超分子化学（精选9篇）
超分子化学 篇1
超分子化学药物(Supramolecular chemistry)是一种依靠非共价相互作用力形成的拥有超分子结构的,具备安全性高、靶向作用强、生物利用度高、对人体的毒性反应小、组织相溶性好,生产成本低、疗效好等优势的新型药物。为了使药物相关产业对超分子化学药物(Supramolecular chemistry)有更清晰的认识,明确研究发展方向,对该种药物的最新进展进行研究讨论十分重要。
1 超分子化学药物(Supramolecular chemistry)的概念和优势
超分子化学药物的研究具有交叉性的特征,直到今天,超分子化学药物仍然没有明确的定义。根据医药化学领域对该药物的研究应用把超分子化学药物(Supramolecular chemistry)规定为:医药生产过程中根据超分子化学的原理使分子间通过弱作用力(氢键、范德华力和配位键)而形成拥有超分子结构的一种药物。
超分子化学药物(Supramolecular chemistry)因为其特殊的超分子结构,使得药物的水溶性得以提高,药物疗效得以增加,拥有了更强的靶向作用,在治疗疾病的过程中更有针对性,这种超分子的化学结构还使该类药物克服了传统药物异味大的缺点,药物在人体中的代谢过程也较传统药物发生改变,对人体的毒性作用大大减小。除此之外,超分子化学药物(Supramolecular chemistry)生产周期短,大幅降低了生产成本,实用性大大提高,降低了患者的医疗经济负担,也保障了药物生产研发企业能取得更大的经济效益。
2 研究最新进展
(1)金属类药物由于金属类的超分子化学药物在进入人体后的代谢过程中可以以形成配合物的方式降低药物的毒性作用同时增加了药物的疗效,因此一直是超分子化学类药物(Supramolecular chemistry)研究的热点。目前的几种主要的金属类药物主要包括金属元素与喹诺酮类药物、卟啉类药物、奥沙拉嗪相互作用形成的金属配合物,以及银与磺胺类形成的络合物,由于金属离子的激活作用,使得这些药物的药理性质和毒理性质都有了改善。目前的研究最新进展主要包括以下几个方面。
①具有螺旋结构的金属喹诺酮类药物,虽然已经有不少金属—喹诺酮配合物被成功研制并投入使用,但是具有三维螺旋结构的金属药物少有报道,何江洪,肖冬荣,孙佃振等人报道了三维螺旋结构的一个金属-喹诺酮药物[1],这种药物为仿生化学和结构生物学的研究开启了新的篇章。
②取代胡椒醛缩合不对称卟啉金属药物,卟啉环的特殊结构使它与金属形成的配合物具有了良好的光敏特性,单纯的卟啉类药物对大肠杆菌和金黄色葡糖球菌基本没有效果,但是代胡椒醛缩合不对称卟啉金属配合物具备了良好的生理化学活性,对黄色的葡萄球菌(Sa)和大肠杆菌(Ec)都有良好的抑制效果。
③(4,4)网络结构的金属奥沙拉嗪药物,这种药物即具备了缠结网络结构(一个Co和OSA配体Bpp配体各两个构成四方网络进而形成波浪式网状结构)又是一种与金属离子相互作用形成的配合物,其结构稳定性良好,同时具备良好的药理性质和毒理性质,其化学结构式为:[Co(OSA)(Bpp)],OSA=3,3-azo-bis(6-hydroxybenzoicacid),Bpp=1,3-bis(4-pyridyl)propane。
④银—磺胺络合物,磺胺类药物用于抗菌治疗已有很长的一段时间了,但因长期滥用抗生素以及抗菌药物有极强抗药性的超级细菌大量形成,银—磺胺络合物做为一种新型抗菌药物,抗菌效果相比于传统药物要好的多。
(2)抗癌类药物目前人类生活方式发生改变,大气环境等的严重恶化,各种促癌因素充斥着人们的日常生活,新型抗癌药物的研发也刻不容缓,超分子化学药物研究领域也给予了抗癌药物很高的关注度。瓜环—甲氨蝶呤是一种新型的超分子化学药物(Supramolecular chemistry),是二十一世纪对抗癌药物研发的新进展。具有大环结构的瓜环与用于治疗慢性粒细胞白血病、绒毛膜上皮癌等疾病的甲胺蝶呤以非共价键的形式结合,改变了药物原有的药代学动力特点,降低了药物在体内的释放速度,并使得药物的释放稳定进行,使药物稳定发挥效果。
(3)包结药物磺化杯芳烃因为具有富电子空腔能与包括金属离子以及中性分子等在内的多种化学集团以非共价键的形式进行相互结合,不仅包结特性良好而且具有防止血栓形成,对人体毒性作用小并且具备一定的抗病毒能力,因此成为当前医药科学研究领域的热门。为了提高金刚烷胺的疗效,发掘该药物在药物运输、缓释以及分子选择方面的作用,林荣光等学者合成了芳烃-金刚烷胺的包结物并分析了这种药物的晶体结构。除此之外已有学者将磺化杯芳烃和普鲁卡因、丁卡因(麻醉药物)的磷酸缓冲液进行了包结,以期这样的包结产物在抗病毒和抗血栓的过程中取得更好的疗效。
3 结语
超分子化学药物(Supramolecular chemistry)为医药研发和行业发展提供了新的突破口,这项研究已经在全球范围内持续多年,研究步步深入,新成果、新进展层出不穷,但目前仍然存在一些待解决的问题,该类研究应在前期的研究成果下继续努力争取取得新的突破,为我国医药化学的发展做出贡献。
参考文献
[1]何江洪,肖冬荣,孙佃振,等.一个新颖的具有螺旋结构的金属-喹诺酮化合物的合成、结构与表征[C]//全国第十五届大环化学暨第七届超分子化学学术讨论会论文集.重庆:西南大学,2010:331-332.
超分子化学 篇2
（一）仪器 1）台式高速离心机 2）恒温水浴箱 3）枪式移液器 4）灭菌的EP管和Tip头
（二）试剂
1）溶液1: 25% 蔗糖
50mmol/L Tris-Hcl，pH8.0 50mmol/L
EDTA，pH8.0 500ug/ml
溶菌酶（现用现配）
100ug/ml
RNase 2)溶液Ⅱ：100mmol/L
Tris-Hcl，pH8.0
1%
SDS
400ug/ml
蛋白酶K 3）酚：氯仿：异戊醇（25：24：1）4）氯仿：异戊醇（24：1）5）3mol/L NaAc(pH5.2)6）异丙醇或无水乙醇 7）70%乙醇
8)TE缓冲液： 10mmol/L
Tris-Hcl，pH8.0
1mmol/L
EDTA，pH8.0(三)实验步骤
1)5mL细菌过夜培养，5000rpm离心10分钟，去上清液。2）将菌体细胞悬于250uL溶液1中，37°C水浴保温过夜。3）加250uL溶液Ⅱ，55°C水浴保温4小时。
4）加0.9倍体积的酚/氯仿/异戊醇（25：24：1），轻轻混匀，于14000rpm离心10分钟，转移水相至新的Ep管，重复步骤4一次。
5）向转移的水相中加入0,9倍体积的氯仿/异戊醇（24：1），轻轻混匀，于14000rpm离心10分钟，转移水相至新的Ep管，重复步骤5一次。
6）向转移的水相中加入0.1倍体积的3mol/L NaAc和0.7倍体积的异丙醇（或2.5倍体积的无水乙醇），冰上放置30分钟。
7）14000rpm离心20分钟，弃上清，用0.5mL70%乙醇洗涤沉淀一次，弃上清，沉淀于室温干燥。
8）将DNA沉淀溶解于15ul TE缓冲液中，-20°C保存。9）进行DNA含量和纯度检测，琼脂糖凝胶电泳鉴定。
植物DNA的SDS提取法：
（一）试验试剂：
1）研磨缓冲液：称取59.63gNaCl，13.25g柠檬酸三钠，37.2gEDTA－Na分别溶解后合并为一，用0.2mol/L的NaOH 调至pH7.0，并定容至1000ml。
2）10 SSC溶液：称取87.66gNaCl 和44.12g柠檬酸三钠，分别溶解，一起定容至1000ml。3）1 SSC溶液：用10 SSC溶液稀释10倍。4）0.1 SSC溶液：用1 SSC溶液稀释10倍。
5）Rnase溶液：用0.14mol/LNaCl 溶液配制成25mg/ml 的酶液，用1mol/LHCl，pH至5.0，使用前经80℃水浴处理5min（以破坏可能存在的Dnase）。6）氯仿－异戊醇：按24ml 氯仿和1ml 异戊醇混合。
7）5mol/L高氯酸钠溶液：称取NaClO4．H2O 70.23g，先加入少量蒸馏水溶解再容至100ml。8)SDS（十二烷基硫酸钠）化学试剂的重结晶：将SDS放入无水酒精中达到饱和为止，然后在70～80℃的水浴中溶解，趁热过滤，冷却之后即将滤液放入冰箱，待结晶出现再置室温下凉干待用。9)1mol／LHCl。10)0.2mol/LNaOH。
11)二苯胺乙醛试剂：1.5g二苯胺溶于100ml 冰醋酸中，添加1.5ml 浓硫酸，装入棕色瓶，贮存暗处，使用时加0.1ml 乙醛液［浓乙醛：H2O＝1：50（V／V）］。12)1.0mol/L高酸溶液（HClO4）。13)0.05mol/LNaOH。
14)DNA标准液：取标准DNA25mg 溶于少量0.05mol/L NaOH中，再用0.05mol/LNaOH定容至25ml，后用移溶管吸取此液5ml 至50ml 容量瓶中，加5.0ml1mol/LHClO4，混合冷却后用0.5mol/LHClO4定容至刻度，则得100μg/ml 的标准溶液。
（二）实验步骤： 1)称取植物幼嫩组织10g剪碎置研钵中，加10ml 预冷研磨缓冲液并加入0.1g左右的SDS，置冰浴上研磨成糊状。
2)将匀浆无损转入25ml 刻度试管中加入等体积的氯仿－异戊醇混合液，加上塞子，剧烈振荡30s，转入离心管，静置片刻以脱除组织蛋白质。以4000rpm离心5min。
3)离心形成三层，小心地吸取上层清液至刻度试管中，弃去中间层的细胞碎片、变性蛋白质及下层的氯仿。
4)将试管置72℃水浴中保温3min（不超过4min），以灭活组织的DNA酶，然后迅速取出试管置冰水浴中冷却到室温，加5mol/L高氯酸钠溶液［提取液：高氯酸钠溶液＝4：1（V／V）］，使溶液中高氯酸钠的最终浓度为1mol/L。
