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硕士论文 空气水界面蛋白质与s i o ：薄膜作用研究 摘要 纳米薄膜材料的制备是近年来研究的热点，在制备体系中，引入生物高分子具有十 分重要的意义。本文以正硅酸乙酯( t e o s ) 为前驱体，十六烷基三甲基溴化铵( c t a b ) 和 酪蛋白作为模板剂，制备空气水界面s i 0 2 无机纳米薄膜。采用x 射线衍射( x r d ) 、紫 外光谱( u v - v i s ) 、傅里叶变换红外光谱( f t - i r ) 、荧光光谱、表面张力、扫描电子显微镜 ( s e m ) 及透射电子显微镜( t e m ) 等一系列材料表征方法，对s i 0 2 薄膜样品及表面活性剂 与蛋白质的相互作用进行详细研究。主要研究内容如下： ( 1 ) 采用c t a b 和酪蛋白，在p h = 1 2 条件下自组装制备空气水界面s i 0 2 纳米薄膜， 结果显示：酪蛋白使s i 0 2 薄膜由单一的球状颗粒转化为球状棒状颗粒聚集体，并且颗 粒内部有序介孔的孔径减小。 ( 2 ) 在p h = 1 2 溶液中，通过u v - v i s 、荧光光谱等方法研究了酪蛋白溶液和c t a b 酪蛋白混合溶液的性质，结果表明：碱性溶液能够使酪蛋白二级结构发生变化，c t a b 与酪蛋白通过静电和疏水作用形成c t a b 酪蛋白复合物。在此基础上，推测出s i 0 2 薄 膜的形成机理，即c t a b 酪蛋白复合物作为模板，结合s i 0 2 0 h 。自组装形成了空气水界 面s i 0 2 纳米薄膜。另外酪蛋白在薄膜中还起到分散剂和稳定剂的作用。 ( 3 ) 研究了阴离子表面活性剂十二烷基磺酸钠( s d s ) 和其它两种蛋白质( 明胶和牛血 清蛋白) 对空气水界面s i 0 2 薄膜结构的作用。t e m 结果表明：s d s 制备s i 0 2 薄膜外观 及结构不如c t a b 制备的样品；明胶改性的s i 0 2 薄膜具有有序的层状结构。 ( 4 ) 将制备的空气水界面s i 0 2 薄膜进行热处理。x r d 、s e m 和t e m 观察发现： 薄膜经5 0 0 下煅烧2 h ，样品由球形颗粒组成，且颗粒内部存在孔状结构。最后，讨论 了s i 0 2 纳米薄膜和热处理后的薄膜样品对t i 0 2 光催化性能的影响。 关键词：自组装，空气水晃面，酪蛋白，s i 0 2 无机纳米薄膜 a b s t r a c t硕士论文 a b s t r a c t r e c e n t l y , t h ep r e p a r a t i o n so fl l a n o t h i nf i l m sh a v ei n c r e a s e dw i d e l yi n t e r e s t s i nt h e p r e p a r a t i o ns y s t e m ，t h ea d d i t i o no fb i o p o l y m e r si sv e r yp o p u l a r i nt h i sp a p e r , a i r - w a t e r i n t e r f a c i a ls i 0 2f i l m s 、机t hr e g u l a rn a n o s t r u c t u r e sh a v eb e e np r e p a r e db yc a t i o n i cs u r f a c t a n t c e t y lt r i m e t h y la m m o n i u mb r o m i d e ( c t a b ) ，c a s e i na n dt e t r a e t h y lo r t h o s i l i c a t e ( t e o s ) a s e r i e so fa n a l y t i c a lm e t h o d sh a v eb e e na p p l i e dt oc h a r a c t e r i z et h es e l f - a s s e m b l e df i l m sa n d a n a l y z et h ei n t e r a c t i o no fp r o t e i na n dc a t i o ns u r f a c t a n t , i n c l u d i n gx r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) ， u l t r a v i o l e tv i s i b l es p e c t r o s c o p yf u v - v i s ) ，f o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a r e ds p e c t r o s c o p y ( f t - m ) ， r a m a n s p e c t r a , f l u o r e s c