液晶水界面上非共价键作用的可视化及应用研究

发布时间：2017-08-06 16:00

  本文关键词：液晶水界面上非共价键作用的可视化及应用研究

  更多相关文章： 液晶 非共价键作用 取向转变 光学图像

【摘要】：液晶是一种具有长程有序性与光学各向异性的物质。由于液晶分子具有独特的光学性质,使其不仅在电子产品的显示器件中被广泛应用,而且被作为“敏感的光学元件”引入了传感器的研究领域。液晶传感器的检测原理主要是基于液晶分子的表面在外部条件的刺激下取向排布发生变化,使得液晶分子对光线的折射能力发生了改变,进而将所受刺激后产生的取向变化转换成光学信号的变化,实现对待测物的检测与分析。该传感器具有无需标定、操作简单方便、灵敏度高、响应快速及无需复杂仪器等特点。因此,本文基于液晶传感器以上特点,利用液晶传感器对可视化液晶/水界面上非共价键的作用方面进行了研究与探讨,主要研究内容如下:(1)基于表面活性剂可与戊基联苯氰(简称:5CB)形成疏水缔合作用。本章提出了利用液晶传感器可视化了液晶5CB与表面活性剂(烷基糖苷,APG)之间的疏水缔合作用。由于液晶5CB的烷基端可与表面活性剂的长烷基链发生疏水缔合作用,可使液晶/水界面上的液晶取向由平行排列转变为垂直排列,引起液晶传感器由亮到暗的光学转变,进而达到可视化的效果。此外,还研究了APG分别对牛血清蛋白(BSA)与明胶(Gelatin)在液晶/水界面上的疏水缔合作用。当向APG修饰的液晶传感器中加入BSA与Gelatin,由于BSA(或Gelatin)与APG的疏水缔合作用强于APG与液晶5CB间的疏水缔合作用,因此光学信号由暗色转回了原有的亮色;同时在BSA-APG体系中,光学图像的亮斑呈晶核生长方式出现,而在Gelatin-APG体系中亮斑则呈大面积连续生长方式出现。实验结果表明,本方法可实现APG分别对BSA与Gelatin作用的可视化;而光学图像呈现亮斑生长方式的不同是由于蛋白质结构不同而引起的。(2)基于环糊精的主客体识别作用。本章节提出了一种基于环糊精识别作用的新型液晶传感器。向SDS修饰的传感器体系中引入β-CD,发现SDS与液晶5CB在液晶/水界面上形成的疏水缔合作用被破坏,光学取向再由暗色变回了亮色,这是由于β-CD与SDS形成了主客体包合物进而破坏了SDS与液晶5CB在液晶/水界面上形成的疏水缔合作用,实现了主客体包合过程的可视化。此外,当亚甲基蓝(MB)被引入由β-CD-SDS构成液晶传感器时,亚甲基蓝会与β-CD进行主客体的包合作用将SDS从β-CD的空腔中挤出,而被挤出的SDS可与液晶5CB再次发生疏水缔合作用,使液晶传感器表现出由暗变亮的光学响应。在整个过程中,液晶传感器的光学信号由最初的亮色变为暗色(加入SDS)、再由暗色变为亮色(向SDS中加入β-CD)、最后再由亮色变回暗色(向β-CD-SDS中加入MB),实现了利用液晶传感器对SDS-CD-MB三者竞争包合过程的可视化。实验结果表明,此方法是一种简单快速、无需外标的基于环糊精识别系统的分析检测技术。此外,基于具有不同尺寸空腔的环糊精对同一长度疏水烷基链的包合作用有所差异。本章节还提出了利用液晶传感器对α-和β-CD分别与十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)之间的包合能力进行研究。CTAB能与液晶5CB发生疏水缔合作用力而使得液晶传感器产生由亮变暗的光学信号,加之,由于环糊精可与CTAB疏水烷基链发生包合作用,且不同空腔大小的环糊精对CTAB的包合能力不同,故当α-和β-CD分别加入含有CTAB的体系中时,液晶传感器的光学信号会由暗色变回了亮色,但由于不同环糊精与CTAB包合能力的不同造成了液晶光学转换所需的时间存在较大差异。实验结果表明,α-CD与CTAB的包合能力大于β-CD与CTAB的包合能力,同时,此液晶传感器在环糊精的识别系统中也为客体分子选择合适的空腔尺寸的环糊精提供了一种操作简便的方法。(3)基于液晶5CB分子中存在氰基基团可与氢供体形成氢键作用。因此,本章节提出了液晶/水界面上的氢键作用可用于诱导液晶5CB发生取向的转变。当液晶传感器接触到酚类(如对硝基苯酚,PNP)水溶液时,由于酚类物质的酚羟基与液晶5CB分子中的氰基在液晶/水界面上形成了氢键,并在氢键的作用下使得液晶5CB由平行取向转变成了垂直取向,导致光学信号表现为由亮色到暗色的转变。利用这一液晶传感器可区分部分酚类的同分异构体。实验结果表明,氢键作用强度越大,液晶取向的转变越快,光学信号由亮色到暗色转变所需时间就越短。本章的结论为研究液晶/水界面上的界面现象提供了新的思路,并且有望于开发出基于氢键作用的液晶生物化学传感技术。
【关键词】：液晶 非共价键作用 取向转变 光学图像
【学位授予单位】：西南民族大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O753.2
【目录】：