5)再次加入等体积氯仿－异戊醇混合液至大试管中，振荡1min，静置后在室温下离心（4000rpm）5min，取上清液置小烧杯中。
6)用滴管吸95％的预冷乙醇，慢慢地加入烧杯中上清液的表面上，直至乙醇的体积为上清液的两倍，用玻璃棒轻轻搅动。此时核酸迅速以纤维状沉淀缠绕在玻璃棒上。7)然后加入0.5ml 左右的10 SSC，使最终浓度为1 SSC。8)重复第6步骤和第7步骤即得到DNA的粗制品。
9)加入已处理的Rnase溶液，使其最后的作用浓度为50～70μg/ml，并在37℃水浴中保温30min，以除去RNA。
10)加入等体积的氯仿－异戊醇混合液，在三角瓶中振荡1min，再除去残留蛋白质及所加Rnase蛋白，室温下以4000rpm离心5min，收集上层水溶液。11)再按6、7步骤处理即可得到纯化的DNA液。
二、PCR扩增目的基因
(一)器材 1)微量移液器
2)灭菌的Tip头、PCR管 3)PCR扩增仪
4)目的DNA（DNA模板）5)dNTP混合物 6)引物对 7)Tap酶
8)PCR扩增试剂盒
（二）试剂
1）10×PCR 缓冲液（含Tris-HCl 100mmol/L;MgCl2 15mmol/L、KCl 500mmol/L, pH8.3，0.1%明胶）
2)脱氧核苷三磷酸dNTPs：配成 10mM—— dATP，dTTP，dGTP，dCTP各10mM，用NaOH溶液调节至pH8.3。）
3）氯仿-异戊醇：配成24：1的比例，室温避光保存。4)酚：氯仿：异戊醇=25：24：1 5)3M NaAc、ddH2O 6)无水乙醇：70%乙醇 7)TE缓冲液
（三）实验步骤
1）在0.2ml薄壁反应管中加入下列成份：（混匀）
ddH2O: 补至终体积（25μl）10×PCR缓冲液 1/10总体积 2.0mM dNTPs 1μl
2U/μl Taq DNA聚合酶 0.5μl
引物混合液（10 pmol /μl /引物）1μl
DNA模板 0.6μl
混匀后，在台式离心机上瞬时离心10秒。2）在设定好的PCR仪上反应 95°C，5min；95°C，1min；56°C，1min；72°C，2min。反应30轮。
3）反应结束后，将反应管在72°C充分延伸10分钟，再将反应管冷却至4°C。取一部分反应液进行琼脂糖凝胶电泳(实验三)，确认是否有目的的PCR产物。如果PCR产物纯度较低或反应液中含有连接反应阻碍物，可以通过纯化得到改善。纯化继续4）—6）。4）转至1.5ml离心管，向管中加25μl酚，25μl氯仿-异戊醇混匀，离心10000rpm，30秒。5）吸取上层液，转至另一已加5μl 3M NaAc的1.5ml的离心管，加150μl无水乙醇，-20°C过夜。
6）离心10000rpm，10分钟，弃上清，加0.5ml 70%乙醇，10000rpm离心，5分钟。弃上清，烤箱中干（60°C），溶于20μl TE。
（四）技术要点
1）PCR各组份的配制与加样量要特别注意。
(1)引物浓度：10 pmol 足够30个循环，浓度太高导致与模板非特异结合增强，扩增非 特异片段增多，浓度太低则扩增效率低。
(2)引物的配制：厂家提供的引物一般是干粉状态并标明OD值，1 OD约含33μg。开盖前先将干粉离心至管底，加双蒸水至浓度2μg/μl，再取部分稀释至10 pmol /μl。引物浓度计算公式：1pmol=(3.3×10μg)×n，n是引物的碱基数
(3)Mg：使用浓度一般在1.5mM，要求模板不含高浓度EDTA和诸如硫酸基团类的负电荷基团，Mg浓度升高可导致错配率升高和非特异性扩增。
(4)模板DNA：浓度不可过高，质粒DNA 20ng即可，若需第二次扩增，可将第一次扩增产物稀释1000-10000倍作为模板使用。
(5)Taq DNA聚合酶：一般用量5U/100μl。酶量过大易导致扩增非特异序列，Taq酶具有末端转移酶活性，常在3’端加A。2）扩增轮数与退火温度
扩增轮数：一般30轮以内就可使模板扩增10倍，超过30轮，错配率升高。退火温度计算公式：Tm值=（GC×4+AT×2）–4
6-42+2+
三、琼脂糖凝胶电泳的检测
(一)仪器
1）琼脂糖凝胶电泳系统（天平、锥形瓶、量筒、微波炉、凝胶板、梳子、枪式移液器、灭菌Tip头、水平电泳槽、电泳仪）2）凝胶成像仪(二)试剂及材料
目的DNA、琼脂糖、蔗糖、溴酚蓝、硼酸、Tris、EDTA、EB、DNA纯化试剂
盒
1)TAE电泳缓冲液
浓储存液 50×：242g Tris；57.1ml冰乙酸；100ml 0.5mol/L EDTA(PH8.0)
定容至一升。
使用液 1×：4.84g Tris；1.15ml冰乙酸；2ml 0.5 mol/L EDTA(PH8.0)定容至一升。2）样本液
10×缓冲液: 60%蔗糖；0.4%溴酚蓝
（三）实验步骤
1）将有机玻璃内槽洗净、晾干，放置于水平制胶器中，插好梳子，在梳子底部与胶槽之间应保持几毫米的间隙。
2）0.8%琼脂凝胶板的配制：取0.6g琼脂糖加80ml TAE（1×），20ml水，微波炉加热融化3分钟，将其冷却至55°C-65°C，加入EB储存液1ul，小心混匀，缓慢倒入制胶槽中。（根据目的基因的大小选择琼脂糖凝胶浓度）。
3）充分凝固后从制胶槽中卸下凝胶板，放入电泳槽，加入TAE（1×），使其液面略高于琼脂糖板，拨出样品梳。
4）DNA样品按照10：1的比例加入样本液，在腊面纸上混匀，用移液枪加样于琼脂糖板的样品孔中。同时另取一个DNA分子量标准上样于另一样品孔，在同一凝胶板上进行电泳。5）接通电泳槽与电泳仪的电源，维持稳压1-5V/cm（按照两极之间距离计算），电泳时间根据溴酚蓝指示剂迁移的位置来判断，当移动到距凝胶前沿1-2cm出停止电泳。6）剥胶并在凝胶成像仪观察结果。（四）技术要点
1）选择琼脂糖凝胶浓度取决于所鉴定DNA的大小，小片段DNA应用高浓度凝胶，大片段则用低浓度凝胶，在1%的琼脂糖凝胶中溴酚蓝的泳动速度与500bp的双链线状DNA一致。不同浓度琼脂糖凝胶及其可分离的线性DNA大小范围见下表1。表1 不同浓度琼脂糖凝胶及其分离线性DNA分子的有效范围凝胶浓度（%）
0.3 0.6 0.8 1.0 1.2 1.5 2.0 2）电泳中注意防止凝胶发热。
3）将电泳仪置稳压档，电压设置小于5V/cm（电极间的最小路径）。随着电压的增加，琼脂
糖凝胶的有效分离范围缩小。
4）溴化乙锭有强烈的致癌作用，操作时注意防护。
60～5 20～1 10～0.8 7～0.5 6～0.4 3～0.2 2～0.1
分离DNA的有效范围（kb）
四、目的DNA的回收纯化
(一)仪器
1）琼脂糖凝胶电泳系统 2）凝胶成像仪 3）离心机 4）单面刀片 5）恒温水浴锅(二）试剂
1）DNA回收试剂盒 2）50×TAE 3）ddH2O(三)实验步骤
1）在紫外灯下切分含DNA的琼脂糖块，尽可能除去多余的琼脂糖．放入1.5ml离心管中。2）按每100mg琼脂糖加入300—600μl 溶胶液的比例加入溶胶液（本实验加500ul），置55℃水浴10分钟，使琼脂糖块完全溶化，期间每2分钟颠例混匀一次促溶。3）将溶化后的琼脂糖液移入吸附柱，12000rpm 室温离心1分钟，倒掉收集管中的液体．再将吸附柱放入同一个收集管中。
4）在吸附杜中加入500uI漂洗液，室温静置1分钟后，12000rpm 室温离心30秒，倒掉收集管中的液体，将吸附柱放入同一个收集管中。
5）再在吸附柱中加入500uI漂洗液，12000rpm 室温离心15秒，倒掉收集管中的液体，将吸附柱放入同一个收集管中。6）12000rpm 室温空离心1分钟。
7）将吸附柱放入一个干净的1.5ml的离心管中，在吸附膜中央加入30ul洗脱缓冲液，室温静置2分钟后，12000rpm 室温离心1分钟（为提高回收效率可再洗脱一次），将1.5ml离心管(DNA)贮存于-20℃。
五、限制性内切酶消化、产物回收及连接重组
(一)仪器及材料 1）回收得到的目的DNA
2）BamHI、HindIII、T4 DNA连接酶、DNA回收试剂盒 3）pUC18‐CAT 质粒、双蒸水、10×酶切通用缓冲液K 4）EP管、恒温水浴锅、微量移液器、台式离心机
表1 常用酶切缓冲液配方
缓冲液名称
配 方
10×L
100mM
Tris-HCl,pH7.5 100mM MgCl
210 mM DTT 10×M
100mM
Tris-HCl,pH7.5 100mM MgCl2mM DTT 500mM NaCl 10×H
500mM
Tris-HCl,pH7.5 100mM MgCl2mM DTT 1000mM NaCl 10×K
200 mM Tris-HCl,pH8.5 100 mM MgCl2mM DTT 1000mM KCl 10×T（BSA－Free）
330mM
Tris-Ac,pH7.9 100mM MgAc 5 mM DTT 660mM KAc
0.1% BSA 0.1% Trition X-100
贮存温度（℃）-20
-20-20
(二）实验步骤
1）在灭菌的EP管中按如下方式准备双酶切反应体系： 酶切反应体系（20ul体系）
管号 核酸 10×酶切通用缓冲液K ddH2O BamHI
HindIII 1 15ul目的DNA
2ul
0ul
2ul
1ul 2
10ulpUC18‐CAT质粒 2ul 5ul 2ul 1ul 2)37℃保温三小时。
3)酶切产物的纯化回收，每100ul溶液加入700ul溶胶液，其余的操作步骤详见实验四 4)载体与目的DNA的连接。在灭菌的EP管中按如下方式准备双酶切反应体系（20ul）： 目的DNA pUC18‐CAT质粒 10×连接缓冲液 T4 DNA连接酶
ddH2O
X ul
Y ul
2ul
1ul
Zul 目的DNA和pUC18‐CAT质粒的相对浓度约为1:3—1:10 5）14℃水浴保温过夜。
