【摘要】：礦物-水界面反應(yīng)是生物地球化學(xué)過程中最基礎(chǔ)的關(guān)鍵研究內(nèi)容。其中,在微觀礦物界面上發(fā)生的溶解和沉淀(表面生長)反應(yīng)最能直接影響土壤地球化學(xué)過程中的礦物元素循環(huán)、養(yǎng)分有效性、重金屬的去向以及生物礦化過程(無機(jī)元素吸收進(jìn)入生物體后形成礦物的過程)等。在每一個特定過程中,反應(yīng)速率及動力學(xué)(Kinetics)最終由礦物界面以及界面液體中所包含的各種有機(jī)、無機(jī)添加(雜質(zhì))分子和離子組分所控制。所以,研究反應(yīng)過程中有機(jī)大分子-礦物界面的相互作用對晶面生長動力學(xué)過程及晶體形貌的調(diào)控作用尤為重要。目前,借助最新發(fā)展的原位觀測手段和單分子力譜,可以直接實(shí)時觀測納米級礦物表面反應(yīng)和無機(jī)礦物與有機(jī)分子之間的相互作用,這有助于揭示發(fā)生在礦物-水界面上的反應(yīng)機(jī)制。本研究以普遍存在于土壤和生物體內(nèi)的磷酸鈣礦物以及一種在生物礦化過程中被廣泛研究的模式蛋白Amelogenin的C-末端短肽為實(shí)驗(yàn)材料,使用原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy,AFM)原位觀測礦物-水界面反應(yīng)的動力學(xué)過程。并在AFM針尖表面化學(xué)修飾上單個短肽分子,利用AFM單分子力譜在單分子水平上測定了短肽和磷酸鈣礦物表面的結(jié)合能。此外,結(jié)合短肽的生物化學(xué)熒光標(biāo)記和修飾等研究最終探明Amelogenin C-末端短肽自組裝體和分子單體在調(diào)控磷酸鈣礦物界面生長具有不同的動力學(xué)和熱力學(xué)(Thermodynamics)(統(tǒng)稱Dynamics)機(jī)制。此微觀機(jī)制的研究為研究其它復(fù)雜土壤礦物和生物礦物的界面反應(yīng)提供了線索和方法上的探索。此研究得出的主要結(jié)論如下:1、單體Amelogenin C-末端短肽通過修飾二水磷酸氫鈣(DCPD)-水界面的界面能來修飾DCPD(010)面上生長螺旋的臨界長度以及臺階寬度,從而抑制DCPD晶體表面的螺旋生長。在過飽和度(相對于DCPD的σ=0.344-0.659)范圍確定的系列溶液中,首先利用原位AFM實(shí)時測量了DCPD(010)面上三角形螺旋生長的速度(即三個臺階移動的速度),發(fā)現(xiàn)1-200 n M Amelogenin C-末端短肽并不影響三個臺階移動的速度,但低濃度(1-10 n M)Amelogenin C-末端短肽顯著減小了兩個生長相對較快的臺階([101 ]Cc和[101]Cc)的密度(即增加了臺階寬度),同時,當(dāng)濃度超過50 n M后此效應(yīng)逐漸減小,增加溶液過飽和度加速了此效應(yīng)的消失。隨后,我們測量了臺階臨界長度(Lc),發(fā)現(xiàn)在不添加短肽的過飽和溶液中,Lc隨著溶液過飽和度σ的降低而增加。同時,在同一固定飽和度σ下,Lc隨著短肽濃度(10 n M到1 n M)減小而快速增加;但是,當(dāng)短肽濃度超過50 n M后,Lc反而不發(fā)生改變。最后我們通過其它手段表征不同濃度的短肽顆粒粒徑,發(fā)現(xiàn)低濃度的短肽以單體形式存在,它通過吸附在DCPD(010)面上并與礦物表面有著較強(qiáng)的相互作用,從而通過改變DCPD-水界面的界面能來影響晶體移動的臺階臨界長度以及臺階寬度,進(jìn)而在生長的晶面上延緩了可移動臺階的形成,起到抑制DCPD生長的作用。而當(dāng)濃度過高時,短肽則因自組裝形成團(tuán)聚體,導(dǎo)致其與礦物表面的相互作用降低,從而減弱了對DCPD生長的抑制作用。