大分子自組裝屬于超分子化學和高分子科學的交叉學科，是當今化學和材料 科學發展的前沿，也是孕育先進材料的搖籃。大分子自組裝形成的高分子、超分 子體系開辟了材料科學的一個新的領域，納米管、納米線、功能化納米、液晶、 功能化納米薄膜、三位骨架等等都可以通過自組裝的過程來制備。在生物學上， 蛋白質的形成，細胞的生成與演化、DNA分子間的信號存儲和傳遞都是通過分子 自組裝來實現的。如今分子自組裝已經成為介于物理學、化學、生物學、材料科 學、制造、納米科學等重要領域之間的重要的研宄方向，是近幾年來國際科學界 非常關注的一個前沿熱點[1-4]。

對自組裝體系的表征為進一步研宄自組裝行為提供了強有力的依據，如今已 經形成了一套表征方案：用紅外光譜和光電子譜在研宄分子自組裝的結構信息； 用X射線反射和圓二色性來研宄自組裝膜的厚度和粗糙度；用透射電子顯微鏡 (TEM)和掃描電子顯微鏡(SEM)來表征自組裝過程中形貌結構的變化：另外用 示差掃描熱法（DSC)、二次離子質譜等（SIMS)等，這些方面的儀器都是研宄 自組裝的重點。原子力顯微鏡（AFM)通過針尖與所觀察樣品中的原子逐個發生 作用，具有很高的分辨率，成為從分子級別上研宄分子自組裝體系一個有力的檢 測工具。

黃原膠分子的化學式為（C35H49O29) n，其結構組成為D-葡萄糖、D-甘乳 糖、D-葡萄糖醛酸、乙酸和丙酮酸組成的“五糖重復單元”結構聚合體，分子摩 爾比為2.8:3:1.7:0.51:0.63[5]，分子量為2X106-2X107D之間[6]。黃原膠分 子的一級結構是有0 -(1, 4)鍵連接的D -葡萄糖基主鏈與三糖單位的側鏈組成;其側 鏈由D -甘露糖和D-葡萄糖醛酸交替連接而成;三糖側鏈由在C- 6位置帶有乙酰基 的D-甘露糖以a-(1, 3)鏈與主鏈連接,在側鏈末端的D -甘露糖殘基上以縮醛的形 式帶有乙酮酸，其結構如圖3-1所示。黃原膠除擁有規則的一級結構外，還擁有

圖3-1黃原膠分子的結構式

Fig.3-1 Chemical structure of xanthan gum

二級結構，經X—射線衍射和電子顯微鏡測定，黃原膠分子間靠氫鍵作用而形成規 則的螺旋結構。雙螺旋結構之間依靠微弱的作用力而形成網狀立體結構，這是黃 原膠的三級結構，它在水溶液中以液晶形式存在[7]。

在生命科學領域內黃原膠有著廣泛的應用，由于黃原膠無毒、無害、適應性 較強，因此他在微膠囊藥物囊材中的具有很大的功能組分，如用作納米藥物載 體、進行藥物可控釋放等發揮著重要作用;由于黃原膠自身的保水性和較強的親水 性，使其在醫療操作方面有很多的應用，例如可以形成一個非常致密的水膜，從 而可以有效的避免外部細菌對皮膚的感染，減少病人在化療、放療后的口渴等； 李信、許雷等曾經報道，黃原膠本身對小鼠的體液的免疫功能具有明顯的增強作 用[8-10]。此外，在1985年日本曾經報道關于黃原膠作為一種食品添加劑材料 中，具有最有效的抗癌劑。

以上所列出的一些情況需要通過改變處理外部條件如濃度、溫度、超聲以及 PH值等對黃原膠溶液的性質進行控制與調節。因此從這些方面考慮來說，研宄 不同外部環境條件下對黃原膠分子的自組裝方式非常重要。

黃原膠特殊的結構特征還使其對熱、酸、堿和酶都具有十分良好的耐受能 力，這些性質都使得黃原膠成為十分良好的食品增稠劑和穩定劑，從而使黃原膠 成為應用領域廣、發展速度快且極富發展潛力的微生物多糖[11-14]。黃原膠已經被廣泛的用于食物增稠劑，它在很大的溫度范圍和PH值范圍內保持穩定。它也 常用于混凝土水下灌注中來增大混凝土的黏性，防止被水沖走。黃原膠的另外一 個引人注目的特性是在牙膏中的應用，實驗表明黃原膠能夠保護牙齒，降低酸性 物質等對牙齒的腐蝕，它能夠迅速在牙齒表面形成一層保護膜。