六、大肠杆菌感受态细胞的制备及目的DNA的转化
(一)仪器
1．小型高速离心机 2．恒温摇床 3．恒温培养箱 4．‐20℃冰箱 5．恒温水浴器 6．超净工作台 7．高压灭菌锅(二)材料 1．氨苄青霉素 2．大肠杆菌DH5a 3．连接产物 4．离心管
5．枪头、微量移液器 6．试管、培养皿、三角瓶(三)试剂
LB 培养基（根据需要确定配制的量）：
10g/L 胰蛋白胨，5g/L酵母提取物，10g/L NaCl，加水至1000ml，高压灭菌，保存在室温。氨苄青霉素：
用去离子水配成100mg/ml的储存液，过滤除菌，－20℃分装保存。卡那霉素：
用去离子水配成100mg/ml的储存液，过滤除菌，－20℃分装保存 无抗生素LB琼脂糖平板培养基（根据需要确定配制的量）：
10g/l 胰蛋白胨，5g/l酵母提取物，10g/l NaCl，15g/l 琼脂粉，加水至1000ml，高压灭菌；铺平板，冷却后在37℃培养24小时，保存在室温。
含有抗生素LB琼脂糖平板培养基（根据需要确定配制的量）：
10g/l 胰蛋白胨，5g/l酵母提取物，10g/l NaCl，15g/l 琼脂粉，加水至1000ml，高压灭菌；当培养基降温至50℃左右，加入终浓度为100μg/ml 的氨苄青霉素或50μg/ml卡那霉素，并铺平板，冷却后在37℃培养24小时，保存在室温。0.1 M CaCl2（根据需要确定配制的量）：
11.099克溶解在1000ml灭菌水中，0.22μm滤器过滤除菌。氯化钙分子量为：110.99。50％甘油：
50ml甘油加入50ml水，混匀，高压灭菌。其他：
DH5α大肠杆菌，灭菌玻璃平皿若干，接菌环，加250ml LB液体培养基的1000ml灭菌锥形瓶一个，灭菌50ml和500 mL离心管若干，灭菌刻度吸管若干，冰盒，移液器，灭菌移液器吸头，灭菌Eppendorf管等。
（四）实验步骤
1）以接菌环从－70℃保存的高效转化菌种中蘸取少量菌液划无抗生素平板，培养12小时； 2）挑取单菌落接种于5 mL无抗生素LB培养基中，37℃振荡培养过夜；
3）按照1:100接种菌液至250 mL LB培养基中，37℃剧烈振荡培养1.5-2 小时左右，至OD600达0.4-0.6；
4）将菌液冰浴10 分钟，转移至预冷的500 mL离心管中，4℃，4000 rpm离心10 分钟； 5）弃上清，将细菌沉淀重新悬浮于50 mL预冷的0.1 M CaCl2中，冰浴20 分钟，4℃，4000 rpm离心10 分钟；
6）弃尽上清。以12.5 mL（菌液体积的5％）预冷的0.1 M CaCl2溶液重悬细菌沉淀，同时加入等体积预冷的50%甘油水溶液，混匀后按每支50μL在冰上分装，－80℃保存； 注：以上操作全部在无菌条件下进行。
7）取连接产物2μl（在实际操作中，经常需要取全部连接产物）置于冰上； 8）从－80℃冰箱取3管感受态细菌（每管50μl），在冰上融化；
9）将连接产物加入感受态细菌中，混匀，放置冰上20－30分钟；同时做两个对照管
• 受体菌对照：50μl感受态细胞+2μl无菌水 • 质粒对照：50μl0.1 M CaCl2溶液+2μl连接产物 10）42℃加热90秒，迅速置于冰上1－2分钟；
11）每管加入400－1000μl的无抗生素液体LB培养基，在37℃摇床缓慢摇荡20－60分钟； 12）用<10000rpm离心10秒，弃去大部分上清，留下约50μl并用移液器吹吸重悬细菌； 13）取适量细菌悬液均匀的涂布在带有相应抗性（根据质粒所携带抗生素抗性基因而定）的LB琼脂糖平板上，倒置于37℃培养箱培养12小时以上，出现菌落。
（五）技术要点
1．加入的连接产物体积应该小于感受态细胞体积的5％； 2．42℃热激时，必须要保证温度的准确性；
3．涂布LB平板的菌液量应该根据经验确定。如果连接效率很高，而且所用感受态细菌的效率也很高，则吸取较少量的菌液；反之，可以增加，甚至全部菌液涂布平板。判断的标准：在LB平板上生长密度合适的单菌落；
4．涂布平板之后，在37℃培养的时间不超过12－16小时，否则可能产生卫星菌落； 5．防止其它质粒污染； 6．防止其它细菌污染。
七、质粒DNA的提取及重组子的鉴定
(一)仪器 1．恒温培养箱 2．恒温摇床 3．小型高速离心机 4．高压灭菌锅 5．分光光度计
（二）试剂及材料 1.转化重组子
2.缓冲液A：50mM葡萄糖；10mM EDTA；25mM Tris-HCl，pH8.0。3.碱溶液：0.2M NaOH;1%SDS, PH12.5。
4.乙酸缓冲液：3M NaAC；2M乙酸，pH4.8（盐酸调pH）。5.TE缓冲液：10mM Tris-HCl，pH8.0；1mM EDTA.。
6.RNA酶A溶液：10mg/ml RNA酶 A，用TE配制，100°C煮10分钟，灭活DNA酶。缓慢冷却至室温，10000r/min离心5min,上清于-20°C保存。
7.LB培养基: 10g胰蛋白胨，5g酵母粉，5g NaCl加水至1000ml，用1M NaOH调pH至7.5，高压灭菌。
8.氨苄青霉素：用去离子水配成100mg/ml的储存液，过滤除菌，－20℃分装保存。9.LA培养基: 在LB培养基中加入终浓度100μg/ml的氨苄青霉素。10.异丙醇
11.酚-氯仿-异戊醇：25：24：1 12.70%乙醇 13.3M NaAc
（三）实验步骤
1）从转化平皿上挑一克隆接种到LA液体培养基中，37℃震荡培养，待细菌浓度增至OD600=1—1.2时，收获细菌。菌液转到1.5mlEppendorf管中，离心8000rpm，2分钟，弃上清。
2）加100μl缓冲液A，充分混悬细菌。
3）加200μl碱溶液，裂解细菌，反复倒转管5次至溶液清亮，开盖后能拉出丝状粘稠液体。4）加150μl乙酸缓冲液，反复倒转管5次，混匀，冰浴10分钟。5）离心10000rpm，5分钟，将上清转移至另一Eppendorf管中。
6）加等体积的酚-l氯仿-异戊醇（25：24：1）混匀，离心10000rpm，1分钟。7）吸上层水相至另一Eppendorf管中，加等体积的氯仿混匀，离心10000rpm，1分钟。8）吸上层水相至另一Eppendorf管中，加0.6倍体积的异丙醇，混匀，室温或-20°C，10分钟。
9）离心10000rpm，10分钟，弃上清，加入1ml 70%乙醇。勿混匀，离心10000rpm，5分钟，重复加入1ml 70%乙醇一次，弃上清，干燥箱中干燥。
10）干燥后，加入30μl TE（含RNA酶A 10ul，20μg/ml），使质粒溶解，-20°C保存备用。11)取一个灭菌的EP管，依次加入下列试剂
10×限制酶缓冲液2.0ul、重组质粒5.0ul、ddH2O 11.0ul、限制性内切酶2.0ul总体积为20.0ul。
12）将上述试剂轻轻混匀，稍加离心，集中溶液，37°C水浴保温3—4小时。酶切结束时，加入0.5mmol/L EDTA(PH8.0)使终浓度达10mmol/L，以终止反应。13）质粒DNA的琼脂糖凝胶电泳分析详见实验三。
（四）技术要点
1）每一步都要充分混匀，为获得高产量DNA，第一步需使菌体完全重悬。
2）加入碱溶液后，反复混匀使细菌充分裂解，但需要轻柔，一旦裂解（液体变清亮）必须马上加乙酸缓冲液中和。
超分子化学 篇3
相邻分子间存在微小的作用力，超分子组装就是利用了这种非共价键的微小力的累加效应，来形成有序的结构。新方法集中在研究分子间的作用力上，特别是那些“两亲”分子。“两亲”分子包含亲水和憎水两个部分，如家用洗涤剂就是靠两亲分子之间相互作用来去除污渍：一端是亲水基，容易与水结合形成分子键，另一端是憎水基，喜欢和油性物质结合。如把洗涤剂加入到脏水中后，其分子会转动方向使憎水基朝向油污，聚集在油污周围形成分子团簇。
新方法由英国基尔大学马丁·霍兰拜小组与日本国家材料科学研究所的中西隆小组合作开发，他们借用了“两亲分子组装”的概念，将其进一步扩展成“亲溶剂基”和“憎溶剂基”，成为一种通用的普适方法。
实验中用的两亲分子是经过剪裁的“巴基球”，但带着一条长尾巴，就像“分子蝌蚪”。巴基球是由60个碳原子（C60）构成的足球状分子，也叫富勒烯。将两亲分子加入溶剂中，“蝌蚪”尾巴会相互作用，使分子形成巴基球的核心和碳链的外壳。在混合物中添加正烷烃，分子组装成了胶束和含绝缘C60纳米线的六角形胶纤维；加入纯C60并提高π共轭材料的比例，分子组装成了片装间层结构。这些结构含有很大比例的光电活性材料，显示出一定的光导电性。
在这种灵活性的超分子组装新方法中，化学结构和添加剂（溶剂或C60）的微小变化，就能产生极为多样的结构。这种深入控制复杂分子自组装的程度，是以往达不到的。
研究人员指出，这一新成果有望对“分子电子学”领域产生重大影响，碳基电子设备可能替代传统的硅技术产品。新的分子电子元件只需调整分子间作用力达到最优化，就能大大提高设备性能，使效率更高而能耗更低，带来柔韧灵活、多功能的工具设备和更廉价的产品，如智能手机、电视屏幕等。到2018年的下一届世界杯赛时，人们可能就在用“分子足球”看足球了。
界面超分子组装技术 篇4
关键词：超分子化学,界面超分子组装,有序分子膜,自组装膜
自1987年Lehn首次提出了“超分子化学”的概念[1,2],经过二十年来的快速发展,超分子化学已远远超越了起初有机化学主客体体系的范畴,形成了自己独特的概念和体系,如分子识别、分子自组装、超分子器件、超分子材料等,以其新奇的特性吸引了广泛的关注和研究[3,4]。
