(gòu)的影響,往往會(huì)出現(xiàn)如扁平化的球形或圓柱形等結(jié)構(gòu)。但是,負(fù)染法仍然是一種非常有用的技術(shù),操作簡(jiǎn)單快捷,并且染色時(shí)不需要專門的設(shè)備。常用的負(fù)染色劑包括磷鎢酸鈉(鉀)、中性磷鎢酸、醋酸雙氧鈾、硅鎢酸鈉、鉬酸銨以及甲胺鎢酸鹽,其他不常見的負(fù)染色劑包括:金硫葡萄糖,醋酸鑭鎢酸鋰、鈉磷酸鋯、硼鎢酸鹽、甲酸鋁、鈾酰甲酸、草酸和硫酸鈾酰。本文中所使用到的染色劑包括:(1)醋酸雙氧鈾:將醋酸雙氧鈾溶解在蒸餾水中,制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%到2%的水溶液,p H值約為4.2-4.5�？捎糜诙喾N類型的樣品負(fù)染色。將醋酸雙氧鈾的水溶液利用0.22微米的濾頭(已預(yù)先大量雙蒸餾水沖洗過濾過濾)。過濾后的染色劑應(yīng)存放在4℃的環(huán)境中避光保存。醋酸雙氧鈾溶液也可應(yīng)用于病毒。醋酸雙氧鈾和鈾鹽的優(yōu)點(diǎn)是它們產(chǎn)生非常高的電子密度和圖像對(duì)比度以及對(duì)圖像紋理精細(xì)。特別適于小顆粒樣品制備更易得到紋理精細(xì)的圖像。但是在酸性條件下不穩(wěn)定的樣品,不建議使用低p H值的染色劑。此外,在使用它時(shí)應(yīng)當(dāng)注意它會(huì)在為中性或在許多鹽的存在下沉淀析出。醋酸雙氧鈾及其衍生物是由Van Bruggen等人在1960年提出的。(2)磷鎢酸鈉(鉀):一種最常用的負(fù)染色劑,雖然會(huì)對(duì)許多膜系統(tǒng)有明顯的破壞作用。不作為固定劑,可以破壞病毒�？膳c脂蛋白相互作用,并形成的“髓鞘”。但是,它可以用于中性p H值,并且是不會(huì)與鹽和生物介質(zhì)發(fā)生沉淀析出現(xiàn)象。磷鎢酸鉀是由Hall在1955年提出的。(3)中性磷鎢酸:中性PTA 3%溶液(用氫氧化鈉調(diào)節(jié)p H值為7)是一個(gè)適用于測(cè)試病毒的有效染色劑,適于在低p H值時(shí)使用,但其所產(chǎn)生的對(duì)比度較醋酸雙氧鈾低。(4)鉬酸銨:在蒸餾水中配制1至2%的鉬酸銨溶液,用銨或氫氧化鈉將溶液的p H調(diào)節(jié)至7。p H值不要調(diào)節(jié)超過7,否則會(huì)導(dǎo)致其結(jié)晶。鉬酸銨2%溶液對(duì)滲透敏感的細(xì)胞器染色是特別有用的。雖然這種負(fù)染色劑適用于對(duì)多種類型的樣品進(jìn)行染色,但是其所產(chǎn)生的對(duì)比度較其他染色劑低。這種染色劑也被用于負(fù)染色冷凍透射電子顯微鏡,冷凍超薄切片。它是由Munn在1968年提出的。選擇合適的染色劑固然重要,對(duì)于染色方法的選擇以及染色時(shí)間長(zhǎng)短的控制也非常必要。文獻(xiàn)當(dāng)中描述了很多種方法來進(jìn)行樣品制備。當(dāng)然由于研究體系的不同,最重要的還是要適合于自身需求。本文中的前兩個(gè)章節(jié)中,多需要測(cè)量管狀結(jié)構(gòu),首先需要保證管狀結(jié)構(gòu)的完整性,其次是通過合適的染色方法將管狀結(jié)構(gòu)清晰地展現(xiàn)出來。在干態(tài)透射電子顯微鏡制備方面,如何獲得清楚的管狀結(jié)構(gòu)這需要我們?cè)诳紤]到多種影響因素。由于本研究體系中納米結(jié)構(gòu)對(duì)外界環(huán)境的變化非常敏感,所以在制樣方案的選擇上所做的工作將會(huì)對(duì)獲得準(zhǔn)確形貌有著深遠(yuǎn)意義,只有在獲得真實(shí)的,可信的,合理的形貌的基礎(chǔ)上才可以對(duì)其組裝原理方面進(jìn)行一系列的探索與研究。