黃原膠的水溶液是呈多聚陰離子，并且構象是多樣的，只要取決于被表征的 條件（溶液的濃度，溫度、電解質、PH和離子強度）。黃原膠分子有時是有序的 螺旋結構（helix),有時是無序的無規則線團（random coil) [15-18]。X-衍射的研 宄認為黃原膠分子為五折的右手螺旋結構[19]，螺距為4.7nm,直徑為1.9nm.該螺旋 結構為單股、雙股或者多股的說法都有，不過到目前為止更多的人還是認為雙股 螺旋[20]。Kirby et al.用接觸模式下的原子力顯微鏡證明了黃原膠分子能夠在正辛 醇溶液中成像[21]，然后他們進一步研宄了黃原膠在任意的環境下（在溶液中、 空氣下和真空中等）用輕敲模式下成像[22], Capron et al.用接觸模式在丙醇二酸 中研宄了當加熱溫度超過分子從有序到無序的轉變溫度時[23]，本性有序的結構 會發生變形，同時分子量降低，分子量大約降低了一半，這就證明了本性有序形 成的雙螺旋結構，該螺旋通過非共價鍵(氫鍵、靜電和空間效應)來穩定。

Lindberg等人首先證明黃原膠分子一級結構為梳狀，分子量很大，是具有0(1-

4)連鍵的毗喃葡萄糖聚合物。相間的葡萄糖殘基的C-3上連有三糖側鏈，上有丙酮 酸及乙酸側基[24]。X-衍射的研宄認為黃原膠分子為五折的單螺旋結構[25]。粘度 測定[26],旋光光度法或圓二色性[27]及NMR[28]對其溶液的研宄認為黃原膠分子 存在一種熱誘導的由原始的棒狀向變性的屈曲狀結構的轉變.GHolzwarth等利用 透射電鏡通過對黃原膠變性與復性的研宄認為其原始結構為二股或三股的右手螺 旋,南開大學的王德潤等用電子顯微鏡研宄了黃原膠分子形貌結構[29]。

原子力顯微鏡（AFM)具有高分辨率、制樣簡單、不需要導電、可以對樣品 在任何環境（真空、大氣和溶液）下，都能對樣品成像。總體來講，目前國內對 黃原膠分子自組裝的報道很少，國外的研宄較多，但是都沒有利用原子力顯微鏡 對黃原膠分子自組裝的高分辨成像技術進行系統的研宄。因此本章節我們采用

AFM的高度成像功能，對不同濃度下的黃原膠分子的微觀形態和結構進行了考 察，探討了濃度的變化對黃原膠分子的微觀結構的影響規律，根據黃原膠分子在 固體表面進行自組裝的特性，研宄了外部條件如樣品的溫度、超聲處理以及樣品 溶液的PH值對黃原膠自組裝的影響。

3.2實驗部分 3.2.1試劑和儀器

黃原膠樣品購買于Sigma-Aldrich公司，不需要進一步處理，實驗室所用的 基片為新剝離的云母片，原子力顯微鏡（5500AFM，美國安捷倫Agilent),電子 天平（FA1004,上海恒平科學儀器有限公司），SZ-97系列自動三重純水蒸餾器 (上海亞榮生化儀器廠），飛鴿牌離心機（AK/QC-058,上海安亭科學儀器廠）， XK96-A/B型快速混勻器（姜堰市新康醫療器械有限公司），數顯恒溫磁力攪拌器 (85 —2,杭州雷磁分析儀器廠）。

3.2.2黃原膠溶液的樣品制備

黃原膠溶液的樣品制備過程如下幾個步驟：

(1)用電子天平稱取0.5g黃原膠粉末，并將其溶解在50mL的三次蒸餾水 中，在室溫下攪拌。制備成10g/L的黃原膠母溶液，儲存在4°C的冰箱中以后方 便使用。

(2)將10g/L的黃原膠母溶液從冰箱中取出，通過恒溫磁力攪拌器加熱到 90C大約30分鐘，加熱的過程中同時進行攪拌，目的是使溶液加熱均勻，隨后

冷卻都室溫。

(3)溶液然后放置在離心機上，離心速度為150000g大約2個小時，目的 是移除較大顆粒聚集物和一些氣泡，取中間液放在4C冰箱內進行保存一夜。

(4)取出1mL處理液，稀釋到9mL的三次蒸餾水中，這個過程連續重復三 次，最終0.1g/L, 0.01g/L,和0.001g/L的黃原膠溶液被制備出來。

(5)將10g/L的黃原膠母溶液從冰箱中取出，通過恒溫磁力攪拌器加熱到 60°C，加熱的過程中同時進行攪拌，目的是使溶液加熱均勻，然后分別在30分 鐘，4個小時，6個小時和9個小時取出樣品，隨后冷卻都室溫。