界面有序超分子组装体是超分子化学中重要的一个概念,可以理解为在特定界面上的分子或分子簇的组装现象。其构筑的有序超薄膜目前已经取得许多应用性的研究成果,例如光电功能器件、纳米复合涂层、气体敏感膜、多功能芯片、微反应器以及修饰电极等[5]。与体相分子组装相比,界面组装具有可控性强、操作简单、干扰因素小等特点。基于界面分子组装技术得到的有序超薄膜,常见的主要有Langmuir-Blodgett(LB)膜,自组装单层膜和自组装多层膜[6]。下面分别详细地加以介绍。
1气-液界面分子组装—La ngmuir膜和LB技术
气液界面分子组装最常见的手段是LB膜技术。LB技术是获得超薄的有序分子膜的一个有效手段,可实现分子水平上的组装,能制备厚度精确可控、结构明确、各向异性的单分子膜和多层膜。正是这些优点使得人们原本在宏观和无序条件下,无法观察到的现象和获得的结果得以实现,同时,通过LB膜技术可以对分子进行有计划的多层次的排列与组合,从而形成各种分子水平的器件[7]。
1.1 La ngmuir膜
Langmuir膜是一种超薄膜,当不溶于水的有机物质引入到水表面,如果它扩散到水的整个表面,那么在气液界面上形成的不溶性的单分子二维膜称为Langmuir单分子膜,它的厚度只有一个分子的厚度。一般来说,极性有机物以及一端亲水,一端亲油的两亲分子可以在水面上形成不溶性的单分子膜。对表面膜最早作比较精确研究的是18世纪美国科学家富兰克林(B.Franklin),他发现少量的橄榄油就可以铺满很大一块池塘的表面。在1890年科学家雷利(Lord Rayleigh)定量估计出铺展在水面上的油膜的厚度在10～20A觷之间,这与现在硬脂酸分子膜的厚度十分接近。进而,在1891年,A.Pockels发现压缩控制膜面积到达一定数值时表面张力变化很小,此时水面上的分子恰好紧密排列,称之为Pockels点。1917年美国科学家I.Langmuir改进了试验装置并提出了相关的气/液界面吸附的理论,奠定了完整的单分子层膜的理论,在1932年获得了诺贝尔化学奖。其后,K.Blodgett详细研究了通过单分子层的连续转移来构筑多层组合膜的过程和方式,现在被称为Langmuir-Blodgett(LB)膜。至此,人们对于单分子膜的认识更加清晰起来,形成了对LB膜研究的第一个高潮[6,7]。由于种种原因,直到1966年英国科学家G.L.Gaines对单层膜和多层膜作了极好的描述,同时德国科学家H.Kuhn首先应用LB技术来组装功能有序分子膜,再次引发研究LB膜的热潮。近年来,随着纳米科学与技术的发展,以及物理、化学、生物、电子等学科的交叉发展的需要,作为在分子水平上构筑功能薄膜的方便和有效的方法之一,利用LB膜方法来构筑功能化的有序超分子聚集体成为当今世界的热门研究课题。
Langmuir膜成膜分子的基本要求是具有两亲性:一方面,分子应具有与水有一定亲和力的亲水端如羧基,同时具有足够长的疏水脂肪链,一般要求有16～2个亚甲基使分子能够在水上铺展而不溶解。染料分子,荧光化合物,生物蛋白酶,有机聚合物等许多类型的分子,典型的如脂肪酸,均可以溶于有机溶剂后被铺展在水相上扩展形成Langmuir膜。分子只能在单分子膜构成的二维空间的范围内运动,随表面压力的增加,可以表现出气态、液态和固态,甚至存在某些特殊的聚集状态,可以被表面压-分子面积(π-A)曲线依次表征(图1)[8,9]。在π-A曲线中,有两个重要的参数,极限面积以及崩溃压。如果把曲线固相段外推至零表面压,与横坐标相交点的数值即为固态层内单分子的占有面积,也称作分子极限面积。继续压缩处于固相段的分子占有面积,会导致单分子膜的破裂或聚集,此时的压力称为崩溃压,它是表征表面活性剂分子的成膜性好坏的重要标志。
1.2 LB膜技术
Langmuir-Blodgett(LB)膜沉积主要是指将气液界面上形成的单分子膜转移到各种基片上的过程。由于气液界面上单分子膜的分析手段存在较大局限性,LB膜技术的发展极大地推动了气液界面有序分子膜的研究。目前制备LB膜的方法有垂直提拉法、水平附着法、亚相降低法、单分子层扫动法以及扩散吸附法等[8,9,10]。随着转移方式的不同,可得到不同结构的LB膜。同时,构筑的有序分子膜通常包括三种类型X型、Y型和Z型(图2)。这三种类型的膜中,X型和Z型膜中分子都具有头对尾排列的结构。不同的是X型膜中,分子的疏水尾对着基片;而在Z型膜中,分子的亲水头对着基片。
近期美国Regen教授提出可以连续制备并转移LB膜的实验设想(图3),可以为大规模实用提供了潜在的可能[11]。同时通过研制多种不同物质的LB膜和研究LB膜的化学反应,深入细致地研究了LB膜的结构、分子的排列和取向与膜的化学反应性的相互关系以及因化学反应呈现的膜的宏观性质的变化。
2液-固界面分子组装—自组装单层膜和自组装多层膜
1980年,Sagiv[12]首先报道了在玻片上制备的二维有序三氯硅烷(C18H37Si Cl3)自组装单分子层膜。这一发现开拓了液-固界面上制备有序分子薄膜的新技术-自组装技术。自组装膜(self assembled membranes,通常简称为SAMs)是指具有适当结构的分子(如两亲分子)在无外力作用下通过分子间化学键或弱相互作用自发地形成自由能最低而又具有稳定的立体有序结构的多层膜。按照自组装膜的层数不同可以将自组装膜划分为单层和多层自组装膜。
2.1自组装单层膜
自组装单层膜是通过在固体基片表面上吸附一层表面活性剂形成的有序分子组装体。将预先清洗或预处理活化过的基片浸泡在溶液中,经过一定的反应时间后,表面活性物质就可以通过自发的界面化学反应在基片上形成一个排列致密有序的自组装膜(图4)。目前,研究得较多的有机硫化物在金属和半导体基底上的自组装单层膜、脂肪酸在金属氧化物表面上的自组装单层膜、有机硅衍生物在羟基化的基片上的自组装单层膜以及硅表面的烷基自组装单层膜等四个方面[13,14]。
由于SAM是有机分子在溶液中(或者有机分子蒸气)自发通过化学键牢固地吸附在固体基底上所形成的超薄有机膜,因此它具有原位自发形成、成键高度有序排列、缺陷少、结合力强、“结晶态”等特点[15]。目前研究最为广泛的两种SAM体系为有机硅烷体系和硫醇体系[16,17,18]。
2.2自组装多层膜
在自组装单层膜的基础上,继续利用自组装的方法还可以构筑多层膜。构筑多层膜一般有两种途径:一是通过表面化学反应使表面再次活化组装出多层膜,如硅烷与羧基聚合[19]或表面缩合反应[20];另外一种是通过表面基团间的弱相互作用交替自组装[21]。组装多层膜时随层数的增加,膜的无序程度会增加。
弱相互作用包括静电作用、氢键、配位键、疏水效应及其协同作用。层层组装技术由法国科学家Decher等在1991年提出,是一种建立在静电相互作用基础上的制备超薄膜的方法,阳离子和阴离子聚电解质通过分子间的静电相互作用形成超分子多层组装体(图5)。层状组装体是具有特殊物理和化学性质及多功能集成的组装体,常用作制备平板上的多层膜,聚电解质的空心微胶囊和空心微球等,以及在模板内制备聚电解质纳米管。这种组装技术构筑的多层膜尽管有序度不如LB膜高,但它制备过程简单,不需要复杂的仪器设备,成膜物质丰富,成膜不受基片形状和大小的限制,制备的薄膜具有良好的机械和化学稳定性。目前这种交替自组装多层膜技术在电子与光学器件、分离膜、催化和生物传感器等方面都表现出广阔的应用前景。
1998年德国Max-Planck胶体与界面研究所的Mohwald教授等人首次利用层-层组装技术将聚电解质沉积到胶体颗粒上,然后将作为模板的中心离子溶解或分解,制备了高分子微胶囊(图6)。它是将单一组分或复合式组分通过层层吸附组装在胶体颗粒上,将LbL技术从二维扩展到三维空间[22]。因此,自组装微胶囊在医学制药、材料科学和涂料工业等领域也具有较高的研究价值和潜在的应用前景,如合成药物的载体、微反应器、催化剂涂料的填充剂、生物传感器等。
3结论
超分子化学 篇5
超分子凝胶是通过凝胶因子间非共价键相互作用力组装形成的,可用作传感器、控释开关等智能超分子材料[4]。继传统的高分子凝胶后,人们又开始试图将超分子凝胶应用在染料吸附中,结果发现这些智能材料也具备从水相中吸附染料的能力[5],但现有研究成果对于染料分子的吸附缺乏选择性。
本研究合成了双羧酸功能化的苯并咪唑内鎓盐(L17),利用其与硝酸银的配位作用制得了一种新型的超分子金属有机凝胶(MOG),经FT-IR,XRD表征,证实该MOG是苯并咪唑羧酸衍生物和金属银离子形成配合物而束缚溶剂小分子形成的;SEM显示该金属有机凝胶呈现交织的三维网状结构。将其应用于常见水溶性染料分子的吸附中,发现该凝胶可以在水相中高效选择性地吸附甲基橙分子,为净化污水提供了一种行之有效的新方法。
1 实验部分
1.1 主要仪器和试剂
核磁共振仪(Mercury-400BB型),TMS为内标;Digilab FTS-3000 FT-IR型红外光谱仪(KBr压片);X-4数字显示显微熔点测定仪(温度计未校正);岛津UV-2550紫外-可见吸收光谱仪(1cm石英液池);WE-3 水浴恒温振荡器;TD4A台式低速离心机。
所用溶剂为3次蒸馏水和无水乙醇(分析纯)。其它试剂均为市售分析纯。
1.2 化合物L17的合成
根据相关文献[6]合成化合物A17。化合物B17及C17的合成参照Zbancioc G等的报道[7]。将6.09 g的 C17(10mmol)溶解于 50mL 4mol/L 的热盐酸溶液中,110℃ 回流搅拌12 h。抽滤,用乙醇-水进行重结晶即得到目标产物L17(2.77g, 57%)。Mp为203～205℃。1H-NMR(400MHz,DMSO-d6)为δ(ppm)0.85～0.86(t,3H),1.15～1.23(m,26H),1.43(t,2H),1.65(t,2H),2.88～2.90(t,2H),3.25～3.27(t,2H),4.68～4.71(t,2H),4.91(s,2H),7.57～7.58(m,2H),7.82～7.84(d,1H),8.01～8.03(m,1H),12.13(s,1H)。 IR(KBr,cm-1)为v 3421,3055,2921,2851,1726,1671,1526,1470,1211,755。ESI-MS为m/z 487.6(M + H)+。化合物L17的合成路线见图1。
