1 3.051/BE.340 第 11 讲 水溶液中生物材料的性质 高真空技术是表征材料表面成份的重要方法，但它不能提供有关表面结构或水合条件下化学性质等方面 的信息。 用于表征水基表面的方法是有限的。下面列举三种常用的方法： 1． 水接触角的研究 - 表面重建（ a） - 水吸收性 (b) - 表面化学分析 增进 回退 液滴体积 增进 回退 液滴体积 Cassie’s 等式：用于确定组份 1 和组份 2 表面积的分数 （ f 1 +f 2 =1） 2 3.051/BE.340 2. 原位 椭圆对称法 - 膜的水化度 椭圆化角度Ψ和Δ ? 厚度（ d ? ）和折射率（ n ? ） (3 层模型) 式中 ? 水 和 ? 材料 是体积分数 水 水 材料 材料 3 3.051/BE.340 3. 原子力显微镜（或表面显微镜） ： 是一种能探测微小探针和表面分子间相互作用力的成像方法 位置敏 感性光 探测器 He-Ne 激光 原子硅，氮化 硅，碳探针 (镀铜的 )硅，氮化硅，氧化硅 悬臂； 弹性系数 k~0.1-1N/m 样品表面 压电传感器 扫描范围： 1× 1nm 2 至 250× 250um 2 z-轴测量范围： 8um 力范围： 10 -13 -10 -6 N 压控样品台 分子间位势曲线 短程： 离子 -离 子间斥力 产生的力： 长程（吸引力 )： 范德华力，氢键， 静电力，偶极 -偶极， ….. 4 3.051/BE.340 操作方式 1． 接触方式（短程） ? 通过光电二极管阵列测定微悬臂偏差 ? 恒力（通过光探测器压电反馈回路）作用下的探针间断性接触样品表面产生样品表面形貌图 ?类似与记录仪上的记录笔 ? 对硬样品适合； 软材料能产生阻尼 ! 作用力： nN x-y 分辨率： 1? z 分辨率： <1? 图 10 见 Jandt,Klaus D.“生物材料表界面的原子力显微镜” 表面科学 491（ 201） ： 303-323 氧化钛（金红石）膜表面的接触方式图像 ? 低分辨率时无对比—平坦表面 ? 高分辨率—平坦原子被显示 5 3.051/BE.340 2． “轻敲”模式 ? 探针在 z 轴上以高频（空气中 ~50-500kHz, 流体中 10kHz）振动与样品非连续接触 ? 消除了剪切力影响 ? 探针和样品之间的相互作用使得振幅衰减（受迫振幅 ~10nm） ? 反馈回路中为了保持平均作用力的悬臂偏转，与接触模式类似 摆动振幅衰减 ? “样品表面高低不平的高度”数据 ? 通常用于表面较软的样品，水溶液 x-y 分辨率： 1-2nm 吸附在云母表面的 N-三甲基赖氨酸内盐在 空气（左）和水（下图）中轻敲模式的图像 ? 十字形的分子图像 ? “臂”能弯曲和折叠 图 1 和图 6 摘自 C.H.Chen, D.O.Clegg 和 H.G.Hansma, 生物化学 37， 1998， 8262 6 3.051/BE.340 3．相位象（结合轻敲模式） ? z-轴方向探针的振动使得探针与样品表面间歇式接触 ? 相对于压电传感器传出的悬臂信号，即时测量放大了的衰减和相位滞后信号 振动振幅衰减 ?“高度”数据 振动相位变化 ?“弹性”图 硬表面 软表面 硬表面 驱动信号 相位数据 同相 异相 同相 聚苯乙烯和月桂醇异丁烯酸酯嵌段共聚物膜的 AFM 图 ←高度数据：聚合物液滴边缘测得膜厚度的变化 ←相位数据：软 PLMA 段（ Tg~-35℃）和硬 PS 段（ Tg~100 ℃）可被区别 图 6 摘自M.J.Fasolka et al.,《大分子》 33，2000，5702 7 3.051/BE.340 4．力调制模式 ? 探针在 z 轴方向以ω <ω o=(k/m)1/2(悬臂振动频率 )振动，形成与样品表面间歇式接触；ω ~3-12kHz. ? 探针和样品之间的相互作用导致了振幅衰减 ? 作用于样品上的作用力可调，给出相应的弹性信息 悬臂偏转的幅度 ?“弹性”图 硬表面 软表面 硬表面 驱动信号 力调制 5．非接触式AFM ? 探针与样品表面非接触情况下，悬臂在共振频率附近振动（长范围力在 U（r）曲线；r>0.6nm, 典型 F<1pN) ? 表面相互作用力的梯度变化可改变共振频率 dF/dz>0? 吸力 dF/dz<0? 斥力 ? 力梯度常被用来描绘次级相互作用力 （由于阻尼作用在流体中工作困难， 对于软样品效果较好） 分辨率： dF/dz～10μN/m (1nm 间隙为0.1pN) 8 3.051/BE.340 6. 力-距曲线 ? 当样品接近表面时，测得的力： ΔF=kΔZc (ΔZc=悬臂的偏差) D>10nm 疏水性相互作用，静电相互作用，聚合物“刷”层位排斥 D<nm 范德华吸力 ? 通过在探针表面涂覆受体，抗体，配体，胶粒和细胞等，可获得物质的 F（z） 胶体粒子之间相互作用力的原子力谱图 接枝的亲水链 （ EO） 22 “覆盖料” 纯斥力 注意：探针尺寸增大相当于 x-y 方向图像分辨率的降低 混合的接枝链 （ EO） 22 ? 覆料 C 16 H 37 ? 键合 斥力—吸力—斥力 - 转向接触 （ ⅰ ） - 进一步接近使悬臂弯曲（ ⅱ ） - 缩回时，探针由于粘性力“粘”连（ ⅲ ） 摘自 S.C.Olugebefola 等 《朗缪尔》 18， 2002， 1098 9 3.051/BE.340 ? 通过非线性模式，测量水合表面层的高度 样品高度差异：ΔZ s,j=Zs,j-1 悬臂偏转力的增加：ΔF≡kΔZc 样品变形量：ΔZs=kΔZc ΔF/ΔZs (nN/nm) (即时斜率 ) 0 水合层厚度 与硬材料完全接触 水合表面的变形 非探针 /表面相互作用 分离距离 10 3.051/BE.340 SFM/AFM 与生物材料的相关研究 ? 蛋白吸附 ? 细胞膜整合蛋白 ? 凝血形成的起始 ? 水合表面层 ? 化学图 ? 配体 -受体相互作用 ? 细胞粘附 ? 表面电荷图 ? 表面形貌 ? 表面弹性 ? 蛋白结构 参考文献 1.C.A.Siedlecki 和 R.E.Marvhang, “用于生物材料界面表征的 AFM”， 《生物材料》 19（ 1998） ， 441-454 2.K． D． Jandt, “原子力纤维镜用于生物材料表面和界面 ”， 《表面科学》 491（ 2001） ， 303-332 3.S． Kidoaki 和 T. Matsuda, “由原子力显微镜法探测到的蛋白 /材料相互作用之机械作用 ”， 《胶体表面》 B：生 物界面 23（ 2002） 153-163