利用透射电子显微镜对环状分子动态自组装结构的研究

发布时间：2017-11-19 07:10

  本文关键词：利用透射电子显微镜对环状分子动态自组装结构的研究

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【摘要】：正如我们所知,如今所获取的数据能够快速解决问题比以往任何时候都要重要。透射电子显微镜作为纳米材料结构表征的主要手段之一,可用于更加快速直接的确定纳米材料的结构信息和空间分布等。在获得清晰准确的实验结果的基础上来探索纳米微观结构的组装情况和其随环境产生的响应性变化。一个成功的透射电子显微镜的图像与样品的制备是分不开的。因此我们更需要注意样品的制备环节。根据文献资料我们可以了解到,在样品的制备过程中存在多种不同的制样方法,这些不同的制样方法对形貌的影响也各有差异,有时应用不同的制样方法所获得结果截然不同。这使得我们有时很难判断真实的形貌。因此本实验过程中也对不同样品不同制样方法进行了研究与分析,在经历数次尝试后找到合适的制样方案,从而得出清晰准确的实验结果。本文包括三章,在各自结果与讨论部分主要来说明利用透射电子显微镜所解决的科学问题,前两章的内容是已发表的工作,分别发表在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,其共同特点是基于由芳香环状分子构成的两亲分子的组装,虽然其分子结构相似但却拥有不同的组装行为。首先,在本文的第一章中,着重描述了制样方法中表面作用的影响,由于本实验中所研究的两亲性分子所组装的结构自身的性质,其纳米结构的外层多为亲水部分,因此制样所用的载网表面是否亲水将会对于实验结果产生一定的影响。在样品溶剂挥发的过程中,通过表面作用,若表面较为疏水则会使得所形成的纳米结构在溶剂挥发过程在铜网表面过于聚集,导致不能得到其真实的组装形貌,往往会产生一些假象来影响对真实形貌的判断。这些假象是由于在溶剂挥发过程中纳米结构与铜网表面相互作用逐渐形成的。并不能够正确的反映组装的真实状态。所以想要得到一个准确的结果我们首先要知道表面作用有着怎样的影响。通过查阅已报道的文献与资料,可以了解到通常由电沉积方法(如铜、镍、金)得到的铜网其表面已达到高度亲水性的状态,而不需要任何特殊的处理。然而,根据我所研究的实验体系的需要,有时需要使其铜网表面变得更加亲水,这样可使得纳米结构完整的保留在铜网表面。已报道的常见的方法有以下几种,可以用于增加透射电子显微镜铜网表面的亲水性。这些不同的方法和手段也已经得到来自世界各地不同的实验机构中不同的研究人员的认可和使用,最初是由罗伯特教授于1997年11月21日提出:1.将铜网表面快速的通过一个酒精灯或一个打火机的火焰中。为了不改变网格本身,或是将精细的栅栏熔化,必须进行快速的通过火焰。2.在丙酮中漂洗,用以除去铜网表面吸附的碳氢化合物。3.用100%的乙醇冲洗铜网表面后再用100%的丙酮进行冲洗铜网表面。4.铜网也可以通过在4%的硝酸中浸渍(5至10次),然后在水中浸渍几次。建议使用具有PTFE(聚四氟乙烯)涂层的镊子操作,以避免普通金属镊子被酸腐蚀溶解。5.用镊子(推荐使用PTFE(聚四氟乙烯)涂层)夹取铜网放置于一瓶浓硝酸瓶口处约一秒钟左右。酸雾会使网格更加亲水而不会腐蚀铜网。6.等离子体刻蚀机清洁几分钟去除表面所带有的有机物造成的亲水特性的损失。7.在清洁液中浸泡约30秒后用蒸馏水冲洗铜网,然后放置一张滤纸在一个干燥的布氏漏斗中,将铜网正面朝上放在滤纸上。这个铜网可以在短时间内保持亲水性,若长时间后使用需要再重新进行处理。8.将铜网在0.1N盐酸中浸渍,不需要进一步冲洗铜网可直接使用。当然这些方法中有些方法对铜网亲水性的改善非常显著,例如用火烧,但是其操作的可控性低,无论是烧的时间程度都很难控制,且表面亲水区域多为不均匀的。再例如用酸进行处理有时效果很好,但对于一些对酸敏感的纳米结构来说这种表面处理手段会对形貌本身产生一定的影响。而其余方法中对表面亲水性改善的效果并不是非常明显。因此有很多种方法供我们选择,根据自身体系的需求灵活地利用不同的方法来获取可信的实验结果是非常重要的。尽管通过进行实验可以找到合适的制样方法,但是干态透射电子显微镜对于反映组装真实状态上始终有一定的限制。例如一些参数难以控制,染色剂的选择,染色方法,两种溶液之间的渗透变化,纳米结构干燥后在铜网表面堆积聚集都会导致尺寸和形状的变化。