1.3 金属有机凝胶的制备及表征
分别称取0.01mmol(5mg)L17和0.01mmol(1.7mg)AgNO3置于小试剂瓶中,加1mL乙醇-水(1∶1),加热使其溶解,形成质量体积浓度为0.67wt%的乙醇-水溶液。冷却至室温后,形成稳定的白色半透明金属有机凝胶图2(a)。该金属有机凝胶具有很好的热稳定性。通过扫描电镜(SEM)检测,发现该有机凝胶以三维网状的纤维态存在图2(b)。后将其25℃真空干燥48h得到干凝胶。
1.4 不同条件下干凝胶对甲基橙染料分子的吸附
甲基橙浓度、pH、凝胶因子与金属离子配比一定,分别将不同质量的干凝胶与甲基橙溶液混合均匀,于室温下置于变速振荡器上振荡反应60min后, 经离心分离出上清液测定其吸附后甲基橙浓度,得出其吸附的最佳剂量。同样,固定以上条件中的任意3种,改变剩余1种,分别得出其他最佳吸附条件。在最佳pH 及等温条件下,配置有浓度梯度的干凝胶-甲基橙试样,于室温下置于变速振荡器上振荡反应60min后, 经离心分离出上清液测定其吸附后甲基橙浓度,利用简单动力学(Boyd液膜扩散方程)、Langmuir 和Freundlich 吸附模型进行拟合,得出干凝胶的吸附性能。
2 结果与讨论
2.1 染料分子的选择
我们选取了水溶性的罗丹明B,孔雀石绿及甲基橙3种染料分子图3(a)进行试验,实验中发现,在这3种染料分子中,制得的干凝胶可以选择性的吸附甲基橙分子图3(b)。
2.2金属有机凝胶(MOG)对甲基橙染料分子的吸附
2.2.1 甲基橙染料分子工作曲线的测定
分别配置0.6mg/L、1.2mg/L、3mg/L、6mg/L、9mg/L、12mg/L、15mg/L的甲基橙染料溶液各7mL,以蒸馏水作参比,用紫外分光光度仪扫描,得出最大吸收波长,并在此波长下绘制浓度-吸光度标准曲线。经线性拟合得吸光度与浓度的线性关系为A=71.7466C+0.00207(R2=0.9999)。
2.2.2 吸附量的计算
溶液中甲基橙浓度采用紫外可见分光光度仪测定。吸附度采用下式计算:
undefined% (1),undefined
以上两式中,E为吸附百分率(%);C0和Ce分别代表甲基橙的原液浓度和平衡时的浓度(mg /L); Q为干凝胶的吸附容量(mmol/g); V为移取的溶液体积,L; M为甲基橙分子的摩尔质量(g/mol); m为吸附剂用量(mg)。
2.2.3 干凝胶吸附甲基橙分子最优化条件的选择
本实验从干凝胶的用量、吸附平衡时间、金属有机凝胶中配体/金属的比例、pH值及染料溶液浓度5个方面研究了吸附的最优化条件。
干凝胶用量对吸附性能的影响见图4(a),随着干凝胶用量的增加,残余的染料分子浓度降低,吸附率随之增加,但当干凝胶用量达到5mg以上时,降低速度减慢,同时吸附率趋于稳定;平衡时间见图4(b)所示,在0～60min吸附较快,吸附率增长迅速,在60min后吸附基本达到平衡。吸附率可达97.44%;配比的影响见图4(c),随着银离子与凝胶因子L17配比的不断增大,吸附率呈现先增大后减小的趋势,在Ag+/L17为1∶1时,吸附率最大。可达97.83%;pH值的影响见图4(d),溶液酸度对干凝胶吸附甲基橙染料分子影响比较大,当pH<5时,吸附率相对较小,当pH>11时,吸附能力也明显降低,吸附所需的最佳pH范围为5～11;甲基橙溶液初始浓度的影响见图4(e),随着甲基橙初始浓度的增加,残余的染料分子浓度降低,吸附容量随之增加,但当甲基橙溶液初始浓度达到30mg/L以上时,降低速度减慢,同时吸附容量趋于稳定。这可能是随着甲基橙溶液浓度的增加,吸附容量逐渐达到饱和,增加趋势趋于平缓。因为对于一定质量的干凝胶而言其功能集团含量有限,故其饱和吸附容量也有限,当达到这个饱和吸附量以后,即使染料分子再多也不再对吸附容量有贡献。
2.3 吸附机理的探讨
甲基橙在水相中有两种存在形式,当 pH值小于3时呈现质子化的正电性醌式结构,而当pH值大于4时则失去质子转变为带负电的偶氮式结构。吸附剂中凝胶因子L17为苯并咪唑内鎓盐形式,结构骨架呈现正电性。因此,当体系的酸度较大时,吸附剂和甲基橙分子由于静电排斥致使吸附效果较差,pH值过大时吸附效果同样下降是由于凝胶体系中银离子形成沉淀破坏三维网络结构所致。而在pH=5～11时,带负电的偶氮式甲基橙分子与带正电的苯并咪唑内鎓盐间通过静电吸引达到最佳吸附效果。与此同时,在测试干凝胶对其它水溶性染料分子的吸附性能时,发现干凝胶只对带负电的甲基橙碱式结构产生吸附效果,其余染料分子均不会被吸附,因此我们推断在此吸附过程中静电吸引作用起主导因素。
2.4 吸附动力学
采用液膜扩散方程[8]将-ln(1-F)对t进行线性拟合,根据线性相关系数可以判断吸附数据是否属于液膜扩散控制。
-ln(1-F)=kt(3)
其中,k为液膜扩散系数,min-1;t为吸附时间,min;F=Q/Qm为树脂的吸附饱和度;Q和Qm分别为时间t时和平衡时的吸附容量,mmol·g-1。
采用液膜扩散方程,对干凝胶吸附时间对吸附容量的影响的数据进行线性拟合,拟合结果见图5。拟合线性关系良好(-ln(1-F)=0.1009+0.14712),相关系数在0.98以上,说明干凝胶对甲基橙分子的吸附属于液膜扩散控制过程。
2.5 等温吸附模型
Langmuir和Freundlich是2种最常用的吸附模式[9],它们可以转换为线性关系式,通过线性拟合分析实验数据。Langmuir等温式假设吸附是一个单分子层吸附,表面活性点数量相同且能量相当,被吸附的分子之间没有相互作用。Langmuir吸附方程为:
undefined
其中, Ce为吸附平衡时溶液中甲基橙溶液的浓度,mol·L-1;Q 为干凝胶的的平衡吸附容量,mmol·g-1;Qm为干凝胶的饱和吸附容量,mmol·g-1;KL为 Langmuir 常数,L·mol-1。根据实验结果,得到Langmuir吸附等温曲线见图6(a)。拟合线性关系良好(Ce/Q=7487.9Ce-1.04×10-6),相关系数为1,说明干凝胶对甲基橙分子的吸附属于单分子吸附模型。
Freundlich吸附方程为:
undefined
其中,KF为Freundlich吸附系数;n为吸附作用力强度指标。如果n<1,表明吸附是化学过程,吸附较慢;如果n>1,表明吸附过程是物理吸附,吸附较快[10]。线性拟合见图6(b)。拟合新型关系良好(LnQ = 1.20196LnCe-0.94285),相关系数大于0.99,该拟合后的n值为0.83。表明该吸附为化学吸附,吸附较慢。
3 结论
设计制得了1种可以高效选择性吸附甲基橙染料分子的超分子金属有机凝胶,并采用动态法考察了干凝胶对甲基橙染料分子的吸附性能:干凝胶对甲基橙染料分子有较好的吸附率;吸附平衡时间为 60min;干凝胶的吸附率随干凝胶用量的增加而增大,在 5mg 时吸附率基本达到稳定;在银离子与凝胶因子比例为1∶1时,干凝胶的吸附率最大;溶液酸度对干凝胶吸附率影响较大,当溶液 pH 值为5～11时,吸附达到最大。干凝胶的吸附容量随甲基橙溶液初始浓度的增大而增大,并逐渐达到饱和吸附容量。该吸附过程在动力学发面符合液膜扩散控制,并对吸附等温模型进行拟合后发现,符合Langmuir及Freundlich等温吸附模型。证明该吸附过程属于单分子吸附且属于化学吸附。
摘要：以双羧酸功能化的苯并咪唑内鎓盐(L17)和硝酸银为原料制备了超分子金属有机凝胶,研究了该凝胶对罗丹明B、孔雀石绿及甲基橙的吸附性能,实验结果表明在水相中该凝胶可以选择性地吸附甲基橙分子。同时,考察了干凝胶用量、吸附时间、凝胶因子与金属离子配比及pH值等因素对吸附性能的影响,发现干凝胶用量为5mg、吸附时间在40～60min、最佳配比为1∶1、体系pH值为5～11时体现出最佳的吸附能力。该干凝胶对甲基橙的吸附行为符合Lang-muir及Freundlich等温吸附式,从动力学角度分析该吸附行为受液膜扩散控制。
关键词：苯并咪唑内嗡盐,超分子金属有机凝胶,吸附,甲基橙
参考文献
[1]Hou X L,Yang R L,Xu H L,et al.[J].Ind.Eng.Chem.Res.2012,51:8341-8347.
[2]凌芳,李光明.染料废水的治理现状及展望[J].江苏环境科技:2006,19:98-101.
[3]陆朝阳,沈莉莉,张全兴.吸附法处理染料废水的工艺及其机理研究进展[J];工业水处理:2004,24(3),12-16.
[4]陈凯,金鑫,唐黎明.超分子金属凝胶[J].化学进展:2010,22(6),1094-1101.
[5]Ray S,Das A K,Banerjee A.[J].Chem.Mater.2007,19:1633-1639.
[6]Pool WO,Harwood HJ,Ralston AW.[J].J.Am.Chem.Soc.1937,59,178-179.
[7]Zbancioc G,Bejan V,Risca M,et al.[J].Molecules.2009;14:403-11.
[8]Boyd G E,Adamson A W,Myers L S.[J].J.Am.Chem.Soc.1947,3,2836-2848.
[9]Allen S J,Mekay G,Porter J F.[J].Journal of Colloid and In-terface Science.2004,280,2,322-323.