e n c es p e c t r o g r a p h y , s u r f a c et e n s i o n ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) ，t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p e ( t e m ) a n d s oo n t h em a i nw o r ki ss u m m a r i z e di n t h ef o l l o w i n g ： ( 1 ) a i r - w a t e ri n t e r f a c i a ls i 0 2f i l m sw i mn a n o s t r u c t u r ea r ep r e p a r e d 诚t l lc a t i o n i c s u r f a c t a n tc t a ba n dc a s e i nu n d e rp h - - 1 2 r e s u l t ss h o wt h a tt h em o r p h o l o g yo fs i 0 2f i l m s t r a n s f e r r e df r o mt h es p h e r ep a r t i c l ei n t oab a l l - r o dm i x e da g g r e g a t i o ni nt h ep r e s e n c eo f c a s e i n 。a d d i t i o n a l l y , t h ed i a m e t e r so fo r d e r e dm e s o p o r e si n t h ef i l m sh a v eb e e nl i t t l e i n c r e a s e dc o m p a r e dt ot h ef i l m sw i t h o u tc a s e i n ( 2 ) a tp h = 1 2 ，t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nc a s e i na n dc t a ba n dt h ep r o p e r t i e so fc a s e i n s o l u t i o nh a v eb e e ni n v e s t i g a t e db yu v - v i s ，f l u o r e s c e n c es p e c t r o g r a p h y i nt h ep r e s e n c eo f a l k a l i n es o l u t i o n , t h es e c o n d a r ys t r u c t u r eo fc a s e i nw a sd i f f e r e n tf r o mt h a ti nn e u t r a ls o l u t i o n t h ec o m p l e xo fc a s e i n c t a bw a sf o r m e db ye l e c t r o s t a t i ci n t e r a c t i o na n dh y d r o p h o b i c i n t e r a c t i o n a c c o r d i n g l y , t h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo fs i 0 2f i l m sw a sp r o p o s e d t h i sl 【i n do f a i r - w a t e ri n t e r f a c i a ls i 0 2f i l m sw a sf o r m e db yt h ei n t e r a c t i o no fc a s e i n c t a ba n ds i 0 2 0 h 。 f u r t h e r m o r e ，c a s e i np l a y e dt h er o l e so fd i s p e r s a n ta n ds t a b i l i z e ri nt h es e l f - a s s e m b l e dp r o c e s s ( 3 ) s o m eo t h e rp r o t e i n s ( g e l a t i na n db o v i n es e r u ma l b u m i n ) a n da n i o ns u r f a c t a n t ( s o d i u md o d e c y ls u l f o n a t e ) h a v ea l s ob e e ne m p l o y e dt op r e p a r ea i r - w a t e ri n t e r f a c i a ls i 0 2 f i l m s b o t ho b t