黃原膠溶液的濃度對樣品在表面上成像影響扮演著重要的角色，在室溫條件 下，黃原膠溶液從濃度0.001g/L到0.1g/L很大范圍內被研宄。

圖3-2不同濃度下的黃原膠分子形貌圖

Fig.3-2. AFM topography images of xanthan gum at different concentrations

圖3-2中，呈現了不同濃度下的黃原膠分子形貌圖，形貌圖的尺寸大小都是 4000nmx4000nm，這三幅圖是黃原膠分子的水溶液，在退火溫度為90C，退火時 間是30分鐘。溶液的濃度分別為(a):0.1g/L, (b): 0.01g/L, (c)0.001g/L,這三幅圖就是

不同的溶液濃度對樣品在表面成像的影響，從形貌出向上我們可以看出：（a)聚集 大顆粒，（b)網狀結構，（c)單個纖維，這個趨勢是和溶液的濃度相一致。圖3.2 (a) 是濃度為:0.1g/L黃原膠分子的AFM圖像，從圖像中我們可以看到，黃原膠分子 將會聚集到一塊，形成了很多無序、分散、大小和高度不一的類似于球狀體的顆 粒分布在新解離的云母表面，有些可以呈現不規則的形狀。這是由于在這個濃度

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下黃原膠分子發生了聚集，并且形成了不同的聚集形態造成的。當濃度減少到

0.01 g/L時，如圖3.2 (b)黃原膠分在將會擴散，形成了相互纏繞的網狀結構。 隨著濃度的再次降低，相互纏繞的黃原膠分子將會被大量的水溶液分開，形成了 單個纖維，正如圖3.2 (c)所示。

表格1

用AFM截面分析軟件測量不同濃度下黃原膠分子的高度

Table 1

Molecular heights of different concentration xanthan gum molecules measured by AFM

Measured height /AMeasured height /A

0.01g/L0.001 g/L

Data10.854.57

10.854.85

11.135.42

11.135.71

11.425.99

11.425.99

12.276.28

12.566.85

12.846.85

13.707.14

13.997.14

Average/A12.016.07

Standard deviation1.130.89

在圖3-2 (b) (c)中，黃原膠分子的11個點被選取，他們的高度用AFM 自帶的截面分析軟件分析。表格1顯示了不同濃度下黃原膠分子的高度測量值， 當溶液濃度為0.01 g/L時，測量的平均高度是12.01A,高度的標準偏差是±1.13， 當溶液濃度為0.001 g/L時，測量的平均高度是6.07A,高度的標準偏差是±0.89。 Miles et.al.曾經報道用STM研宄了黃原膠分子的高度大約為1-1.5nm[17]，正如我 們表格1中一樣，在濃度為0.01 g/L時我們所測量的黃原膠分子的高度是1.2nm,

很好的與Miles et.al.曾經報道的相一致，但是當溶液稀釋到0.001 g/L時，測量的 平均高度為0.6nm,正好是濃度為0.01 g/L時我們所測量的黃原膠分子的高度的一 半，因此從表格1中，很好的說明了黃原膠分子在云母表面的自由伸展為雙鏈和 單鏈。

根據3.3.1部分的實驗數據分析，我們可以清晰的了解黃原膠分子在不同濃 度下分子的構型發生了很大的變化，這一節中，我們提出了黃原膠分子從網狀結 構到單個纖維形成過程的假設模型。

(a)(b)(c)

圖3-3從網狀結構到單個纖維過程的模型

Fig.3-3. Model for network to single fiber of xanthan gum molecular

黃原膠的水溶液中分子間的結合主要是通過氫鍵和陰離子等弱相互作用。正 如圖3-3 (a)所示，黃原膠分子的粘性主要是通過無規則的線圈相互纏繞而形成 的，很大程度上超過了側鏈中負電荷的相互排斥。因此當達到一定的濃度的時候 (0.01 gL) —個交織的網狀結構形成。除了黃原膠分子相互纏繞外，分子間主要 是通過螺旋棒狀結構中的分子間的氫鍵力。

當濃度變小達到0.001 g/L時，單個黃原膠分子的形貌結構被發現。由于大量 的水溶液，網狀結構被解體，黃原膠分子間的相互作用被分離，分子鏈也被分 開。正如圖3-2 (b)、（c)中用原子力顯微鏡所看到的一樣。

