【摘要】：礦物-水界面反應(yīng)是生物地球化學(xué)過(guò)程中最基礎(chǔ)的關(guān)鍵研究?jī)?nèi)容。其中,在微觀礦物界面上發(fā)生的溶解和沉淀(表面生長(zhǎng))反應(yīng)最能直接影響土壤地球化學(xué)過(guò)程中的礦物元素循環(huán)、養(yǎng)分有效性、重金屬的去向以及生物礦化過(guò)程(無(wú)機(jī)元素吸收進(jìn)入生物體后形成礦物的過(guò)程)等。在每一個(gè)特定過(guò)程中,反應(yīng)速率及動(dòng)力學(xué)(Kinetics)最終由礦物界面以及界面液體中所包含的各種有機(jī)、無(wú)機(jī)添加(雜質(zhì))分子和離子組分所控制。所以,研究反應(yīng)過(guò)程中有機(jī)大分子-礦物界面的相互作用對(duì)晶面生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程及晶體形貌的調(diào)控作用尤為重要。目前,借助最新發(fā)展的原位觀測(cè)手段和單分子力譜,可以直接實(shí)時(shí)觀測(cè)納米級(jí)礦物表面反應(yīng)和無(wú)機(jī)礦物與有機(jī)分子之間的相互作用,這有助于揭示發(fā)生在礦物-水界面上的反應(yīng)機(jī)制。本研究以普遍存在于土壤和生物體內(nèi)的磷酸鈣礦物以及一種在生物礦化過(guò)程中被廣泛研究的模式蛋白Amelogenin的C-末端短肽為實(shí)驗(yàn)材料,使用原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy,AFM)原位觀測(cè)礦物-水界面反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。并在AFM針尖表面化學(xué)修飾上單個(gè)短肽分子,利用AFM單分子力譜在單分子水平上測(cè)定了短肽和磷酸鈣礦物表面的結(jié)合能。此外,結(jié)合短肽的生物化學(xué)熒光標(biāo)記和修飾等研究最終探明Amelogenin C-末端短肽自組裝體和分子單體在調(diào)控磷酸鈣礦物界面生長(zhǎng)具有不同的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)(Thermodynamics)(統(tǒng)稱Dynamics)機(jī)制。此微觀機(jī)制的研究為研究其它復(fù)雜土壤礦物和生物礦物的界面反應(yīng)提供了線索和方法上的探索。此研究得出的主要結(jié)論如下:1、單體Amelogenin C-末端短肽通過(guò)修飾二水磷酸氫鈣(DCPD)-水界面的界面能來(lái)修飾DCPD(010)面上生長(zhǎng)螺旋的臨界長(zhǎng)度以及臺(tái)階寬度,從而抑制DCPD晶體表面的螺旋生長(zhǎng)。在過(guò)飽和度(相對(duì)于DCPD的σ=0.344-0.659)范圍確定的系列溶液中,首先利用原位AFM實(shí)時(shí)測(cè)量了DCPD(010)面上三角形螺旋生長(zhǎng)的速度(即三個(gè)臺(tái)階移動(dòng)的速度),發(fā)現(xiàn)1-200 n M Amelogenin C-末端短肽并不影響三個(gè)臺(tái)階移動(dòng)的速度,但低濃度(1-10 n M)Amelogenin C-末端短肽顯著減小了兩個(gè)生長(zhǎng)相對(duì)較快的臺(tái)階([101 ]Cc和[101]Cc)的密度(即增加了臺(tái)階寬度),同時(shí),當(dāng)濃度超過(guò)50 n M后此效應(yīng)逐漸減小,增加溶液過(guò)飽和度加速了此效應(yīng)的消失。隨后,我們測(cè)量了臺(tái)階臨界長(zhǎng)度(Lc),發(fā)現(xiàn)在不添加短肽的過(guò)飽和溶液中,Lc隨著溶液過(guò)飽和度σ的降低而增加。同時(shí),在同一固定飽和度σ下,Lc隨著短肽濃度(10 n M到1 n M)減小而快速增加;但是,當(dāng)短肽濃度超過(guò)50 n M后,Lc反而不發(fā)生改變。最后我們通過(guò)其它手段表征不同濃度的短肽顆粒粒徑,發(fā)現(xiàn)低濃度的短肽以單體形式存在,它通過(guò)吸附在DCPD(010)面上并與礦物表面有著較強(qiáng)的相互作用,從而通過(guò)改變DCPD-水界面的界面能來(lái)影響晶體移動(dòng)的臺(tái)階臨界長(zhǎng)度以及臺(tái)階寬度,進(jìn)而在生長(zhǎng)的晶面上延緩了可移動(dòng)臺(tái)階的形成,起到抑制DCPD生長(zhǎng)的作用。而當(dāng)濃度過(guò)高時(shí),短肽則因自組裝形成團(tuán)聚體,導(dǎo)致其與礦物表面的相互作用降低,從而減弱了對(duì)DCPD生長(zhǎng)的抑制作用。