a i n e df i l m sd i s p l a yd i f f e r e n ts t r u c t u r e s t e mr e s u l t so fs i 0 2f i l m sa s s e m b l e d w i t hg e l a t i ns h o w e do r d e r e dl a m e l l a rs t r u c t u r e s ，w h i c hw e r em o r er e g u l a rt h a nt h es a m p l e s w i t hb o v i n es e r u ma l b u m i n t h em o r p h o l o g i e sa n ds t r u c t u r e so fs i 0 2f i l m st e m p l a t e db y c t a bs e e m e db e t t e rt h a nt h ep r o d u c t s 、析ms d s ( 4 ) a f t e rc a l c i n a t i o no fs i 0 2f i l m s ，t h ep r o d u c t s 诚t l lm e s o p o r o u ss t r u c t u r e ss h o w e d l l a n ob a l l l i k em o r p h o l o g i e s f i n a l l y , t h ek i n d so fs i 0 2f i l mb e f o r ea n da f t e rc a l c i n a t i o nh a v e b e e np u r p o s e l ya p p l i e da sc o c a t a l y s t si nt h ep h o t o c a t a l y t i cf i e l d k e yw o r d s ：s e l f - a s s e m b l e d ，a i r - w a t e ri n t e r f a c e ，c a s e i n ，s i 0 2i n o r g a n i cn a n o t h i nf i l m 声明尸i 刃 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生虢牛 译汨 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：牛 v 矽年月弓日 硕士论文空气水界面蛋白质与s i 0 2 薄膜作用研究 1 1 自组装 第一章绪论 早在几百万年以前，大自然界就已经形成了结构高度有序的无机有机层状复合材 料，如哺乳动物的牙床、骨骼以及软体动物的壳等等，尤其是贝壳中的珍珠层具有杰出 的力学性能而备受人们关注l l j 。直至u 1 9 4 6 年，z i s m a n 2 发表了通过吸附( 自组装方法) 一种 表面活性剂，在清洁金属的表面制备单分子层膜，但是没有引起科学家们的注意。1 9 8 3 年，美国科学家n u z z o 和a l l a r a 指1 2 j ，可以通过从稀溶液中吸附二烷基的二硫化物在金 表面制备烷基硫化物自组装单层膜，从此开创了自组装发展的新纪元。自组装技术在最 近几十年得到了很大发展。 1 1 1 自组装技术 自组装归属于基于分子之间以非共价键弱作用力为主的超分子化学。有机分子及其 它结构单元在一定条件下自发地通过非共价键作用缔结成为具有确定结构的点、线、单 分子层、多层膜、囊泡、块、胶束、小棒和微管等各种形态功能体系的物理化学过程都 属于自组装技术。自组装技术是各种复杂生物结构形成的基础【3 】，如生物矿化( b i o m i n e r a l i z a t i o n ) 中无机相的成核和长大都是依靠生物所提供的自组装有机模板而不是外 力所控制的。对生物分子自组装体系的分析表明：自组装是由较弱的、可逆的非共价相 互作用所驱动的，如静电作用、疏水作用、兀吼相互作用、氢键作用、微相分离等，且 自组装体系结构的稳定性和完整性也是靠这些非共价键的相互作用来保持的。 自组装最显著的特点是：自组装过程一旦开始，会自动进行到某个预期的终点，离 子、分子等结构单元将自动排列成有序的图形，即使是形成复杂的功能体系也不需要借 助外力的作用。在自组装过程中，人的作用是可以设计产物并启动过程，但过程一旦开 始后，人就不再介入到过程当中了。自组装材料消除了因人为因素的介入可能产生的失 误和损耗，具有一般材料所不具备的稳定性，并随之产生特定的功能性质。 1 1 2 自组装基本原理 分子自组装的原理是利用分子与分子或分子中某一片段与另一片段之间的分子识 别，通过相互非共价键的作用形成具有特定排列顺序的分子聚合体1 4 j 。分子自发地通过 无数非共价键的弱相互作用力发生协同作用是发生自组装过程的关键。这里的“弱相互 作用力指的是氢键f 5 】、范德华力【6 ，7 1 、静电力【引、疏水作用力、阳离子万吸附作用、7 1 一万 堆积作用等。