3.051/BE340 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 增进 表面重建(a) 水吸收性(b) 表面化学分析 回退 液滴体积 增进 回退 cos0=f, cos0,+2 cos0 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
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 （f1+f2=1）
3.051/BE.340 2.原位椭圆对称法 膜的水化度 椭圆化角度屮和Δ→厚度(d)和折射率(n)(3层模型) n water n 水水 材料材料 式中f水和∫材料是体积分数
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 ƒ）和折射率（n ƒ）(3 层模型) 式中 ƒ 水和 ƒ 材料是体积分数 水 水 材料 材料
3.051/BE340 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 He-Ne激光 镀铜的)硅,氮化硅,氧化硅 位置敏 感性光 悬臂:弹性系数k0.1-1N/m 探测器 原子硅,氮化 硅,碳探针 压电传感器 扫描范围:1×1m2至250×250um2 压控样品台 轴测量范围:8um 力范围:1013-10N 分子间位势曲线 U(r 短程:离子离 子间斥力 生的力 △U 长程(吸引力):范德华力,氢键 静电力,偶极-偶极
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：1×1nm2 至 250×250um2 z-轴测量范围：8um 力范围：10-13-10-6N 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，…
3.051/BE.340 操作方式 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;教材料能产生阻尼 作用力:nN x-y分辨率:1A z分辨率:<1A 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 低分辨率时无对比一平坦表面 高分辨率一平坦原子被显示
4 3.051/BE.340 操作方式 1． 接触方式（短程） ¾ 通过光电二极管阵列测定微悬臂偏差 ¾ 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 ¾ 对硬样品适合； 软材料能产生阻尼! 作用力：nN x-y 分辨率：1Å z 分辨率：<1Å 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 ¾ 低分辨率时无对比—平坦表面 ¾ 高分辨率—平坦原子被显示
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l0kHz)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:1-2mm 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 CH Chen,D. 0. Clegg和 H. GHansma,生物化学37,1998,8262
5 3.051/BE.340 2．“轻敲”模式 ¾ 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 ¾ 探针和样品之间的相互作用使得振幅衰减（受迫振幅~10nm） ¾ 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 ¾ 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 ¾ 十字形的分子图像 ¾ “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
3.051/BE340 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 解动∧ 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
6 3.051/BE.340 3．相位象（结合轻敲模式） ¾ z-轴方向探针的振动使得探针与样品表面间歇式接触 ¾ 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
3.051/BE.340 4.力调制模式 探针在z轴方向以ω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 F dF/dz>0→吸力 dz2kF/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~10uN/m (1m间隙为0.1pN
7 3.051/BE.340 4．力调制模式 ¾ 探针在 z 轴方向以ω0.6nm, 典型 F0⇒ 吸力 dF/dz<0⇒ 斥力 ¾ 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)
3.051/BE.340 6.力-距曲线 当样品接近表面时,测得的力:△F=k△Z (△Zc=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 DkD 转向接触 进一步接近使悬臂弯曲(ⅱ) 缩回时,探针由于粘性力“粘”连(i) 摘自 S C. Olugebefola等《朗缪尔》18,2002,1098
8 3.051/BE.340 6. 力-距曲线 ¾ 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 ¾ 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 C16H37 ⇒ 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
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:△Z.=Z,1 悬臂偏转力的增加:△F≡kΔZ 样品变形量:△Zs=k△Zc 与硬材料完全接触 F(nN) △F≡kAz=kAz3 △zs 水合表面的变形 AF≡kAc≠kAz 非探针/表面相互作用 △F≡kAe=0 ZZ0=分离距离國 △F/△Zs (nN/nm) (即时斜率) 水合层厚度
9 3.051/BE.340 ¾通过非线性模式，测量水合表面层的高度 样品高度差异：ΔZs,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
3.051/BE340 SEM/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 2K.D. Jandt,“原子力纤维镜用于生物材料表面和界面”,《表面利学》491(2001),303-332 3S. 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”,《体表面》B:生 物界面23(2002)153-163
10 3.051/BE.340 SFM/AFM 与生物材料的相关研究 ¾ 蛋白吸附 ¾ 细胞膜整合蛋白 ¾ 凝血形成的起始 ¾ 水合表面层 ¾ 化学图 ¾ 配体-受体相互作用 ¾ 细胞粘附 ¾ 表面电荷图 ¾ 表面形貌 ¾ 表面弹性 ¾ 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