高稳定溶液扫描隧道显微镜研制及蛋白质亚分子特征成像

发布时间：2017-09-13 06:23

  本文关键词：高稳定溶液扫描隧道显微镜研制及蛋白质亚分子特征成像

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【摘要】：第一台扫描隧道显微镜于1982年研制成功,使人们实现了在原子尺度上直接观察材料表面的精细结构。随后又衍生出超高真空扫描隧道显微镜,电化学扫描隧道显微镜等适用在不同极端环境下的家族成员。发展至今,扫描隧道显微镜已经广泛应用于材料科学,纳米科学等领域。然而在分子生物学领域内,溶液环境下的扫描隧道显微镜成像依然面临很大的挑战。目前已经报道的溶液中的生物大分子STM图像,尤其是对于蛋白质,其分辨率普遍较低；此外,生理条件下的生物分子之间的功能化动态过程也几乎没有人观测到过,上述成像困难主要是由于生物分子在溶液环境下结构的不稳定性和扫描隧道显微镜性能不够稳定等因素造成的。为了获得高分辨率的生物单分子STM图像和捕捉生物分子间的动态功能化过程,我们搭建了一款适合在溶液环境下工作的低漏电流、高刚性、高稳定扫描隧道显微镜,能够在无隔音减震的环境下获得石墨的原子分辨率图像,这些优势在很大程度上提高了扫描隧道显微镜在溶液环境下研究效率。过渡族金属硫属化合物是一类典型的层状材料,具有着奇特的表面电子态分布,例如原子缺陷,电荷密度波等。由于这类材料的表面性质大多比较活泼,容易在大气中发生氧化,目前关于这类材料的相关STM研究基本上都是在低温超高真空环境下进行的。我们通过在溶液中对该类层状样品进行解理,研究了TiSe2,TaS2和MoTe2三个典型的过渡族金属化合物(样品来自中科院强磁场中心孙玉平老师课题组),获得了高清晰的原子分辨率图像。我们展示了TiSe2材料表面独特的单原子缺陷和三角形缺陷结构,TaS2在室温下的近NC相电荷密度波结构以及MoTe2的超分子结构。扫描隧道显微镜(STM)能够对蛋白质分子实现单分子成像,但大部分图像是在空气或者真空条件下获得,不能够反映出蛋白质分子的真实结构。利用原子力显微镜和电化学扫描隧道显微镜在溶液中对蛋白质分子成像的相关研究有很多,但是由于蛋白质分子的表面结构在溶液环境下的不稳定性以及成像技术等限制,已报道的蛋白分子图像大都呈现球形或者椭球形的大致外形,而无法展示其亚分子结构细节,这极大限制了人们对蛋白在溶液状态下的结构的了解。NMR技术虽然能够对蛋白在溶液状态下的结构进行解析,但是对蛋白的大小有所要求,并且不能得到单分子成像。因此,实现蛋白质分子在溶液环境下的STM高分辨成像,解析蛋白质分子的真实内部结构依然面临非常大的挑战。我们为实现对蛋白质分子的高分辨成像,改进了探针针尖包封技术,控制溶液漏电流小于20pA.同时在传统恒高成像模式的基础上进行了改进—基于每行隧道电流平均值进行一次调整(取前一行的隧道电流平均值作为下一行扫描的电流值),既能够在一定程度上保证探针不破坏样品表面,同时也保证了成像速度。最后,利用该成像技术,与强磁场中心张欣课题组合作,实现了链霉亲和素,抗体和EGFR激酶区等不同大小和形状蛋白的单分子高分辨率成像,直接观测到三种蛋白质分子的细节结构。此外,EGFR激酶区分子的二聚结构以及分子间的动态过程也首次被直接观测到,上述工作已发表于Nano Research,2016 (IF=8.893, SCI一区),本人为第一作者。此外,我们通过给溶液环境下EGFR激酶区分子施加一个0.4T的静态稳磁场,研究了EGFR激酶区分子对静态磁场的响应。在外加磁场作用下,EGFR激酶区分子动能减弱,分子由运动状态变为静止,大连化物所的李国辉老师课题组通过分子动力学模拟验证并解释了这个结果。更重要的是EGFR激酶区分子的活性也受到了磁场的抑制,磁场强度越强,分子活性就越低。通过STM图像,我们得到了EGFR激酶区分子活性受到抑制的原因：磁场改变了EGFR激酶区分子(端带有电荷)的取向,阻止EGFR激酶区分子形成二聚体,而单个EGFR激酶区分子只有通过形成二聚体才具有活性,在我们得到的STM图像中表现为EGFR激酶区分子大多沿磁场方向排列,该部分已发表于Oncotarget,2016 (IF=5.008, SCI一区),本人为共同第一作者。小分子组装／解组装是自然界常见的一种现象,透过小分子组装／解组我们可以了解很多维持生命的深层机制。已报道的研究中,大多是先将小分子在溶液下完成自组装,然后吹干,最后在真空环境下去研究组装后的结构。在溶液环境下直接的去观测小分子的组装／解组装过程,还未曾报道过。我们首先利用扫描隧道显微镜在溶液环境下研究了自组装完成后的纳米纤维内部的静态分子排列结构,随后又研究了由磷酸激酶控制的小分子组装过程和由表皮因子受体激酶区控制的解组装过程,第一次直接观测到了上述酶控小分子组装／解组装的动态过程,证实了关于组装／解组装机理的正确性。此外纳米纤维的自我修复动态过程也第一次被直接观测到,该部分已发表于Nanoscale 2016 (IF=7.76, SCI一区),本人为共同第一作者。