但是并不是所有分子都能够发生自组装过程，它的产生需要具备两个条件 9 1 ：自组装的动力以及导向作用。自组装的动力指分子间弱相互作用力的协同作用，它 为分子自组装提供能量；自组装的导向作用指的是分子在空间上的互补性，换句话说就 第一章绪论 硕士论文 是要使分子自组装发生就必须在空间的尺寸和方向上达到分子重排要求。 1 1 3 纳米自组装薄膜 生物矿化的重要特征之一就是由细胞分泌的自组装有机物对无机物的形成起到模 板作用，使无机物具有一定的形状、尺寸、取向和结构。自组装模拟生物矿化的过程： 先形成有机物自组装体，无机先驱物在自组装聚集体与溶液相的界面处发生化学反应，在 自组装体的模板作用下形成有机无机复合体。表面活性剂及嵌段共聚物在溶液中可以自 组装形成柱状、层状、球状、囊泡状等聚体形态，因此用作模板的有机物往往为两亲性物 质，也存在利用生物大分子和生物中的有机质作为模板的例子【l l 】。基于生物活性物质的 自组装过程本身就是一个生物矿化过程。t 锄e r l e r 【1 2 】等人对基于蛋白质自组装制备的仿 生多功能涂层进行了详细的评述，认为如果自组装形成的多肽分子层物质能够作为“分 子器”( m o l e c u l a rr e a c t o r ) ，那么将设计和形成一种新型的功能表面结构，为纳米技术、生 物技术的应用，包括化学和生物传感器、纳米生物工程、工程涂料，开辟了一条新的道 路。 自组装技术不仅可以用于纳米多孔材料、纳米线、纳米棒、纳米颗粒、纳米管【1 3 ，1 4 1 5 1 的合成，还可以用以制备纳米薄膜。自组装膜( s e l f - a s s e m b l e dm o n o l a y e r s ，s a m s ) t 1 6 】是 最近几十年来发展起来的一种新型超薄膜，通过在固体表面吸附一种物质形成的有序的 分子组装体系，然后通过自发的界面化学反应，当体系达到平衡时就产生了一个有序的 二维结构。白发形成二维自组装膜的驱动力包括固体表面原子与表面活性物质的活性基 团之间化学键作用的形成和分子之间的相互作用，这样形成的化学键可以是共价键或者 配位键，也可以是正负离子之间相互吸引的离子键，如图1 1 所示。 图1 1 自组装单分子膜示意图 自组装膜按其成膜机理的不同，可分为自组装单层膜和逐层自组装膜1 0 1 。另外，根 据膜层与层之间的作用方式的不同，自组装多层膜又分为两大类，即基于化学吸附的自 组装膜和交替沉积的自组装膜。基于化学吸附自组装膜技术制备的单层膜有序度高，化 2 硕士论文空气- 水界面蛋白质与s i 0 2 薄膜作用研究 学稳定性也较好；而交替沉积的自组装膜主要指的是带相反电荷基团的聚电解质之间层 与层组装而构筑起来的薄膜，这种膜能控制在分子级水平，是一种构筑复合有机超薄膜 的有效方法。 1 9 9 1 年，d e c h e r t r 7 】等提出了带有相反电荷的聚电解质在固液界面上通过静电作用 交替沉积形成多层膜技术。将一个离子化的带有正电荷的基片浸入聚阴离子溶液中，静 止一段时间后，该基片表面就会吸附一层阴离子，使得表面的电荷发生表面逆转带上负 电荷。取出基片冲洗干净，再将其浸入聚阳离子溶液中，通过正负离子之间的静电作用， 静置后表面吸附一层聚阳离子，使表面又带上正电荷。循环以上的过程可以得到有序的 纳米多层膜体系。m a u r i t z 1 8 j 等用p s 软嵌段p s 三嵌段共聚物( s p s 和s s e b s ) 和硅醇盐制备 溶胶，自组装形成一种有机无机层状膜。聚合物和s i 0 2 形成网状交联，该薄膜的机械和热 力学性能较好。 1 1 4 空气水界面氧化物薄膜的研究状况 根据形成的区位的不同，自组装薄膜可分成气固界面薄膜、固液界面薄膜、气 液界面薄膜；根据薄膜成分不同，气液界面薄膜又可分为气液有机薄膜和气液无机薄 膜。空气水界面薄膜的形成受薄膜和它的前驱体的水溶性、密度等多种因素制约，制 备的薄膜具有独特的特点。在过去己有的空气水界面薄膜研究文献报道中，有机薄膜 研究占多数【1 9 , 2 0 。最近几十年，关于空气水界面无机薄膜的报道也陆续出现，引起了人 们关注。空气水界面无机薄膜的制备手段可以分为两大类：一是采用被动方法【2 l 】在空 气水界面制备无机薄膜，如i m o r i g u c h i 等1 2 2 1 将钛酸丁酯铺洒至水面后，可看到在水面 有透明薄膜生成，该薄膜密度小于水且不溶于水，能够长时间漂浮在水面，经检测表明 透明薄膜是由t i 0 2 构成。这种看似简单的操作方法却证实了t i 0 2 薄膜在空气水界面 这一特殊区位形成的可能，同时也提供了一种新颖的制备空气水界面无机薄膜的方法。 二是利用原位自组装方法制备空气水界面无机薄膜。如m h e n d e r s o n 等田乃j 用十二烷基 磺酸钠( s d s ) 等表面活性剂作为模板在空气水界面组装出t i 0 2 薄膜。x i a o h e n gl i u 2 5 j 等 采用十二烷基磺酸钠( s d s ) 作模板在空气水界面组装出z r 0 2 薄膜。即将十二烷基磺酸钠 等表面活性剂与t i 0 2 、z r 0 2 的前驱体钛酸丁酯、锆酸丁酯在一定条件下混合实现 薄膜的制备。