考虑到这种情况我们还可以利用冷冻透射电子电子显微镜这一个重要的研究仪器。冷冻电镜这项技术是基于对其溶液中的组装状态进行直接观察。冷冻透射电子显微镜是将溶液状态进行直接研究的一种途径,将溶液制成薄的冰膜,从而观察其形貌,这种情况下可以直观的真实的展现分子的自组装状态,有时还可以捕捉到组装的中间状态,这些数据也为解释组装原理提供了更多的直接证据。冷冻固定对于生物材料来说是最佳的保鲜技术。也可被用于观察尺寸非常小的细颗粒样品。对于脱水后会发生变化的样品来说,冷冻透射电子显微镜是必不可少的。透过冷冻电镜所观察到的结果更接近于溶液中分子组装的真实状态。当然这种技术中薄膜上的表面张力对分子的分布也会产生一定的影响。冷冻中制备非常薄的冰膜是很困难的,因此对薄膜的制备需要大量的实践。在不使用染色剂的情况下也无需考虑染色剂与样品相互对其形貌的影响。当然为提高对比度或无法观察到纳米结构时也可以在冷冻电镜中使用染色技术,这时通常利用钼酸铵作为染色剂。这种技术被称为“负染色冷冻”(由Adrian等人于1998提出)。然而一旦涉及到使用染色剂我们便需要考虑到染色剂对组装的结构本身所造成的影响。由于我们所研究的体系,这种两亲性分子所组装的结构较小,且其电子密度不高,因此在冷冻透射电子显微镜中所产生的对比度较低。且由于我们所使用的使分子亲水的烷氧链,其电子密度与周围溶剂的电子密度相似,所以在反映整个结构的尺寸上会有一些误差。此外,由于冷冻透射电子显微镜中若冰膜的状态不佳也会造成一定的误导,例如冰的晶体等一些人为因素的影响。如何正确的判断和分析从冷冻透射电子显微镜中得到的结果需要对一些相关文献的查阅与自身的经验积累和干态透射电子显微镜的结果。相比之下,干态透射电子显微镜所获得的结果,其对比度更高,图像更加清晰,但需要考虑到很多影响因素。冷冻电镜的结果虽然能够更真实反映溶液中分子的组装状态,但图像对比度较低,因此这两种仪器在形貌研究上各有利弊,但经过分析其最终所得到结果应该是相辅相成互相对应的,在结合冷冻电子透射显微镜和干态透射电子显微镜两项实验的结果后我们才能够得到相互对应的准确的结果。通过利用透射电子显微镜对芳香环状两亲分子1的组装形貌的研究,首先我们可以确认利用所设计的环状两亲分子可以构筑尺寸均匀的约几毫米长的管状结构,每根纳米管的外径约为9纳米和内径约为2纳米。将管的溶液稀释后,我们发现碳纳米管离散成为纤维,每根纤维的直径约为4纳米。通过加热具有纳米管的溶液后,发现这种纳米管将完全收缩闭合成为纤维状态,这种纤维的直径约为6纳米。将加热的溶液冷却后纤维将重新恢复到管状结构,经过多次加热和冷却循环证实这种打开和关闭的行为是可逆的,因此证明我们成功地利用这种圆盘形芳香环状分子构筑了高度动态的管状纳米结构,可以快速随温度变化在打开和关闭两种状态进行切换。其次,在第二章中通过一些实验数据描述染色方法的影响。染色包括正染法和负染法。正染法可以用来增强样本的对比度。它是基于一个重金属盐(铀或铅)和样品分子之间的化学反应。这种技术适用于轻元素组成的,细颗粒物质或块状样品以及冷冻超薄切片等。它特别适用于聚合物和生物材料。本文中所着重描述的染色方法主要为负染色,负染法是一种简便、快速、定性的,检测细胞器结构、个体大分子和病毒的常用方法。然而,该方法不适于在高分辨条件下对样品进行检测,这是种在技术上要求较高的方法,在这种情况下应对样品进行快速冷冻或使样品玻璃化。此外,由于负染色涉及到沉积的重原子污渍,人为因素对结构的影响,往往会出现如扁平化的球形或圆柱形等结构。但是,负染法仍然是一种非常有用的技术,操作简单快捷,并且染色时不需要专门的设备。常用的负染色剂包括磷钨酸钠(钾)、中性磷钨酸、醋酸双氧铀、硅钨酸钠、钼酸铵以及甲胺钨酸盐,其他不常见的负染色剂包括:金硫葡萄糖,醋酸镧钨酸锂、钠磷酸锆、硼钨酸盐、甲酸铝、铀酰甲酸、草酸和硫酸铀酰。本文中所使用到的染色剂包括:(1)醋酸双氧铀:将醋酸双氧铀溶解在蒸馏水中,制成质量分数为0.2%到2%的水溶液,p H值约为4.2-4.5。可用于多种类型的样品负染色。将醋酸双氧铀的水溶液利用0.22微米的滤头(已预先大量双蒸馏水冲洗过滤过滤)。过滤后的染色剂应存放在4℃的环境中避光保存。醋酸双氧铀溶液也可应用于病毒。醋酸双氧铀和铀盐的优点是它们产生非常高的电子密度和图像对比度以及对图像纹理精细。特别适于小颗粒样品制备更易得到纹理精细的图像。