超分子聚合物靶向药物研究进展 篇6
大多数常用药物分子量低, 在体内容易扩散, 导致相对平均的组织分布, 缺乏选择性, 特别是抗肿瘤药物, 杀伤肿瘤细胞的同时, 也影响正常细胞。近年来, 高分子偶联药物作为一种靶向药物成为研究的热点, 它是由一定疗效的药物与合适的高分子载体经化学方法结合而成, 可以改进药物的药代动力学性质, 控制药物的释放, 使药物到达器官或肿瘤的靶向部位。抗体与抗癌药物可通过直接或间接的方式联接, 目前多采用共价偶联法制备药物-MAb复合物。随着生物技术的迅速发展, 多种生物活性肽和蛋白质已作为药物被用于临床。然而, 由于它们自身固有的结构特点, 在体内具有半衰期短、易被酶降解及免疫原性等缺点。为改善这些不足之处, 从结构和制剂的角度对其进行了大量研究, 其中与天然或人工合成的聚合物 (如聚乙二醇等) 偶联, 来改善多肽和蛋白质类药物的药效学和药动学性质, 已发展成为一种重要的方法。
1 关于超分子聚合物
超分子是分子之间的结合, 借助的结合力是非共价键力。与共价键力相比, 非共价键力属于弱相互作用, 包括范德华力、静电引力、氢键力、π相互作用力及疏水相互作用力等。虽然非共价相互作用很弱 (一般小于10k J/mol, 比通常的共价键键能小1～2个数量级) , 作用范围为0.3～0.5nm, 但这些分子间弱相互作用力可在一定条件下起加合与协同作用, 形成有一定方向性和选择性的强作用力, 而这种强作用力是分子识别与组装的基础。超分子聚合物与传统的聚合物在制备方法、结构和性能上都有很大不同。从结构上来说, 超分子聚合物通常被分为两类:主链型和侧链型。根据非共价键相互作用的本质, 超分子聚合物可分类为氢键型、配位型或称为金属-超分子聚合物、π-π堆叠型、离子型和混合型 (即同时存在两种不同类型的非共价键相互作用) , 其中, 氢键由于其方向饱和性和中等的强度, 在制备超分子聚合物方面被公认是非常有效的驱动力之一。
2 超分子抗菌药物靶向制剂的研究前景
食品动物养殖离不开抗菌药物, 但养殖业中广泛应用抗菌药物造成动物源耐药病原菌的大量产生与扩散, 并由此引发药物滥用与病原菌耐药性不断增强的恶性循环, 给动物疾病的防控和动物性食品安全带来了严重威胁。为缓解和消除当前药物滥用及病原菌耐药性所引发的危机, 有效防治动物细菌性疾病, 研制新型高效速效抗菌药物制剂刻不容缓。
当前国内外研究较多的主动靶向给药系统, 其制备的条件严格, 技术要求高, 方法复杂。如:通过对5-Fu聚乳酸载药微球接PEI进行表面胺解、接枝靶向基团Folate以及荧光物质FITC, 制备了靶向5-Fu聚乳酸微球;利用转铁蛋白 (Tf) 尝试先合成带有中间结构的Tf复合物, 如Tf-红细胞, 然后再将药物结合到此复合物上;用聚L-赖氨酸将不同数量的光敏物质二氢卟酚分子和抗结肠癌单抗连接形成阳离子型或阴离子型光免疫复合物等。靶向超分子聚合物的鉴定方法与PEG化的蛋白偶联产物相同, 但是由于靶向超分子聚合物中的各组分是以非共价键相连接, 因此采用的是非变性的聚丙烯酰胺凝胶电泳。
抗体介导的主动靶向给药系统其抗体均是采用杂交瘤技术制备的单克隆抗体, 需要首先进行细胞的培养与融合, 然后选择具有抗体分泌功能和持续增殖能力的克隆细胞来制备对抗原特异的单克隆抗体, 条件要求高, 技术含量高, 生产成本高。因此, 单克隆抗体及其介导的主动靶向制剂的广泛应用受到限制。而在超分子主动靶向制剂中使用的是特定病原通过动物免疫后提取和纯化的血清抗体, 采用的是常规免疫、提取和纯化方法, 抗体生产量大, 成本低, 利于广泛应用。
由于PEG的化学性质比较稳定, 因此, 在利用PEG连接药物与靶向载体物质时, 需要使用特定的试剂和方法将PEG活化, 然后进行活化产物的分析、分离与鉴定。活化后PEG与载体和药物是通过共价键连接, 可能会影响药物在靶部位的释放, 从而导致药物的疗效降低和残留增加。而靶向超分子聚合物中的PEG无需活化, 利用的是PEG分子中的特定基团与抗体和药物中的特定基团通过弱相互作用力连接, 当靶向超分子聚合物到达靶部位后, 可能由于抗体与病原的结合力大于抗体与PEG的弱作用力, 导致抗体与PEG的分离, 这有利于药物在机体内的解离和药效的发挥, 同时, 优于PEG的修饰作用, 降低了抗体的免疫原性, 减少了副作用。
目前, 主动靶向给药系统的研究主要集中在肿瘤疾病的治疗上, 其中抗体介导的主动靶向给药系统既要降低抗体的免疫原性, 又要保证抗体的生物活性, 其制备过程复杂, 需要解决PEG的活化、PEG修饰及抗体被PEG修饰后活性降低等问题, 技术要求高, 生产成本高, 治疗费用昂贵。若将单抗与药物通过超分子聚合方法连接, 则可减少步骤, 降低难度, 节省费用, 值得尝试。
超分子抗菌药物靶向制剂是一个药物集团, 类似脂质体, 由于特异抗体的导向作用, 使之具有细胞和分子水平的主动寻靶能力, 兼有脂质体和主动靶向制剂的优点。利用超分子聚合物方法不但可以制备抗菌药物主动靶向制剂, 而且对抗病毒主动靶向制剂的研究也具有重要的指导意义, 对动物医学和人类医学的发展将起到积极的作用。
参考文献
[1]马金波, 郄建坤, 刘克良.多肽蛋白质类药物聚乙二醇化修饰研究进展[J].中国药物化学杂志, 2005, 15 (2) :116～120.
[2]逯敏飞, 程永清, 李丽君, 伍建军.被动靶向药物载体的研究进展[J].材料导报, 2005, 19 (9) :108～110.
[3]李学涛, 田景振, 张玉娟.靶向制剂的研究进展[J].食品与药品.2006, 8 (02A) :13～17.
[4]辛胜昌, 李忠彦, 吴新荣.磁性靶向药物的研究进展[J].Herald of Medicine, 2006, 25 (7) :680～682.
[5]李曦, 方灯明, 何敏博, 张超灿.磁性脂质体的制备及应用研究进展[J].材料导报, 2006, 20 (9) :51～54.
[6]刘新垣.癌症靶向治疗的最新进展[J].中华肿瘤防治杂志, 2006, 13 (18) :1361～1364.
[7]甄永苏.治疗肿瘤的抗体靶向药物[J].中华肿瘤防治杂志, 2006, 13 (22) :1681～1682.
[8]张继娟, 吴梧桐.聚乙二醇 (PEG一5000) 对胰激肽释放酶化学修饰的初步研究[J].药物生物技术, 2006, 13 (6) :409～412.
[9]胡小芳, 胡大为.超分子聚合物研究与应用进展[J].合成材料老化与应用, 2007, 36 (3) :27～31.
超分子化学 篇7
关键词：热媒水,防腐蚀,阻垢,超分子膜化技术
1 概述
随着工业的迅速发展, 金属设备的腐蚀问题越来越严重, 越来越引起国家科技部门、工厂企业对这个问题的高度重视。腐蚀给国民经济带来巨大的损失, 据统计, 由于腐蚀带来的金属设备和材料损耗相当于金属年产量的约三分之一。假定其中三分之二的金属尚可回炉重新熔炼, 那么剩下的三分之一, 或者说约有十分之一的金属材料将因腐蚀而无法回收, 可见腐蚀造成了巨大的资源浪费。
腐蚀对化工、炼油等行业的危害更大。它不仅造成金属设备、管道的泄漏损坏, 还给正常的生产运行带来严重影响, 成为安全平稳生产的隐患, 因腐蚀造成的设备事故对员工人身安全也带来严重的威胁。同时, 腐蚀使金属设备损坏, 降低了使用寿命, 提前退出服役, 而金属设备的造价远远超过金属材料本身的价格。
腐蚀造成的经济损失可分为直接损失与间接损失:
直接损失:更换已腐蚀的设备部件所耗费的材料、制作费、维修费等。
间接损失:突然停车、物料损失、产品污染、效率降低、过剩设计等。
腐蚀给国民经济带来极大的损失与危害, 因此, 引起各行业的高度重视。腐蚀问题的解决与否, 往往会直接影响新技术、新材料、新工艺的实现。设备腐蚀问题解决不好, 将无法实现安全生产, 所以防腐蚀工作是现代工业生产的一项重要工作。搞好防腐蚀工作, 对促进新技术的发展、节约金属材料、延长设备使用寿命、节约资金、保证安全生产、减少环境污染有着重大意义。
2 热媒水系统概况
蓝星石油济南分公司热媒水系统的主要作用是给气分装置提供热源, 其原理是利用催化装置分馏塔顶油气、顶循等物料的热量给热媒水加温, 然后到气分装置作为热源加热塔底物料, 加热完成后热媒水再循环到催化装置。主要流程为:热媒水储罐→热媒水泵→催化H207A/B (油气) →H208 (顶循油) →H209 (柴油) →气分装置E203B (再沸器) →催化H210 (软水) →热媒水储罐。
热媒水系统的补水为公司内生产的软化水。由于整个系统为非密闭运行, 造成严重化学腐蚀, 影响换热器、再沸器管束的使用寿命, 最短时间半年就需要更新管束, 装置被迫停工抢修;系统管线腐蚀形成的漏点达到20余处, 这不仅造成资金的浪费, 更给安全生产带来隐患。 (表1换热器、再沸器管束更换情况统计表)
因此, 为提高公司经济效益, 保障装置的安全生产, 必须采取措施解决热媒水系统的腐蚀问题。
3 超分子缓蚀阻垢剂的结构、特点、性能
“超分子”这个词早在20世纪30年代已经出现, 但在科学界受到重视却是50年之后。在1978年, 法国科学家J.M.Lehn (莱恩) 首次提出“超分子化学”这一完整概念, 他指出:“基于共价键存在着分子化学领域, 基于分子组装体和分子键而存在着超分子化学”, 这是一次重大的思想飞跃。超分子化学通常指两种或两种以上分子, 靠分子间相互作用结合在一起, 组成复杂的、有组织的聚集体, 并保持一定的完整性, 使其具有明确的微观结构和宏观特性, 分子间的关系, 如同原子通过共价键形成分子一样。1987年C.J Pedersen (佩德森) 、J.M Lehn (莱恩) 、D.J Cram (克来姆) 三位化学家, 因为在超分子化学研究的贡献获得了诺贝尔化学奖。
分子识别是由于不同分子间的一种特殊的、专一的相互作用, 它既满足互相结合的分子间的空间要求, 也满足分子间各种次级键力的匹配。在超分子中, 一种接受体分子的特殊部位具有某些基团, 正适合与另一种底物分子的基团相结合, 体现出锁和钥匙原理, 当接受体分子与底物分子相遇时, 相互选择对方, 一起形成次级键;或者接受体分子按底物分子的大小尺寸, 通过次级键构筑起适合底物分子居留的孔穴的结构, 所以分子识别的本质就是使接收体和底物分子间形成次级键的最佳条件, 互相选择对方结合在一起, 使体系趋于稳定。