其机理为：每两个表面活性剂分子通过各自的烃基以范德华力相互结合， 这两个表面活性剂分子的阴离子基团分别与上下无机物层面通过较强的静电作用结合， 从而在空气水界面组装出层状无机物薄膜。无机薄膜( t i 0 2 ，z r 0 2 ) 的研究可为无机纳米 薄膜、新型催化材料、新型光电材料等的制备提供新的途径。 在薄膜的制备体系中加入高分子材料，通过高分子链与模板剂表面活性剂和无机物 前驱体的疏水、氢键、静电等作用分散稳定纳米粒子，已成为新的研究方向。m u l l e r l 2 6 等研究了明胶在空气水界面稳定十二烷基苯磺酸钠( d b s - n a ) 分子的问题，研究所使用 3 第一章绪论硕士论文 的重要手段包含了表面张力的测定。在p h = 4 0 低于明胶的等电点( p i = 5 0 ) ，明胶带正电 荷，空气水界面薄膜的表面张力均随着d b s - n a 浓度的增加而减弱，随后又进入一个相 对稳定的平台区，这是由于在平台区d b s n a 可与明胶肽链相互结合作用，形成d b s n a 明胶聚集体；而当p h = 6 5 时，此时明胶肽链带负电荷，导致明胶肽链始终无法与阴离 子表面活性剂结合，故表面张力曲线一直随着d b s - n a 浓度的增加而下降。 1 2 蛋白质 生命科学是从现象到本质研究生命的科学。当今生命科学己发展到了分子水平，而 且正方兴未艾。生命的化学是利用化学的理论和方法对生物体系的组成以及这些物质在 生命过程中的化学变化、能量变化和相互作用情况的进行研究的科学。蛋白质是一类重 要的生物活性高分子，正是生命科学的研究的重要对象。 1 2 1 蛋白质的性质 蛋白质是荷兰科学家格里特在1 8 3 8 年发现的。蛋白质是细胞的重要成分，生命的 物质基础，没有蛋白质就没有生命，它是与生命及与各种形式的生命活动紧密联系在一 起的物质。蛋白质在生物体内的存在形式和作用是多样化的，例如构成生物体的结构物 质( 如肌肉的蛋白质) 、调节生理功能的激素、运输氧和二氧化碳以及传递铁离子的载体 ( 如血红蛋白和铁载体蛋白) 、促进体内化学反应的生物催化剂( 称酶) 、抵抗病菌的抗体 等，它们的本质都是蛋白质。换句话说，生命是蛋白质的存在形式，人类的生存离不开 蛋白质。蛋白质是由c 、h 、o 、n 组成，一般蛋白质可能还会含有p 、s 、f e 、z n 、c u 、 b 、m n 等。它是由一条或多条多肽链组成的生物大分子，其基本结构单元是氨基酸【2 7 1 ， 每一条多肽链有二十至数百个氨基酸残基不等；氨基酸以肽键相互连接，形成肽链。由 于氨基酸分子数目、排列次序以及肽链数目和空间结构的不同，形成的蛋白质的性质也 就不同。蛋白质的分类方法有很多，依溶解性可分为水溶性、盐溶性、酸和碱溶性、醇 溶性蛋白和硬蛋白；依分子形态可分为球状蛋白和纤维状蛋白；依化学组成可分为单一 蛋白和结合蛋白；依生物功能又可将其分为活性和非活性蛋白质。 蛋白质具有十分复杂的结构，这种复杂性与生物分子结构的有序性高度统一，此特 征集中反映在蛋白质分子的结构具有丰富的层次。1 9 5 2 年林诺斯特伦一洲2 8 】首次提出 使用一、二、三级结构的名称来粗略划分蛋白质分子的化学和空间结构，后来在三级结 构以上又发展了四级结构。如图1 2 所示。 一级结构( p r i m a r ys t r u c t u r e ) ：是指多肽链上氨基酸残基的排列顺序，是蛋白质最基 本的结构。蛋白质的一级结构是一个无空间概念的一维结构，其中二硫键的定位也是一 级结构的重要内容；二级结构( s e c o n d a r ys t r u c t u r e ) ：是指多肽链借助氢键沿一维方向排 列成具有周期性结构的单元构象，是多肽链局部的空间结构，主要有a 螺旋( a h e l i x ) 、 4 碗i 论文卒气- 水界面盘白质bs ，仉薄膜作用目f 究 口折叠( 1 3 一s h e e 0 、b - 转角( p t m ) 和无规则卷曲几种结构形式。它们是完整肽链的结构单 元：三级结构( t e r t i a r ys t u c t u r e ) ：主要针对球状蛋白质而言的，它是指整条多肽链由二级 结构单元构建成的总三维结构，包括一级结构中距离较远的肽段之间的几何相互关系， 骨架和侧链在内的所有原子的空间排列。蛋白质特定的空间构象由离子键、氢键、偶极 与偶极间的相互作用、疏水作用等作用力维持，其中疏水作用是主要的作用力；四级结 构( q u a t e r n a r ys t r u c t u r e ) ：是指亚基和亚基之间通过疏水作用等次级键结合成为有序排列 的特定空间结构。它被看作是由蛋白质一级、二级和三级结构的延伸，主要包括亚基种 类和数目以及各亚基或原聚体在整个分子的空间排布，涉及亚基间的接触位点和作用 力。 蛋白质一级结构 蛋白囊二缀结构 爨螓 日虽】堇：强 曰回了丑盈 图12 蛋白质的结构图 1 2 2 蛋白质与表面活性剂作用 聚合物形成胶束的形态主要由疏水链段的构象、亲水链段之自j 的相互作用以及疏水 链段与溶剂之间的界面能三种作用力决定。因此，加入的表面活性剂的结构、溶剂p h 值、盐的种类等会在分子水平上改变聚合物链之间以及聚台物与溶剂之间的相互作用， 从而导致聚合物的形状、结构、表面能、界面行为等性质均将发生变化。