本研究為理解生物礦物及土壤礦物的形成和生長(zhǎng)提供了界面能控制方面的微觀機(jī)制。2、原位觀察到磷酸八鈣(OCP)晶體(100)面通過(guò)非經(jīng)典的粒子粘附方式生長(zhǎng);在生長(zhǎng)過(guò)程中,自組裝伸長(zhǎng)的Amelogenin C-末端短肽控制了OCP納米顆粒的形貌,使球形粒子也按同等比例伸長(zhǎng),揭示了Amelogenin C-末端短肽的自組裝體對(duì)OCP晶面生長(zhǎng)形貌的調(diào)控機(jī)制。在精確定義的熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力(過(guò)飽和度)、p H和離子強(qiáng)度的條件下,借助原位AFM實(shí)時(shí)觀測(cè)OCP晶體(100)面生長(zhǎng)的過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)與DCPD表面生長(zhǎng)不同,OCP的生長(zhǎng)并不是以經(jīng)典的螺旋或島狀的方式生長(zhǎng),而是以非經(jīng)典粒子粘附的方式進(jìn)行。同時(shí),在生長(zhǎng)過(guò)程中加入特定濃度(50 n M)Amelogenin C-末端短肽,其自組裝后可以明顯誘導(dǎo)OCP納米粒子的伸長(zhǎng),其長(zhǎng)寬比從1:1增加到2:1,而當(dāng)濃度增加到100 n M后此效應(yīng)消失。最后,通過(guò)原位AFM觀察發(fā)現(xiàn)100 n M短肽在OCP晶面上出現(xiàn)了去組裝現(xiàn)象。通過(guò)觀察經(jīng)生物標(biāo)記熒光修飾的短肽在OCP晶體表面的沉積,說(shuō)明特定濃度的短肽在OCP晶面上可以進(jìn)行自組裝和去組裝。此結(jié)果有利于理解有機(jī)分子如何控制晶體通過(guò)顆粒粘附方式生長(zhǎng)時(shí)的形貌修飾作用的機(jī)制。3、通過(guò)AFM單分子力測(cè)定,探明Amelogenin C-末端短肽在OCP晶體(100)面上可形成伸長(zhǎng)的自組裝體,再吸附和結(jié)合OCP溶液中的納米粒子在其表面生長(zhǎng)。在AFM針尖修飾上Amelogenin C-末端短肽,直接測(cè)量單個(gè)短肽分子和OCP晶體(100)面的結(jié)合強(qiáng)度。在磷酸緩沖液中,通過(guò)直接測(cè)量修飾了短肽的針尖和OCP(100)面接觸的力-距離曲線,并將其轉(zhuǎn)化為分離短肽-OCP鍵合所做的功(W),最后得到短肽和OCP晶面的結(jié)合自由能為ΔGB=-26.0 kcal/mol。作為對(duì)照,短肽和云母表面結(jié)合能僅為-10.3 kcal/mol。結(jié)合原位OCP生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)和AFM單分子力譜的研究,進(jìn)一步表明Amelogenin C-末端氨基酸序列中最末位的酸性氨基酸(天冬氨酸以及谷氨酸)暴露在短肽組裝體表面并具有結(jié)合Ca-P納米顆粒的能力。并且,這些短肽可以通過(guò)自組裝形成組裝體,進(jìn)而誘導(dǎo)形成伸長(zhǎng)的磷酸鈣納米顆粒。此結(jié)果加深了我們?cè)趩畏肿铀缴侠斫庥袡C(jī)分子和礦物界面相互作用以及晶體生長(zhǎng)過(guò)程中出現(xiàn)的形貌修飾作用的機(jī)制,這也將為揭示發(fā)生在復(fù)雜土壤地球化學(xué)和其他生物礦化體系中礦物-水界面上的沉淀(生長(zhǎng))反應(yīng)提供微觀動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)的研究線索。
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【學(xué)位授予單位】：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：P593

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 李秀麗;張文君;魯劍巍;王荔軍;;植物體內(nèi)草酸鈣的生物礦化[J];科學(xué)通報(bào);2012年26期

2 王荔軍;魯劍巍;徐芳森;張福鎖;;近分子尺度下正磷酸鈣的結(jié)晶和溶解動(dòng)力學(xué)[J];科學(xué)通報(bào);2010年29期

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本文編號(hào)：2256438