Q D-3 6 6超分子缓蚀阻垢剂的理论基础, 就是以超分子化学的科学观念为指导, 开拓了分子自组装途径, 和分子识别的构建基础, 利用分子间的相互作用使产品应用后, 在水系统的内壁上构筑成一种高级结构体系, 并最终形成一层坚硬致密, 平整光滑的超分子膜。
常规的缓蚀阻垢剂一般是通过晶格畸变、螯合反应和形成一层保护膜来实现阻垢缓蚀的效果, 但是有局限性, 效果不尽如人意, 只能缓解不能从根本上解决问题。而超分子缓蚀阻垢剂是形成的超分子膜, 类似于纳米膜, 能完全阻隔结晶的附着和各种腐蚀, 并且, 分子识别和化学键结合的时候, 可以排斥和清除设备表面原来的污垢, 具有彻底清除污垢的清洗功能。
我国防腐蚀大师—北京化工大学的魏刚教授, 第一个把此原理引用到防腐蚀药剂领域, 并研制出世界领先的工业锅炉用超分子缓蚀阻垢剂, 从根本上解决了锅炉的结垢和腐蚀的问题。下面这个图可以直观的认识这个概念, 在原子力显微镜下可以很清楚的看见, 本来的金属面实际是很粗糙的, 而加入超分子缓蚀阻垢剂后就能形成这样一个平整光滑的分子膜 (见图1) 。
备注:1.试片采用HG5-1526腐蚀监测标准试片2.试片放入时间:2011年2月23日13时30分试片取出时间:2011年3月15日13时30分3.试片材质:20#碳钢;清洗介质:无水乙醇, 执行《HG 5-1526-1983冷却水化学处理标准腐蚀试片技术条件》标准
这个产品在2000年开始研发应用于工业锅炉, 到2010年, 列入国家863项目, 进入工程化推广阶段, 先后在河北廊坊, 东北大庆油田等地得到推广。在使用超分子缓蚀阻垢剂后不光从根本上解决了腐蚀和结垢, 而且还具有优良的自清洗功能, 这样在投加药剂时, 系统内有少量结垢也不用专门进行清洗除垢后再投加, 这样就不用停车检修, 节约了大量成本, 更增加了锅炉的安全系数。
从下面这个图片可以清楚的看到这个效果见图2:
清达环保科技有限公司, 是该项技术的协作推广单位, 既在工业锅炉系统推广该技术, 同时, 针对工业循环水系统, 开发出了Q D—366超分子缓蚀阻垢剂。Q D—366超分子缓蚀阻垢剂性质稳定, 是中性的低分子有机物, 可耐高PH值, 高硬度, 高浊度, 在钙硬+碱硬>1200mg/L的条件下, 仍有优良性能, 可使系统在自然PH值高浓缩倍数下运行, 对一般水质, 浓缩倍数可达8~10, 是普通药剂 (K=2~3) 节水量的3~5倍。不仅防腐阻垢效果显著, 而且具有剥离清洗污垢的作用。
3.1 热媒水防腐蚀试验
基于腐蚀与防腐蚀化学原理, 为克服传统缓蚀剂易挥发则不易在金属表面吸附, 而易吸附则不易挥发的弊病, 利用超分子化学原理, QD—366超分子缓蚀剂利用分子间的结构互补和分子识别关系, 使缓蚀剂分子以适宜的速度挥发并均匀地扩散、吸附在金属表面, 使钢处于钝化状态, 保证热媒水系统中铁离子含量增量稳定在0.2 mg/L/a, 达到防腐蚀目的。
本试验方案采用了青岛清达环保科技有限公司的专利技术, 通过向热媒水系统中添加超分子缓蚀阻垢剂 (QD—366) , 使之在设备和管道的内表面形成一层致密的保护膜, 从而达到防腐蚀的目的。
3.1.1 主要试验设备
新增加药计量泵2台、加药储罐2台及配套管线阀门等。
3.1.2 运行方法
初次加药量 (一次性投加入热媒水储罐) :QD-366约1800kg (系统剥离清洗、膜化钝化作用) , 运行48小时后, 将浊水置换清澈, 再投加QD—366 (系统防腐作用) 约240kg。
运行稳定后, 按照系统保有水量, Q D—366加药量控制为30~50p p m, 热媒水p H值控制在9.5~12.5之间。
热媒水防腐蚀加药系统流程示意图3:
3.1.3 系统监测控制方案
根据监测要求, 由化验部门每天采取热媒水系统水样, 化验水中铁离子、p H值、总固溶、电导率4个指标, 并于2011年2月23日至3月15日进行了挂片试验。
3.1.4 试验结果
为了便于试验结果对比, 自01月05日起对热媒水系统进行了四次空白水样 (即未加剂的水样) 化验分析, 分析数据见表2。01月14日, 热媒水系统开始加注超分子缓蚀阻垢剂, 于03月15日完成试验。试验的第一周, 为观察系统加药后的水样数据变化情况, 每天进行一次水样分析;自1月21日期, 改为隔天分析一次;2月23日, 在热媒水罐的10%、50%、75%液位处分别悬挂了三枚标准碳钢试片, 进行20日挂片试验, 水样分析频次调整为每周二、五各分析一次。系统加药后的热媒水样分析数据见表4, 挂片试验记录见表5, 表3为每次系统排污后补水的水样分析数据。
3.1.5 效果分析
由分析数据可以看出, 试验期间热媒水共分析31次, 总铁指标平均值为2.33mg/L, 对比空白水样总铁含量平均值9.23 mg/L, 下降明显, 且符合热媒水平均总铁含量不高于系统补水总铁含量平均值200μg/L的技术指标要求;总固溶指标平均值为2291ppm, 达到技术指标要求的≤3000ppm的标准。在试验的后一个月总铁含量基本稳定在2.3mg/L左右, 没有因腐蚀而增加的趋势, 反映了热媒水系统水质稳定。
挂片试验的结果表明, 三枚试片中编号为2170#和2172#的两枚试片没有腐蚀现象发生, 也没有结垢发生, 试片外观表面光滑;2171#试片外观发现有明显腐蚀, 试片减薄0.0011mm, 其腐蚀成因主要是有氧腐蚀 (该试片挂在热媒水罐75%液位处, 靠近水面, 由于系统排污置换, 导致水位下降, 该试片有较长一段时间悬浮在水面之上, 累计约有126小时, DCS的液位记录曲线反映了这一情况) 。从三枚试片的情况也能看出, 水中的试片试验期间没有腐蚀, 阻垢率和钢缓蚀率均达到技术指标要求的≧99%标准, 证明该防腐措施是有效的。
2011年5月28日, 气分装置进行停工检修。附图1是本次E203B的管束照片, 附图2是2010年停工检修时E203B的管束照片, 使用超分子防腐阻垢剂前后的图片对比, 更直观的表明了超分子缓蚀阻垢剂对热媒水系统良好的防腐蚀作用。
4 工业应用
自2011年03月15日完成挂片试验后, 进入工业应用阶段。
5 经济效益
系统加注QD—366超分子防腐阻垢剂后, 可保证热媒水系统正常运行5年以上, 除去每年运行费用10万元, 5年可节约资金135万元, 并可保证装置不再因热媒水系统泄漏造成非计划停工。
6 结论
超分子化学 篇8
1 基于Gemini表面活性剂的超分子水凝胶的制备
分别配制0.01M的18-3-18表面活性剂溶液, 然后利用0.2 M的Na OH溶液和反丁烯二酸配制0.05 M的反丁烯二酸钠溶液。将表面活性剂溶液与有机酸盐类按照不同比例混合, 摸索形成凝胶的最佳条件。实验现象:将试管倒置溶剂没有流动则此状态为稳定凝胶 (G) , 有流动但有像冻状的东西存在称其为半凝胶 (PG) , 只有溶液为溶解 (S) , 如果出现沉淀则记为沉淀 (P) 。
2 Cd S纳米量子点的制备[3]
根据文献[4]:取10m L的5m M的Cd Cl2溶液于烧杯中, 加入5微升的巯基乙酸, 溶液变浑浊, 用10M的Na OH溶液调节至7左右, 加入1.89m M的Na2S溶液, 用1M的Na OH溶液或1M的HCl溶液调节p H至8.2左右, 连续搅拌4小时。通过改变Cd与S的摩尔比和反应p H值, 制备不同粒径大小的Cd S纳米量子点。
3 Cd S纳米量子点与凝胶体系的组装及对所得新型材料性质的研究
在洗净干燥后的试管中加入1ml的0.01M的18-3-18和0.18 m L的0.05M的反丁烯二酸钠, 再加入不同体积的同一种Cd S纳米量子点反应溶液。通过改变加入Cd S纳米量子点溶液和反丁烯二酸钠溶液的体积, 选出荧光强度较大的且最大荧光发射波长不同的几组Cd S纳米量子点溶液制成组装凝胶, 并把它们放在紫外灯下观察其颜色。选择四组含有不同Cd S纳米量子点的凝胶测其荧光强度, 同时将对应的Cd S纳米量子点溶液按比例制成参比溶液测其荧光强度。选择一种荧光强度比较强的组装凝胶测其在5℃~20℃两温度之间荧光强度变化。并把已制好的新型组装凝胶, 由常温加热至68℃, 之后降温至40℃, 再升温60℃, 循环多次, 由实验结果可以发现, 经高温处理过的溶胶体系其荧光强度很难随着温度的变化而进行可逆的变化, 它在第一次升到高温后, 荧光强度急剧下降, 之后很难恢复, 可能的原因是高温时体系的纳米量子点颗粒运动加剧, 粒子间碰撞几率大大增加, 使得晶粒团聚, 纳米晶数目急剧减少, 从而导致荧光强度循环困难。我们也考察了凝胶的温敏情况, 我们选择在5℃和20℃两个温度点之间循环, 通过测试其荧光强度变化, 我们可以得出所制得的新型凝胶的荧光强度能够在低温下随着温度的改变而发生可逆的变化。
摘要：本论文基于Gemini表面活性剂特殊的黏度性质设计一些超分子水凝胶, 并从中选择凝胶。强度比较强的凝胶体系与Cd S纳米量子点组合设计成一种独特的智能凝胶。实验中将Cd S纳米量子点引入凝胶体系通过自组装成新型凝胶体系。本实验考察了这种自组装凝胶的温度敏感性质, 研究了凝胶体系对Cd S纳米量子点的荧光强度的影响, 利用不同粒径的Cd S纳米量子点溶液制得了一系列在紫外灯下具有不同颜色的智能凝胶并对它们作了一定的表征。
关键词：Gemini表面活性剂,CdS半导体量子点,智能水凝胶,自组装凝胶
参考文献
[1]唐善法, 刘忠运[M].北京:化学工业出版社, 2011.
[2]刘文广, 姚康德[J].高分子材料科学与工程, 2002, 18 (5) :54-57.
[3]Jessica O.inter, Natalia Gomez[J].Colloids and Surfaces A:Physicochem.Eng.Aspects 2005, (254) :147-157.