蛋白质为一类 天然的两亲嵌段型聚合物。 蛋白质与表面活性剂混合体系在食品、制药、化工、化妆品和洗涤剂等领域具有广 泛而重要的应用。蛋白质与表面活性剂之间相互作用会显著影响产品的质量。因而长期 以来有关方面的研究一直是人们感兴趣的课题。 5 第一章绪论 硕士论文 蛋白质实质上也是一类带有疏水基的两性聚电解质，因此蛋白质与表面活性剂混合 体系实际上属于表面活性剂聚合物体系的一种。但是蛋白质又是一类具有特殊结构的 两性聚电解质，存在等电点，随着溶液p h 的不同，分子的带荷电性质发生很大变化； 尤其是蛋白质具有二级和三级结构，明显不同于其它类型的聚电解质。因此，蛋白质与 表面活性剂的相互作用又具有许多独特之处，而且更为复杂。这种复杂的相互作用能导 致蛋白质的构象发生变化，甚至导致蛋白质变性。 蛋白质和表面活性剂相互作用的研究主要集中在两个方面【2 9 3 0 3 1 1 ：一是探讨蛋白质 和表面活性剂相互作用的影响因素及结合等温线的特性【3 2 ，3 3 1 ；二是探讨蛋白质作用的变 化和两者相互作用的机理，以及这些变化对蛋白质结构和功能的影1 响 3 4 , 3 5 j 。 文献报道采用表面张力 3 6 1 、渗析平衡【3 7 】、光散射3 蜘、紫外光谱p 川等实验方法研究表 面活性剂蛋白质体系，提出了蛋白质和表面活性剂相互作用的疏水和电荷两种模式， 以及珍珠项链状、类棒状、弹性螺旋、无规线团等几种表面活性剂，蛋白质复合体。图1 3 蛋白质表面活性剂复合物结构示意图。 ( 1 ) 项链模型( n e c k l a c em o d e l ) ：尽o 胶团状聚集体沿蛋白质或聚合物链排列形成类似项链 状的结构，如图( a ) 。 ( 2 ) 棒状模型( r e d 1 i k em o d e l ) ：其最简单的形式是扁长椭圆体，如图( b ) 。其短轴基本是 常数，而长轴与蛋白质的分子量成比例。 ( 3 ) 柔性螺旋模型( f l e x i b l eh e l i xm o d e l ) ：即蛋白质链的亲水片基成螺旋状缠绕在柔性封 端柱状胶团周围，如图( c ) 。 ( 4 ) 无规线团模型( r a n d o ml o o pm o d e l ) ：柔性的蛋白质在溶液中呈现无规线团结构，表 面活性剂胶束包裹在蛋白质内部，如图( d ) 。 6 ( a ) ( c ) b ) ( d ) 图1 3 蛋白质与表面活性剂复合物结构示意图 硕士论文 空气一水界面蛋白质与s i 0 2 薄膜作用研究 蛋白质与表面活性剂的相互作用能够显著改变界面吸附层的性质，从而对乳状液及 泡沫等分散体系的稳定性产生重要影响。因此，蛋白质与表面活性剂在界面吸附的研究 也一直受到人们的重视。l e a v e r 等【4 0 】采用磺化聚苯乙烯乳胶膜作为表面层，运用l b 膜 技术测定了t w e e n 2 0 对酪蛋白的置换量及置换过程中吸附层的水化厚度。研究表明， 随着t w e e n 2 0 质量分数的增加，蛋白质被置换下来，吸附层的水化厚度降低，t w e e n - 2 0 的加入降低了以蛋白质为乳化剂的乳液的稳定性。g r e e n 等【4 l j 采用中子衍射法和表面张 力法研究了溶菌酶和c 1 2 e 5 在气液界面上的聚集行为。考察了溶菌酶浓度分别为0 0 1 、 l 和4 9 l d 时表面张力的变化规律。当加入的c 1 2 e 5 浓度较低时，溶液的表面张力变化很 小；继续增大表面活性剂的浓度，表面张力逐渐接近于相应的c 1 2 e s 纯溶液的值。由此 推断出，c 1 2 e 5 置换界面上的溶菌酶是一个渐进的过程，并且竞争吸附起了主导作用。 中子衍射结果表明，c 1 2 e 5 浓度较低时，界面主要由溶菌酶占据；当c 1 2 e 5 浓度适中时， 界面层既含有溶菌酶，同时又含有c 1 2 e 5 ；继续增大c 1 2 e 5 浓度，吸附在界面上的溶菌酶 被c 1 2 e 5 完全置换。该结果与表面张力测量、结构分析推断出的结果相一致。 1 2 3 蛋白质与s i 0 2 的相互作用 蛋白质和s i 0 2 分子及前驱体之间相互作用的研究已经有5 0 年历史。如今，纳米材 料研究热的兴起又赋予这项研究以新活力。例如，h o l t 等人 4 2 , 4 3 , 4 4 研究了正铁血红蛋白、 胰岛素酶、白蛋白、白明胶和胶原质与硅酸s i ( o h ) 4 溶液的相互作用。c o r a d i n 等人【4 5 j 研究了溶菌酶和牛血清白蛋白( b s 舢与稀的硅酸钠溶液在p h 为4 7 和7 2 的相互作用。 在中性p h 值下，溶霉菌使混入蛋白质的硅沉淀；在酸性p h 下得到一个复合的b s a 硅凝胶。用硅酸钼比色法检测与蛋白质作用的硅物种的性质；讨论了p h 值的影响，也 包括有机和无机复合物电荷的变化；用热重分析、核磁自旋n m r 、电子显微镜和孔度 测量确定蛋白质硅相互作用机制；b s a 硅酸相互作用引发的蛋白质聚集能够控制硅颗 粒的大小。 d l u m p t l l y 【4 6 】等人研究了聚赖氨酸和聚精氨酸在硅酸溶液和硅凝胶中的影响。