圖3-3是黃原膠分子從網狀結構到單個纖維形成過程的模型圖，在網狀結構 中，正如3-2 (b)中，我們用原子力顯微鏡測量到黃原膠分子相互交織的網狀結 構，當加入大量水溶液進行稀釋時，大量的水分子將施加給相互交織纏繞的黃原膠分子一個剪切力，這個力首先要打破無規則相互纏繞而形成的粘滯力，這個力 小于分子間的氫鍵力，因此我們認為首先發生圖3-2 (a)到（b)這個過程。一 旦剪切力被施加，溶液就具有了假塑性（在外力作用下，其粘度因剪切力速率的 增大而減少），分子鍵相互纏繞的粘滯力完全被打開，再加上黃原膠分子中側鏈 負電荷的相互排斥，更加劇了這個過程的發生，形成了雙螺旋結構，如圖3-3

(b)。隨著水溶液的稀釋，剪切力逐漸增大，在一定程度上會超過分子鍵氫鍵的 力，因此分子鍵的氫鍵會慢慢打開，最終形成分子單鏈纖維，正如3-2中（c)所 示，模型如3-3中（c)所示。

因此我們可以認為，通過觀察不同濃度下黃原膠分子的形成過程，可以間接 的了解到黃原膠分子的整個行程過程，不同濃度下的黃原膠分子的形貌圖像對應 著黃原膠分子行成過程的不同階段，上面的實驗結果很好的說明了這一點，這就 為研宄生物分子的形成過程提供了一個非常便捷的路徑。通過配比不同濃度下的 生物樣品，在空氣中即可以用AFM直接地觀察到生物分子的形成過程。

這一節中我們對黃原膠分子采取逐漸縮小掃面范圍的方法進行掃描成像，并 同時獲得了 8000nmx8000nm，5000nmx5000nm ，4000nmx4000nm ，

3000nmx3000nm，2000nmx2000nm，1000nmx1000nm 的表面形貌圖，用原子力 顯微鏡自帶的粗糙度統計軟件分析了不同掃描范圍下的AFM掃描圖的平均粗糙 度，平均粗糙度'表示的是掃描圖上的各點相對于中心平面的數學平均偏離，他

的定義公式是：

1 N-

Ra = —T Z, - Z

上式中，N表示的是掃描范圍內所采取的數據點的個數，之,表示的是某點的 高度值的大小，Z為中心平面的高度值的大小。

(a) 8mm x 8mm (b) 5mm x 5mm (c) 4mm x 4^m d) 3^m x 3mm (e)2mm x 2^m (f) l/mm x l/mm

Fig. 3-4 The topograph images in different scaning area of xanthan gum molecular with

AFM

圖3-4是用原子力顯微鏡測得的黃原膠分子在不同掃描范圍下的表面形貌 圖，從原子力顯微鏡掃描的表面形貌圖像來看，隨著掃描區域的逐漸縮小，形貌 圖像所反映的細節更加豐富，表面結構形態更加清晰，更加細微的細節都能掃描 出來。再一點，可以進行原位觀察，圖像逐漸縮小后，也可以逐漸變大，可以不 同時間，不同范圍隨時隨地進行觀察，在原位觀察的同時，可以對生物大分子進 行實時掃描，更能細致的描述生物大分子隨時的結構變化，對于研宄生物分子的 形成過程是一個很有力的說明工具。

圖3-5粗糙度統計軟件分析不同掃描范圍下的平均粗糙度，從粗糙度的統計 圖來看，隨著原子力顯微鏡掃描范圍的逐漸擴大，形貌圖像所反映的表面平均粗 糙度的數值變大，這與Bonssu等人的實驗所發現的隨著掃描范圍的逐漸增大， 表面平均粗糙度相應增大的實驗結論相一致。因此當我們在分析表面的粗糙度的 時候，選擇的圖像過小的時候，我們將會發現粗糙度與圖像很大的時候偏離過 大，因此我們在選取掃描范圍大小的時候，一定要適當，盡量是分析的結果與實 際值之間的偏差盡量減少。但是正如圖3-4所示，掃描范圍過大的時候，細節將 會看不到，分析不出來，掃描范圍過小是有會出現失真的情況，如圖3-4 (f)，因 此需要找一個合適的掃描范圍，便于我們分析。在本論文中，我們一般采取 4卿x 4卿的掃描范圍進行分析。