但是在酸性条件下不稳定的样品,不建议使用低p H值的染色剂。此外,在使用它时应当注意它会在为中性或在许多盐的存在下沉淀析出。醋酸双氧铀及其衍生物是由Van Bruggen等人在1960年提出的。(2)磷钨酸钠(钾):一种最常用的负染色剂,虽然会对许多膜系统有明显的破坏作用。不作为固定剂,可以破坏病毒。可与脂蛋白相互作用,并形成的“髓鞘”。但是,它可以用于中性p H值,并且是不会与盐和生物介质发生沉淀析出现象。磷钨酸钾是由Hall在1955年提出的。(3)中性磷钨酸:中性PTA 3%溶液(用氢氧化钠调节p H值为7)是一个适用于测试病毒的有效染色剂,适于在低p H值时使用,但其所产生的对比度较醋酸双氧铀低。(4)钼酸铵:在蒸馏水中配制1至2%的钼酸铵溶液,用铵或氢氧化钠将溶液的p H调节至7。p H值不要调节超过7,否则会导致其结晶。钼酸铵2%溶液对渗透敏感的细胞器染色是特别有用的。虽然这种负染色剂适用于对多种类型的样品进行染色,但是其所产生的对比度较其他染色剂低。这种染色剂也被用于负染色冷冻透射电子显微镜,冷冻超薄切片。它是由Munn在1968年提出的。选择合适的染色剂固然重要,对于染色方法的选择以及染色时间长短的控制也非常必要。文献当中描述了很多种方法来进行样品制备。当然由于研究体系的不同,最重要的还是要适合于自身需求。本文中的前两个章节中,多需要测量管状结构,首先需要保证管状结构的完整性,其次是通过合适的染色方法将管状结构清晰地展现出来。在干态透射电子显微镜制备方面,如何获得清楚的管状结构这需要我们在考虑到多种影响因素。由于本研究体系中纳米结构对外界环境的变化非常敏感,所以在制样方案的选择上所做的工作将会对获得准确形貌有着深远意义,只有在获得真实的,可信的,合理的形貌的基础上才可以对其组装原理方面进行一系列的探索与研究。通过分析从透射电子显微镜所获得的芳香环状两亲分子2的组装形貌结果,这种圆盘形芳香环状分子首先沿垂直方向自组装生成柱状纤维结构,然后由8根柱状纤维沿横向紧密排列形成平面的条带结构。所形成的条带宽度约为28纳米,厚度约为3.5纳米。值得一提的是,这种平面的条带随着果糖的加入逐渐卷曲最终形成外径为8纳米的管状结构。最后,在第三章中,在透射铜网表面的处理过程中我使用了辉光处理仪,这是一台通过辉光放电使得铜网表面带电荷的仪器。通过对其放电时的环境中剩余气体的种类的控制,来控制其使铜网表面带有正电或者负电,从而控制铜网的表面呈现亲水或者疏水的性质。其操作简单快捷,且可控性很强,处理过的铜网表面非常均匀呈现亲/疏水性。当然对于一些自身携带电荷的样品这种处理手段也会对其形貌产生一定的影响。根据透射电子显微镜所得到的形貌分析,这种环状分子在高浓度条件下形成外径约为12纳米内径约为2纳米的环状结构,随着其水溶液浓度的减低,逐渐由环状结构变为直径约为9纳米的螺旋纤维状结构。在形成螺旋纤维状结构的浓度条件下,随着晕苯的加入,螺旋纤维被切断回到环状结构。在形成环状分子的条件下加入客体分子六螺烯后,其组装结构可变为直径约12纳米的螺旋弹簧状结构。并且随时间的延长,这种螺旋弹簧状结构的长度呈现逐渐增长的趋势。目前这项工作还处于研究当中,还需要进行一系列更为系统的研究来证实我们对其组装原理的猜想是否正确。在获得清晰准确的形貌结果的基础上来探索纳米微观结构的组装情况和其随环境产生的响应性变化。文中的纳米结构是由环状芳香两亲分子在溶液中通过亲疏水作用以及多价相互作用组装而形成的,为了进一步了解这种通过自组装而成的纳米材料的组装过程和组装原理,透射电子显微镜成为至关重要的研究工具,这使得我们能够更加直观地看到组装的进程和结果。获得清晰的结果固然重要但是结合所获得形貌结果来分析分子的组装原理更为重要,因此需要结合其他同事在其他实验上面的研究,例如结合所用于组装的芳香两亲分子的性质、稳定构象、软件模拟分析、波谱学、光谱学等多方面的研究数据信息,从而合理的解释这些纳米结构的组装原理和响应性行为的发生原因。在了解这些纳米材料的结构性质和其对于环境变化所产生的响应性行为的基础上,也便于人们开发其应用方面的价值。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O641;TB383.1

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本文编号：1202715