聚电解 质可引导稀硅酸钠溶液的凝胶化；硅酸钼比色法表明聚合物通过静电作用表现为硅寡聚 体的凝胶剂，带正电的肽和带负电的硅物种之间的静电作用导致硅的形成，尤其是聚赖 氨酸，n i t ，+ 基团能够使带负电的硅寡聚体靠得足够近以使缩合反应发生，这一过程高 度依赖于聚合物链的长度h 7 j ；硅溶胶时，准弹性光散射表明颗粒首先被吸附在聚合物链 上形成聚合体，加入多肽后絮凝。 h e n d e r s o n 等人【4 8 】用x r a y 和中子衍射研究了p 酪蛋白硅薄膜的结构。结果表明： p h 值为2 3 时，一个分散的蛋白质表现为与单层分子行为的性质类似，和硅酸界面下 相没有明显相互作用；p h 值为5 7 时，分散在界面下边的薄膜对薄膜结构上有强烈的 影响。在这个p h 值下薄膜界面包括三个区域：第一区域为覆盖在硅材料上面的蛋白质 7 第一章绪论 硕士论文 分子层；第二区域为硅材料层：第三区域为伸展到界面下边的扩散层。 1 2 4 蛋白质在自组装氧化物薄膜中的应用 天然高分子材料由于性能稳定、无毒、应用安全、生物相容性好及成膜或成球性好、 价格低廉等优点，日益受到人们的关注。在不同的物理和化学条件下，天然的两亲嵌段 型蛋白分子的结构、形态及聚集行为将发生特异的变化。近年来，由于越来越多的纳米 材料在生物、医学领域里得到重要应用，所以将天然两亲嵌段型共聚物大分子应用于无 机纳米材料的绿色合成中更加日益受到重视 4 9 , 5 0 , 5 1 】。本文主要研究蛋白质在无机纳米薄 膜材料中的应用。 【5 2 l 等人就报道了基于生物蛋白体自组装制备的有机无机层状复合材料用于生 物传感器的研究。将一定量的碳纳米管加入到脱乙酰几丁质s i 0 2 溶胶中，制备出有柳 无机复合材料，该复合材料能够用作电流式胆固醇生物传感器。k a k i z a w a 5 3 】等通过聚乙 二醇b 聚天冬氨酸和磷酸钙自组装，合成出有机无机层状复合材料，该复合物能够应 用于诱陷少氧核苷( o d n ) 或者s i d n a ，具有很好的吞噬和装载能力。c h a t 5 4 l 等则是利用 半胱氨酸赖氨酸嵌段共聚缩氨酸模仿硅酸盐的生长过程，发现一种蛋白质对s i 0 2 的生 长起到模板作用。 1 2 5 酪蛋白 本文主要研究酪蛋白在s i 0 2 无机纳米薄膜材料制备中的应用，所以下面主要介绍 下酪蛋白的成分及性质。 酪蛋白( c a s e i n ) 又称干酪素，干燥的酪蛋白是一种无味、白色或淡黄色的无定型的粉 末。酪蛋白为非结晶、非吸潮性物质，常温下在水中可溶解0 8 1 2 ，微溶于2 5 水 和有机溶剂，溶于稀碱和浓酸中，能吸收水分，当浸入水中时，酪蛋白迅速膨胀。研究 表明【5 5 1 ：酪蛋白主要有四种类型：0 l s 酪蛋白、p 酪蛋白、厂酪蛋白、r 酪蛋白，其比例 约为3 ：0 8 ：3 ：1 。4 种组分富含影响0 【螺旋和b 折叠的残基，肽链总体呈伸展状。 c i s 酪蛋白f 1 1 9 9 个氨基酸组成【5 6 1 ，磷酸化的残基区集中分布于4 0 - 8 0 位，富含酸性氨 基酸，这一区域定为亲水区。其余部分为疏水区，即1 - - 4 0 和8 1 1 9 9 。整体来看，魄一酪蛋 白具有一个亲水头部和两个疏水尾部，但疏水部分比例远大于亲水区；d 酪蛋白由2 0 9 个氨基酸组成，含有一个亲水头部和一个疏水尾部，疏水部分比例很大。 7 酪蛋白是蛋白酶对p 酪蛋白的部分降解产生的，所以弘酪蛋白在某些性能上与p 酪蛋白相似。茁酪蛋白有两个遗传变异体a 和b 。r 酪蛋白b 有1 6 9 个氨基酸残基，分子 中只有一个磷酸酯键，对钙离子不敏感，因此在钙离子存在时，可以和对钙离子敏感的 a s 酪蛋白和p 酪蛋白形成热力学上稳定的微粒。 w a u g h t 了7 j 和n o b e l 在1 9 6 5 年提出了第一个酪蛋白结构模型。由于a 。酪蛋白和肛 酪蛋白二者的疏水部分占的高比例，疏水区发生疏水作用，加上二者的亲水部分因带同 r 硕士论文 空气水界面蛋白质与s i 0 2 薄膜作用研究 种电荷产生排斥作用形成外侧分散排列，导致形成的复合体核心仍然是一个强疏水中 心，而这一复合体构成酪蛋白聚集体的“核 ，茁酪蛋白构成外表面即“套”，是一种放 射状聚合体，各个体分子之间通过疏水基团和磷酸钙盐作用，形成了酪蛋白聚合物，这 一复杂的分子结构被称为酪蛋白的胶束结构( c a s e i nm i c e l l e s ) ，如图1 4 所示。 0 一 q 一酪蛋白或 p 一酪蛋白 l 磷酸钙盐 酪蛋白胶柬结构 图1 4w a u g h 的酪蛋白胶束模型 1 3 本文研究目的及主要工作 体 1 3 1 研究目的 多年来对蛋白质的组成、结构及其与小分子相互作用的研究，以及对生命现象的进 一步探索，一直是科学工作者倍感兴趣的研究课题。蛋白质可以与许多小分子配体相结 合，这些配体可以是金属离子【5 8 , 5 9 , 6 0 1 、染料探针【6 l 】、也可以是药物 6 2 , 6 3 】、胆红素 6 4 1 、还 可以是表面活性剂等两亲分子【6 5 , 6 6 , 6 7 。蛋白质与表面活性剂的混合可能产生许多新的应 用性质。