(6)將10g/L的黃原膠母溶液從冰箱中取出，通過恒溫磁力攪拌器加熱到 40C，加熱的過程中同時進行攪拌，目的是使溶液加熱均勻，然后分別在30分 鐘，4個小時，9個小時和24個小時取出樣品，隨后冷卻都室溫。

(7)將取出的在不同溫度不同時間下的溶液放置在離心機上，離心速度為 150000g大約2個小時，目的是移除較大顆粒聚集物和一些氣泡，取中間液放在 4C冰箱內進行保存一夜。

(8)將不同的溶液取出1mL處理液，稀釋到9mL的三次蒸餾水中，這個過 程連續重復二次，制備出0.01g/L的黃原膠溶液。由于在上一章中我們的實驗說 明了黃原膠溶液在0.01g/L能夠形成交織的網狀結構，所以我們以這個濃度下的 黃原膠溶液在研宄黃原膠分子的自組裝行為，在這一章中我們的溶液濃度都是在

0.01g/L下進行研宄的。

(9)取出退火溫度在40C下，退火時間為30分鐘的樣品進行進一步處理， 將該樣品分成相等的二份，放在超聲波中，分別在超聲5分鐘，30分鐘后將樣品 取出。超聲處理器為40kHz。

(10)取出退火溫度在90C下，退火時間為30分鐘的樣品進行進一步處理， 取出1mL處理液，然后加入等量的磷酸緩沖液（PBS，PH=5.29),用勻膠機搖勻 后，配制出低于0.01g/L的黃原膠溶液，儲存在4C冰箱內，以便研宄。

3.2.3 AFM樣品的制備

用微量取液器吸取2瓜的黃原膠溶液，滴于新解離的云母表面上，讓黃原膠 溶液在云母表面均勻展開，用濾紙將邊緣的多余的溶液吸去，然后用氮氣將云母 表面的溶液吹干或者將其在大氣下自然晾干，形成黃原膠吸附層。在晾干的過程 中，發現表面有較大顆粒（空氣中的塵埃），用三次蒸餾水小心清洗吸附層三 次。在干凈的空氣中干燥（我們實驗在超凈工作間進行操作），在無塵臺上使其 自然風干后或氮氣吹干后用于AFM觀察。大約經過30—60分鐘黃原膠分子就能 牢固的吸附在云母表面，AFM樣品的制備比較簡單，重復性較好。這樣黃原膠分 子的AFM樣子制備完成。

3.2.4AFM 實驗

本論文中所用的原子力顯微鏡為美國安捷倫（Agilent)公司生產的，型號為 5500AFM，我們的樣品為生物樣品，因此我們在實驗中一般常用輕巧模式下的原 子力顯微鏡（TM—AFM),掃描探針為美國vecco公司生產的，微懸臂為矩形， 長度為40nm,掃描針尖為商用錐形硅針尖。針尖的共振頻率范圍130—140kHz, 我們實驗中選取共振峰頂偏左的135.50kHz為輕巧模式下原子力顯微鏡的共振頻 率，輕巧成像模式采用高頻振動的探針掃描樣品，探針與樣品之間的每次接觸時 間極短，減少了針尖對樣品的橫向作用力，大大減少和避免掃描過程中樣品的飄 逸和損壞。

成像的過程中，原子力顯微鏡的圖像的的對比度主要是由于針尖與樣品之間 的作用力大小，作用力太小的話，圖像的對比度很差，不能得到清晰穩定的圖 像，然而圖像的作用力過大時，很容易對黃原膠分子造成損壞，經過多次實驗結 果分析可以得到，最佳的作用力大約在2—5nN量級以內。在實驗過程中為了減少 針尖對黃原膠分子的作用力過大而破壞樣品，在成像清晰的條件下調節setpoints 值將針尖與樣品表面的作用力調至最小。在實驗中，針尖的掃面速度與掃描范圍 是成線性關系，掃描范圍變大時，掃描速度就應該相應加大，我們可以獲得原子 力顯微鏡的最大掃描范圍為8000nmx8000nm，掃描速度為0.2?2 line/s。

在本部分中原子力顯微鏡圖像僅采集形貌圖像，圖像的分辨率為256 x 256像 素，所有圖像只經過自動平滑處理（FlattenAuto),以消除慢掃描方向上的低頻噪 音。圖像一般處理是原子力顯微鏡（5500 AFM，Americal Agilent Co.)自帶數 據處理軟件，我們還通過商業版處理原子力顯微鏡圖像軟件Scanning Probe Image Processor (SPIP™軟件(Image Metrology ApS,Version 4.2, Lyngby, Denmark)，由哈 弗大學董明東副教授提供。