通過分析從透射電子顯微鏡所獲得的芳香環(huán)狀兩親分子2的組裝形貌結(jié)果,這種圓盤形芳香環(huán)狀分子首先沿垂直方向自組裝生成柱狀纖維結(jié)構(gòu),然后由8根柱狀纖維沿橫向緊密排列形成平面的條帶結(jié)構(gòu)。所形成的條帶寬度約為28納米,厚度約為3.5納米。值得一提的是,這種平面的條帶隨著果糖的加入逐漸卷曲最終形成外徑為8納米的管狀結(jié)構(gòu)。最后,在第三章中,在透射銅網(wǎng)表面的處理過程中我使用了輝光處理儀,這是一臺(tái)通過輝光放電使得銅網(wǎng)表面帶電荷的儀器。通過對(duì)其放電時(shí)的環(huán)境中剩余氣體的種類的控制,來控制其使銅網(wǎng)表面帶有正電或者負(fù)電,從而控制銅網(wǎng)的表面呈現(xiàn)親水或者疏水的性質(zhì)。其操作簡(jiǎn)單快捷,且可控性很強(qiáng),處理過的銅網(wǎng)表面非常均勻呈現(xiàn)親/疏水性。當(dāng)然對(duì)于一些自身攜帶電荷的樣品這種處理手段也會(huì)對(duì)其形貌產(chǎn)生一定的影響。根據(jù)透射電子顯微鏡所得到的形貌分析,這種環(huán)狀分子在高濃度條件下形成外徑約為12納米內(nèi)徑約為2納米的環(huán)狀結(jié)構(gòu),隨著其水溶液濃度的減低,逐漸由環(huán)狀結(jié)構(gòu)變?yōu)橹睆郊s為9納米的螺旋纖維狀結(jié)構(gòu)。在形成螺旋纖維狀結(jié)構(gòu)的濃度條件下,隨著暈苯的加入,螺旋纖維被切斷回到環(huán)狀結(jié)構(gòu)。在形成環(huán)狀分子的條件下加入客體分子六螺烯后,其組裝結(jié)構(gòu)可變?yōu)橹睆郊s12納米的螺旋彈簧狀結(jié)構(gòu)。并且隨時(shí)間的延長(zhǎng),這種螺旋彈簧狀結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度呈現(xiàn)逐漸增長(zhǎng)的趨勢(shì)。目前這項(xiàng)工作還處于研究當(dāng)中,還需要進(jìn)行一系列更為系統(tǒng)的研究來證實(shí)我們對(duì)其組裝原理的猜想是否正確。在獲得清晰準(zhǔn)確的形貌結(jié)果的基礎(chǔ)上來探索納米微觀結(jié)構(gòu)的組裝情況和其隨環(huán)境產(chǎn)生的響應(yīng)性變化。文中的納米結(jié)構(gòu)是由環(huán)狀芳香兩親分子在溶液中通過親疏水作用以及多價(jià)相互作用組裝而形成的,為了進(jìn)一步了解這種通過自組裝而成的納米材料的組裝過程和組裝原理,透射電子顯微鏡成為至關(guān)重要的研究工具,這使得我們能夠更加直觀地看到組裝的進(jìn)程和結(jié)果。獲得清晰的結(jié)果固然重要但是結(jié)合所獲得形貌結(jié)果來分析分子的組裝原理更為重要,因此需要結(jié)合其他同事在其他實(shí)驗(yàn)上面的研究,例如結(jié)合所用于組裝的芳香兩親分子的性質(zhì)、穩(wěn)定構(gòu)象、軟件模擬分析、波譜學(xué)、光譜學(xué)等多方面的研究數(shù)據(jù)信息,從而合理的解釋這些納米結(jié)構(gòu)的組裝原理和響應(yīng)性行為的發(fā)生原因。在了解這些納米材料的結(jié)構(gòu)性質(zhì)和其對(duì)于環(huán)境變化所產(chǎn)生的響應(yīng)性行為的基礎(chǔ)上,也便于人們開發(fā)其應(yīng)用方面的價(jià)值。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O641;TB383.1

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本文編號(hào)：1202715