表面活性剂可能使蛋白质的构象发生变化，更为重要的是，蛋白质的存在显著 地影响表面活性剂溶液的物理化学性质，使溶液的表面张力、临界胶束浓度、聚集数等 参数及溶液流变性、体系的稳定性、界面吸附行为等均发生重大变化。它们的结构复杂 复配体系还被用于模拟生物酶催化体系，对加快生物技术向化工、医药等传统领域的渗 透和应用具有重要的意义。 本文主要研究了酪蛋白与十六烷基三甲基溴化铵( c t a a ) 、硅离子通过自组装方式， 在空气水界面形成s i 0 2 纳米薄膜，采用x 射线衍射( x r d ) 、紫外光谱( u v - v i s ) 、傅里叶 9 第一章绪论硕士论文 变换红外光谱( f t - i r ) 、荧光光谱、拉曼光谱、表面张力、透射电子显微镜( t e m ) 及扫描 电子显微镜( s e m ) 初步探讨酪蛋白这种两亲嵌段共聚物在自组装薄膜中的作用。这种自 组装制备方法成功地将生物活性分子引入到纳米无机s i 0 2 薄膜中，对于制备其它功能 金属氧化物纳米生物材料具有十分重要的意义。 1 3 2 主要工作 ( 1 ) 将正硅酸乙酯、酪蛋白与c t a b 的水溶液混合，通过调控各反应物的浓度、反 应温度、反应时间和体系p h 值等，制备较高品质的空气水界面s i 0 2 薄膜。 ( 2 ) 将制备出的薄膜取出放置于基片上，对薄膜进行一系列的处理实验。应用x r d 、 u v - v i s 、f t - i r 、s e m 、t e m 、荧光光谱等分析测试技术对各类产物进行表征。 ( 3 ) 应用荧光光谱、表面张力等方法讨论碱性条件下( p h = 1 2 ) 聚集行为，分析c t a b 对酪蛋白分子聚集态结构的影响和作用机理，了解聚集态结构的调控本质；研究s i 0 2 薄膜中酪蛋白的光谱学性质变化，讨论酪蛋白对空气水界面薄膜结构的影响，推测蛋 白质对“自下而上自组装形成空气水界面s i 0 2 薄膜的作用机理模型。 ( 4 ) 探讨不同蛋白质和阴离子表面活性剂对自组装制备空气水界面s i 0 2 薄膜结构 的影响，初步分析蛋白质天然结构对形成薄膜结构的影响。 ( 5 ) 采用x r d 、s e m 及t e m 研究经热处理的s i 0 2 薄膜结构的变化，初步探讨热处 理前后的s i 0 2 薄膜作为助催化剂及对t i 0 2 光催化性能的影响。 l o 硕士论文空气水界面蛋白质与s i 0 2 薄膜作用研究 第二章空气水界面s i 0 2 纳米薄膜的制备及表征 2 1 实验概况 2 1 1 实验试剂 表2 1 主要化学试剂 2 1 2 主要仪器设备 在实验中，有关薄膜物相结构，表面形貌及各成分间相互作用，通过不同的检测仪 器进行了分析。每项仪器具体测量原理和内容如下： 表2 2 主要仪器设备 2 1 3j e m 2 1 0 0 型透射电子显微镜( t e m ) 第二章空气- 水界面s i 0 2 纳米薄膜的制备及表征 硕士论文 透射电子显微镜( t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p e ，t e m ) 是电子束固定地照射在样 品中很小的一个区域上穿过样品，并在这一过程中与样品中的原子点阵发生相互作用， 从而产生各种形式的有关薄膜结构和成分的信息。实验中使用的是日本电子公司j e m 2 1 0 0 型透射电子显微镜设备，加速电压2 0 0 k v 。图像使用g a t a n7 9 4c c d 电子摄像机记录。 样品制备条件为：将常温干燥的样品分散于5 0 的乙醇中( 部分实验是将新鲜的薄膜从溶 液表面直接取出，浸泡在去离子水中) ，经超声波分散8 - - - 1 0 m i n 后，静置5 1 0 m i n ，取 上层清液滴到覆盖有碳膜的铜网上，晾干后进行分析。 2 1 4 紫外可见分光光度计( u v - v i s ) 紫外可见分光光度( u l t r a v i o l e tv i s i b l es p e c t r o p h o t o m e t e r , u v _ v i s ) 测试是在北京瑞利 分析仪器公司的u v - 1 2 0 1 紫外何见分光光度计上进行的，参比设置为单次扫描，光谱带 宽为2 n m ，取样间隔0 5 n m ，扫描波长范围1 9 0 - - - 8 0 0 n m 。 2 1 5x 射线衍射( x r 0 1 在本论文中，样品干燥后在b r u k e rd 8x 射线衍射仪上测试。探测器采用c uk a 发射源，名为0 1 5 1 4 n m ，扫描电压4 0 k v ，电流4 0 m a ，扫描速度0 0 5 0 s ，步长0 3 s s t e p ， 扫描范围2 1 0 - 8 0 。 x 射线衍射( x r a yd i f f r a c t i o n ，x r d ) 分析是研究晶体结构的一种重要方法，最直接的 理论依据是布拉格方程，即： 2 d s i n 口= n 2 它是一种应用起来很方便的衍射几何规律表达式，式中，0 为入射线与样品的夹角， 也称布拉格角；五为波长；刀为衍射级数；d 为垂直于相邻平行晶面的面间距，但随着 微纳米