【关键词】：溶液扫描隧道显微镜 溶液环境 过渡金属硫属化合物 蛋白分子 亚分子分辨率 静态磁场 组装/解组装
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH742;Q51
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第一章 扫描隧道显微镜简介13-41
• §1.1 引言13-14
• §1.2 扫描隧道显微镜14-33
• 1.2.1 量子隧穿效应14-16
• 1.2.2 成像模式16-17
• 1.2.3 粗步进马达17-22
• 1.2.4 扫描成像装置22-24
• 1.2.5 前置信号放大电路24-27
• 1.2.6 信号控制器27-28
• 1.2.7 隔音减震装置28
• 1.2.8 应用领域28-33
• 1.2.9 局限性33
• §1.3 原子力显微镜简介33-34
• 1.3.1 工作原理33-34
• 1.3.2 成像模式34
• §1.4 本章小结34-35
• 参考文献35-41
• 第二章 溶液扫描隧道显微镜研制及调试41-57
• §2.1 引言41
• §2.2 搭建溶液扫描隧道显微镜的考虑因素41-43
• 2.2.1 镜体结构稳定性41-42
• 2.2.2 漏电流42-43
• §2.3 溶液扫描隧道显微镜结构设计43-47
• 2.3.1 双堆栈马达43-44
• 2.3.2 独立扫描头44-45
• 2.3.3 镜体组装45-46
• 2.3.4 溶液样品池46-47
• §2.4 针尖制备与包封47-49
• 2.4.1 针尖制备47-48
• 2.4.2 针尖绝缘包封48-49
• §2.5 调试结果49-54
• 2.5.1 隧道电流谱49-51
• 2.5.2 石墨原子分辨率成像51
• 2.5.3 漂移速度测定51-53
• 2.5.4 石墨烯原子分辨率成像53-54
• §2.6 本章小结54-55
• 参考文献55-57
• 第三章 过渡族金属硫属化合物原子分辨率成像57-69
• §3.1 研究背景57-58
• §3.2 试验方法58-59
• 3.2.1 单晶样品生长58-59
• 3.2.2 溶液中单晶样品解理59
• §3.3 TiSe_2表面缺陷STM成像59-61
• §3.4 MoTe_2超结构STM成像61-62
• §3.5 TaS_2电荷密度波STM成像62-64
• §3.6 本章小结64-65
• 参考文献65-69
• 第四章 蛋白质亚分子特征STM成像69-89
• §4.1 研究背景69-71
• §4.2 适用于生物分子成像的Line-based恒高模式71
• §4.3 链霉亲和素和抗体亚分子特征STM成像71-73
• 4.3.1 链霉亲和素成像结果71-72
• 4.3.2 抗体成像结果72-73
• §4.4 表皮生长因子受体激酶区亚分子特征STM成像73-79
• 4.4.1 EGFR激酶区单分子成像73-74
• 4.4.2 EGFR激酶区分子取向成像74-75
• 4.4.3 EGFR激酶区二聚体结构成像75-76
• 4.4.4 EGFR激酶区分子间相互作用成像76
• 4.4.5 蛋白分子尺寸增大效应的解释76-77
• 4.4.6 EGFR激酶区分子的磁场效应77-79
• §4.5 质粒和双螺旋DNA高分辨STM成像79-81
• 4.5.1 质粒高分辨成像79-80
• 4.5.2 双螺旋DNA高分辨成像80-81
• §4.6 氨基酸小分子高分辨STM成像81-82
• §4.7 本章小结82-83
• 参考文献83-89
• 第五章 酶控小分子组装与解组装动态过程STM成像89-107
• §5.1 分子自组装简介89-90
• 5.1.1 自组装原理89
• 5.1.2 自组装的常用表征技术89-90
• 5.1.3 自组装的应用90
• §5.2 酶控小分子组装与解组装STM成像90-100
• 5.2.1 研究背景90-91
• 5.2.2 酶控小分子组装与解组装机理91
• 5.2.3 纳米纤维高分辨STM成像91-95
• 5.2.4 ALP控制的自组装动态过程STM成像95-96
• 5.2.5 EGFR激酶区控制的解组装动态过程STM成像96-99
• 5.2.6 纳米纤维自我修复动态过程STM成像99-100
• 5.2.7 实验存在的缺陷100
• §5.3 本章小结100-101
• 参考文献101-107
• 第六章 总结与展望107-109
• 致谢109-111
• 在读期间发表的论文及取得的研究成果111

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