超分子化学 篇9
1实验
1.1原料及试剂
1-[2-(4-苯基偶氮苯氧基)乙基]吡啶溴化铵(AZO)和含碲金刚烷客体分子(ADA-Te)均根据本课题组前期报道的方法合成[16]。枯烯过 氧化氢 (CUOOH)、4-硝基苯硫 酚(NBT)、3-羧基-4-硝基苯硫 酚 (TNB)、氮异丙基 丙烯酰胺(NIPAM)和双氧水从南宁蓝天实验设备有限公司购买。图1为各试剂的结构示意图。
1.2实验仪器
紫外可见光光谱仪 (普析T6新世纪);pH计 (MettlerToledo320);动态光散射仪(Malvern-ZetaSizerNanoZS);核磁共振仪(BRUKERAM-500);凝胶色谱仪(日本岛津SHIMASDZUCBM-20Alite);冻干机(北京四环LGJ-10C);扫描电子显微镜 (JEOLFESEM6700F);透射电子 显微镜 (JEOLJEM3010)。
1.3聚合物的合成及表征
聚合物利用原子转移自由基聚合 (ATRP)技术进行合成。其中,大分子引发剂(CD-Br)和环糊精主体聚合物(PNIPAM-CD)根据本课 题组前期 报道的方 法合成[16]。PNIPAM-CD的合成路 线见图2。GPC表征结果 如下:Mn为14730,Mw为15030,PDI为1.021,聚合度为117。
1.4仿生硒酶的结构性质表征
为了验证PNIPAM-CD中的环糊精与ADA-Te中金刚烷形成复合物,利用同样能够和环糊精复合的1-[2-(4-苯基偶氮苯氧基)乙基]吡啶溴化铵(AZO)为竞争客体分子进行表征,测试的相关复合物溶液按如下方法制备。
复合物1:将主体聚合物PNIPAM-CD(0.001mmol)和AZO(0.0005 mmol)溶解在0.5 mLD2O中,20℃超声20min形成待测试的复合液。
复合物2:将主体聚合物PNIPAM-CD(0.001mmol)和ADA-Te(0.0005mmol)溶解在0.5mLD2O中,20℃超声20min形成复合液(PNIPAM-CD-Te)。然后,再向复合体系中加入AZO(0.0005mmol),20℃超声20min形成待测试的复合液。
利用核磁分析AZO的芳环部分化学位移的变化来证明复合物的形成。
此外,仿生硒酶的LCST测试、SEM测试、动态光散射测试和酶活力分析均按照前期报道的方法进行[15,16]。
2结果与讨论
2.1仿生硒酶的制备及结构表征
对天然GPx的结构表征表明,对GPx催化活力起决定作用的是其硒代半胱氨酸部位[17]。前期研究表明,与含硒类仿生硒酶相比,含碲仿生硒酶具有更高催化活力[3,12,14]。因此,在本工作中,设计合成了修饰有金刚烷的客体分子ADATe来模拟天然GPx的催化中心(如图1所示),并合成了修饰有环糊精的聚氮异丙基丙烯酰胺主体聚合物(PNIPAMCD),用以研究其聚合物骨架对GPx催化活力的调控机制。以ADA-Te和PNIPAM-CD为组装基元,利用环糊精与金刚烷的主客体作用制备了温度响应的超分子仿生硒酶 (PNIPAM-CD-Te),其制备过程如图3所示。
为了证明PNIPAM-CD-Te中环糊精/金刚烷复合物的形成,利用AZO作为竞争客体分子,通过核磁检测AZO中芳香环化学位移的变化,间接证实复合物的形成。如图4所示,复合物1和复合物2中,AZO中芳香环化学位移明显不同。与复合物2相比,复合物1中AZO的Ha、Hb、Hc、Hd的化学位移明显向低场移动,Hg的化学位移明显向高场移动,Hh 的信号峰为包峰。复合物1中系列核磁信号的变化是由于在复合物1中,AZO与环糊精形成复合物导致的。而在复合物2中,PNIPAM-CD的环糊精空腔被ADA-Te所占据,不能再与AZO复合,这与已报道的实验结论一致[15,16]。因此,以上实验结论可以证明PNIPAM-CD-Te中的环糊精与ADA-Te的金刚烷形成了 主客体复 合物,即成功地 制备了PNIPAM-CD-Te。
此外,通过测定PNIPAM-CD和PNIPAM-CD-Te的LCST的变化,复合物的形成得到了进一步证实。首先,测试了600nm下PNIPAM-CD和PNIPAM-CD-Te的透光率随温度变化的趋势(图5),其中,PNIPAM-CD和PNIPAM-CDTe的LCST分别为32.4℃和31.7℃。PNIPAM-CD-Te的LCST比PNIPAM-CD的LCST更低,这可能是由于疏水客体分子ADA-Te的引入使PNIPAM-CD-Te的疏水性更强所致,类似的实验现象同样已有报道[15]。这一结论进一步证实了PNIPAM-CD-Te被成功地制备出来。
2.2仿生硒酶的酶学性质分析
本研究中,PNIPAM-CD-Te的催化活力是在Hilvert教授报道方法的基础上加以改进测定的[18],酶催化反应式见图6,催化活力是假设一个碲原子为仿生硒酶的一个催化中心来进行计算的,各种条件下测定的催化活力如表1所示。
首先,从表1可见,以TNB、CUOOH为底物在25~45℃间选择不同温 度对PNIPAM-CD-Te的催化活 力进行测试,其催化活力随温度的升高逐渐改变。为了更加直观地反映PNIPAM-CD-Te催化活力随温度变化的趋势,绘制了如图7所示的催化活力随温度变化 曲线。当温度 低于32℃时,随着温度的 升高,PNIPAM-CD-Te的催化活 力缓慢增加;而当温度升高到32~37℃之间时,催化活力 大幅度增加;当温度达到37℃以上并继续升 高时,催化活力 略微降低。由此可见,PNIPAM-CD-Te的催化活力 表现出了 典型的温度响应特性。
其次,由表1可见,PNIPAM-CD-Te在37℃时具有最高催化活力。因 此,本研究在37℃条件下,以TNB和CUOOH为底物对PNIPAM-CD-Te的饱和动力学等酶学性质进行测试。如 图8所示,固定底物TNB的浓度 (0.15mmol·L-1),改变CUOOH的浓度(0.05mmol·L-1,0.10mmol·L-1,0.25mmol·L-1,0.5mmol·L-1,1.0mmol·L-1,2.5mmol·L-1,5.0mmol·L-1)测得PNIPAM-CD-Te催化反应的饱和动力学,其表观动力学常数为:Vmax=15.52μmol·L-1·min-1,kcatapp=15.52 min-1,KmCUOOH=501.9-μmol·L-1,kcatapp/KmCUOOOH=3.09×104(mol·L-1)-1·min-1,PNIPAM-CD-Te展现出典型的酶催化饱和动力学行为。
2.3仿生硒酶的催化机制研究
由图7可见,PNIPAM-CD-Te表现出典 型的温度 响应催化活力。对于天然酶而言,细微的结构变化可能导致天然酶催化活力的较大变化。因此,预测温度响应过程中,PNIPAM-CD-Te自组装结构的变化可能是导致其催化活力具有温度响应特性的根本原因。
为了证明这一预测,对不同温度下PNIPAM-CD-Te的自组装结构进行了表征。如图9所示,利用动态光散射仪对不同温度下溶液 中PNIPAM-CD-Te的水合半 径进行了 测试。其中,25℃、28℃、35℃、37℃和45℃下的水合半径分别为7.5nm、8.75nm、91.35nm、105.7nm和295.4nm。综合分析图7和图9可见,当温度低于PNIPAM-CD-Te的LCST时,PNIPAM-CD-Te的水合半径较小(小于10nm),即聚合物骨架和GPx催化中心(ADA-Te)均匀分散在溶液中,没有形成聚集态,此时催化活力较低。随着温度的升高,当温度高于PNIPAM-CD-Te的LCST时,PNIPAM-CD-Te的水合半径迅速变大,形成水合半径约100nm的聚集体。图10为37℃测得的扫描电镜照片,可以直观地观察到此时PNIPAM-CD-Te形成了100nm左右的球状组装体。此时,聚集体的形成是由于温度响应后PNIPAM-CD-Te骨架由亲水性转变为疏水性导致的。在此条件下,聚合物骨架和GPx催化中心形成紧密的聚集结构,疏水的聚合物骨架在催化中心周围形成疏水微环境,能够更加有效地识别酶催化底物,因此催化活力得到迅速提高。而当温度达到37℃以上并继续升高时,催化活力 略微降低,这可能是 由于温度 较高时,PNIPAM-CD-Te会形成更大尺寸的聚集体(水合半径约300nm),会将部分催化中心包埋在聚集体中,阻碍催化中心与底物结合,进而在一定程度上会降低催化活力。由此可见,在温度响应过程中,聚合物自组装结构发生变化,会形成有利于酶催化反应进行的疏水微环境,进而有利于增加酶催化活力。根据上述实验结果,绘制了温度响应过程中聚合物自组装结构的变化调控仿生硒酶催化活力的示意图(见图3)。
为了进一步证实聚合物自组装结构变化过程中,形成的疏水微环境对调控催化活力的重要作用,设计了4个不同的活力测试体系进行研究。如图11所示(催化速率见表1),CUOOH,TNB体系,v0=4.92μmol·L-1·min-1;H2O2,TNB体系,v0=1.83μmol·L-1·min-1;CUOOH,NBT体系;v0=5.24μmol·L-1·min-1;H2O2,NBT体系,v0=2.79μmol·L-1·min-1。与TNB不同是,NBT少一个羧基,因此NBT的水溶性相对较差。而NBT作为底物的催化活力比TNB作催化底物的活力更高(图11,A<C,B<D),这说明PNIPAM-CD-Te中形成的疏水环境对疏水性强的底物具有更强的结 合能力,进而催化 活力更高。与 此类似,CUOOH和H2O2 的不同是,枯烯基的存在使CUOOH的疏水性更强,CUOOH作为底物的催化活力比H2O2 作催化底物的活力更高(图11,A>B,C>D)。这也是由于CUOOH是疏水的分子,其与PNIPAM-CD-Te内部形成的疏水微环境正好匹配,PNIPAM-CD-Te对CUOOH底物的结合能力更强导致的。所以,CUOOH作为底物的催化活力更高,这也进一步证明了在温度响应过程中,疏水微环境的形成对提高疏水底物的反应速率具有重要作用。
因此,综合以上分析可以得出结论,温度响应过程中聚合物自组装结构的变化是导致PNIPAM-CD-Te催化活力具有温度响应特性的根本原因。
3结论
(1)利用核磁表征证明PNIPAM-CD-Te中的环糊精与ADA-Te的金刚烷形 成了主客 体复合物,通过测定PNIPAM-CD和PNIPAM-CD-Te的LCST分别为32.4℃和31.7℃,其LCST的不同进一步证实复合物的形成,即PNIPAM-CD-Te被成功制备。
(2)利用动态光散射表征表明,25℃、28℃、35℃、37℃和45℃下,PNIPAM-CD-Te的水合半 径分别为7.5nm、8.75nm、91.35nm、105.7nm和295.4nm;水合半径的变化证明PNIPAM-CD-Te聚合物骨架在温度响应过程中会发生自组装结构的变化。
(3)以TNB、CUOOH为底物在25~45℃间选择不同温度对PNIPAM-CD-Te的催化活 力进行测 试。研究表 明,PNIPAM-CD-Te的催化活力在25~45℃内具有典型的温度响应特性,37℃时具有最高催化活力(υ0=4.97 mmol·L-1·min-1);同时,PNIPAM-CD-Te还展现出典型的酶催化饱和动力学行为。