• 摘要2-4
• Abstract4-10
• 第一章 绪论10-27
• 1.1 液晶简介10-15
• 1.1.1 液晶的分类10-12
• 1.1.2 液晶的特性12-14
• 1.1.3 液晶的取向14-15
• 1.2 液晶生物化学传感器15-24
• 1.2.1 液晶生物化学传感的原理15-16
• 1.2.2 基于液晶/水界面液晶取向变化的液晶生物化学传感器的应用16-23
• 1.2.3 液晶生物化学传感器的展望23-24
• 1.3 环糊精及其主客体包合作用24-25
• 1.4 本课题的提出与主要研究内容25-27
• 第二章 液晶/水界面疏水缔合作用的研究27-40
• 2.1 前言27-28
• 2.2 实验部分28-32
• 2.2.1 实验原料28
• 2.2.2 溶液的配制28-30
• 2.2.3 液晶传感装置的制作30-31
• 2.2.4 偏光测试及图像的采集与光度计算31-32
• 2.3 结果与讨论32-39
• 2.3.1 APG溶液分别对液晶 5CB取向的影响32-33
• 2.3.2 液晶传感器可视化APG分别与BSA,Gelatin的疏水缔合作用33-36
• 2.3.3 离子强度及pH值对液晶光斑形成的影响36-37
• 2.3.4 不同结构的蛋白质对液晶光斑形成的影响37-39
• 2.4 小结39-40
• 第三章 液晶/水界面主客体包合作用的研究40-63
• 3.1 前言40-41
• 3.2 实验部分41-45
• 3.2.1 实验原料41
• 3.2.2 溶液的制备41-43
• 3.2.3 液晶传感装置的制作43-44
• 3.2.4 偏光测试及图像的采集与光度计算44
• 3.2.5 表面张力法及等温滴定量热法对包合液的测试44-45
• 3.3 结果与讨论45-61
• 3.3.1 构建基于环糊精主客体包合作用的液晶传感器45-52
• 3.3.2 可视化不同空腔尺寸的环糊精对客体分子的包合能力52-61
• 3.4 小结61-63
• 第四章 液晶/水界面氢键作用的研究63-76
• 4.1 前言63-64
• 4.2 实验部分64-66
• 4.2.1 实验原料64
• 4.2.2 溶液的配制64-65
• 4.2.3 对硝基苯酚与液晶 5CB的混合物的制备65
• 4.2.4 液晶传感装置的制作65-66
• 4.2.5 偏光测试及图像采集66
• 4.2.6 紫外可见光谱及红外光谱表征66
• 4.3 结果与讨论66-71
• 4.3.1 可视化液晶 5CB与对硝基苯酚之间的氢键作用66-67
• 4.3.2 液晶/水界面上 5CB与对硝基苯酚之间的氢键作用的表征67-73
• 4.3.3 液晶传感器对其他酚类的光学响应73-71
• 4.4 小结71-76
• 第五章 总结与展望76-78
• 5.1 结论76-77
• 5.2 展望77-78
• 参考文献78-89
• 硕士期间发表的学术论文89-90
• 致谢90-91

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本文编号：630459