本研究為理解生物礦物及土壤礦物的形成和生長提供了界面能控制方面的微觀機(jī)制。2、原位觀察到磷酸八鈣(OCP)晶體(100)面通過非經(jīng)典的粒子粘附方式生長;在生長過程中,自組裝伸長的Amelogenin C-末端短肽控制了OCP納米顆粒的形貌,使球形粒子也按同等比例伸長,揭示了Amelogenin C-末端短肽的自組裝體對OCP晶面生長形貌的調(diào)控機(jī)制。在精確定義的熱力學(xué)驅(qū)動力(過飽和度)、p H和離子強(qiáng)度的條件下,借助原位AFM實(shí)時觀測OCP晶體(100)面生長的過程中,發(fā)現(xiàn)與DCPD表面生長不同,OCP的生長并不是以經(jīng)典的螺旋或島狀的方式生長,而是以非經(jīng)典粒子粘附的方式進(jìn)行。同時,在生長過程中加入特定濃度(50 n M)Amelogenin C-末端短肽,其自組裝后可以明顯誘導(dǎo)OCP納米粒子的伸長,其長寬比從1:1增加到2:1,而當(dāng)濃度增加到100 n M后此效應(yīng)消失。最后,通過原位AFM觀察發(fā)現(xiàn)100 n M短肽在OCP晶面上出現(xiàn)了去組裝現(xiàn)象。通過觀察經(jīng)生物標(biāo)記熒光修飾的短肽在OCP晶體表面的沉積,說明特定濃度的短肽在OCP晶面上可以進(jìn)行自組裝和去組裝。此結(jié)果有利于理解有機(jī)分子如何控制晶體通過顆粒粘附方式生長時的形貌修飾作用的機(jī)制。3、通過AFM單分子力測定,探明Amelogenin C-末端短肽在OCP晶體(100)面上可形成伸長的自組裝體,再吸附和結(jié)合OCP溶液中的納米粒子在其表面生長。在AFM針尖修飾上Amelogenin C-末端短肽,直接測量單個短肽分子和OCP晶體(100)面的結(jié)合強(qiáng)度。在磷酸緩沖液中,通過直接測量修飾了短肽的針尖和OCP(100)面接觸的力-距離曲線,并將其轉(zhuǎn)化為分離短肽-OCP鍵合所做的功(W),最后得到短肽和OCP晶面的結(jié)合自由能為ΔGB=-26.0 kcal/mol。作為對照,短肽和云母表面結(jié)合能僅為-10.3 kcal/mol。結(jié)合原位OCP生長動力學(xué)和AFM單分子力譜的研究,進(jìn)一步表明Amelogenin C-末端氨基酸序列中最末位的酸性氨基酸(天冬氨酸以及谷氨酸)暴露在短肽組裝體表面并具有結(jié)合Ca-P納米顆粒的能力。并且,這些短肽可以通過自組裝形成組裝體,進(jìn)而誘導(dǎo)形成伸長的磷酸鈣納米顆粒。此結(jié)果加深了我們在單分子水平上理解有機(jī)分子和礦物界面相互作用以及晶體生長過程中出現(xiàn)的形貌修飾作用的機(jī)制,這也將為揭示發(fā)生在復(fù)雜土壤地球化學(xué)和其他生物礦化體系中礦物-水界面上的沉淀(生長)反應(yīng)提供微觀動力學(xué)和熱力學(xué)的研究線索。
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【學(xué)位授予單位】：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：P593

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 李秀麗;張文君;魯劍巍;王荔軍;;植物體內(nèi)草酸鈣的生物礦化[J];科學(xué)通報;2012年26期

2 王荔軍;魯劍巍;徐芳森;張福鎖;;近分子尺度下正磷酸鈣的結(jié)晶和溶解動力學(xué)[J];科學(xué)通報;2010年29期

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本文編號：2256438