文献综述蛋白质微流变.docx
- 文档编号:8166320
- 上传时间:2023-01-29
- 格式:DOCX
- 页数:8
- 大小:35.33KB
文献综述蛋白质微流变.docx
《文献综述蛋白质微流变.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《文献综述蛋白质微流变.docx(8页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
文献综述蛋白质微流变
文献综述
微流变技术的应用及发展趋势
摘要微流变技术是最近15年来学术研究的热点,是一种比较新的分析方法。
该方法主要利用追踪分散复杂流体中的胶体示踪粒子的运动情况来获得体系的粘弹性。
本文主要概括介绍了微流变技术在不同领域的应用及相关仪器设备。
关键词:
微流变微流变仪应用
1流变学概述
流变学出现在20世纪20年代。
学者们在研究橡胶、塑料、油漆、玻璃、混凝土,以及金属等工业材料;岩石、土、石油、矿物等地质材料;以及血液、肌肉骨骼等生物材料的性质过程中,发现使用古典弹性理论、塑性理论和牛顿流体理论已不能说明这些材料的复杂特性,于是就产生了流变学的思想。
英国物理学家麦克斯韦和开尔文很早就认识到材料的变化与时间存在紧密联系的时间效应[1]。
流变学是力学的一个新分支,它主要研究物理材料在应力、应变、温度湿度、辐射等条件下与时间因素有关的变形和流动的规律。
流变学研究的是在外力作用下,物体的变形和流动的学科,研究对象主要是流体,还有软固体或者在某些条件下固体可以流动而不是弹性形变,它适用于具有复杂结构的物质。
流变学研究内容是各种材料的蠕变和应力松弛的现象、屈服值以及材料的流变模型和本构方程[2]。
1.1微流变技术概述
Microrheology即微流变学是一门最新引进的流变学技术,它大大简化了流变学的测量方法。
采用最前沿的以动态激光光散射为基础的扩散波光谱学(DWS)技术,持续不断的追踪检测嵌入在材料中的小颗粒的热运动,并通过专利的计算得到样品中的颗粒由于热运动造成的纳米级的均方位移。
颗粒的均方位移和样品的网格结构存在相关性,从而获得样品的结构信息。
并以熟知的流变学参数表征。
和传统机械流变学相比,以DWS为基础的光学法微流变仪可以在无干扰、无破坏性的情况下准确反映体系的流变性质。
而且与传统的流变技术相比,该方法的测试速度更快,测量频率更高。
特别适用于那些软物质体系,如悬浮液、乳化液、料浆、凝胶体、泡沫等。
1.1.1微流变的定义
微流变是指物质在微观状态下的流变性。
微流变将布朗热运动视为应力,将粒子的运动面积视为应变。
微流变学是流变学领域中的一个新的分支,主要分析软物质在微米尺度的粘弹性特性。
通过测量软物质(如凝胶,聚合物,乳液,分散剂…)中的颗粒由于热能(布朗运动)而产生的位移,就可以得到它们本身所具有的粘弹性性能。
颗粒的运动轨迹可以反映物质的结构。
根据颗粒位移均方根曲线就可以得到不同的参数,如弹性模量、粘性模量、弛豫时间、晶格尺寸等。
微流变于1995被Mason&Weitz所提出,基于DWS多散斑扩散光谱学理论(1988年第一篇文章)。
通过探测微粒布朗运动的运动面积与时间的关系,来得到样品的流变性信息[3]。
1.1.2应用原理—DWS
扩散波光谱学DWS是动态光散射在不透明介质中的应用。
动态光散射是一种在稀释的介质中测量颗粒的布朗运动以确定颗粒大小的著名方法。
在扩散波光谱实验中,光线被多次散射。
这种方法可以精确地探测到颗粒位移,并有此分析出符合流体的粘弹性特性。
多散斑-扩散波光谱学(MS-DWS):
当一束激光照射样品时,光渗透到样品中,遇到样品中的颗粒,就会发生散射;当样品中的颗粒浓度高时,就会发生多重散射。
多重散射光被颗粒反射,形成背散射。
被反射的散射光由于所走的路径不同,存在相位差。
不同相位的光在一起,就形成光的干涉。
即形成明暗相间的光斑,这些光斑,俗称“散斑”。
软材料中颗粒由于热动力学产生布朗运动。
进行布朗运动的颗粒诱导散射光斑变形。
通过多像素检测器实时检测扩散波的变化,并计算得到颗粒运动的速度及颗粒的均方位移(MSD)。
对于一个纯粹的粘性液体(牛顿液体),样品中的粒子是完全的自由运动的(扩散行为)。
对应这种完全自由运动MSD曲线表现为与去相关时间(tdec)呈线性函数。
曲线的斜率与产品的粘度有关。
对于具有粘弹性性质的样品中,颗粒是不能自由运动的。
事实上,散射颗粒是在一个与其他粒子(滴在乳液,聚合物在分散体系中,…)的相互作用而创造的“笼子”中运动。
这些相互作用是样品具有了弹性。
根据观察在不同去相关时间区域内的颗粒运动轨迹,可以分为三个主要行为:
-最初很短的去相关时间:
颗粒在笼内完全自由行动粒子只受溶剂粘度的影响,MSD的增加和区相关事件呈线性关系。
-去相关时间中间部分:
粒子运动受到了笼结构的相互作用的影响,粒子受到样品弹性影响,其运动速度减慢。
MSD斜率下降达到去相关时间曲线的一个平台区。
-去相关时间的最后:
颗粒感觉不再受笼的影响,粒子受到样品宏观粘度影响;MSD斜率增加且与去相关时间曲线呈线性关系。
图1MSD曲线
MSD曲线是样品微流变学的粘弹性的重要表现。
它反映了样品的粘弹性特征。
通过采集MSD曲线,在相同的样品不同老化时间内,可以确定样品弹性、粘度变化、以及样品的微观结构。
1.1.3相关参数
1.1.3.1颗粒均方位移MeanSquareDisplacement(MSD)
颗粒均方位移(MSD):
颗粒的布朗运动是由颗粒均方位移(MSD)与时间的关系曲线来表征的。
样品中粒子的均方位移与样品的粘弹性直接相关,MSD曲线反应样品中的粘弹性特征。
在纯粘性流体(牛顿流体)中,粒子MSD与时间呈线性增长;而在一个粘弹性流体中,粒子的均方位移受到限制,粒子被困在三维微观结构网络中,从而在MSD与时间的关系曲线中形成一个平台区。
1.1.3.2固液平衡值Solid-LiquidBalance(SLB)
MSD曲线弹性平台区的斜率值,称为固液平衡值。
它表征样品的股也平衡状态,说明样品是更具有固体的特征,还是更具有液体的特征。
斜率值越低,表明粒子的运动速率越低,样品所具有的固体特征超过所具有的液体特征。
而如果斜率增加,这意味着粒子运动并不是真正的被阻止或减慢,样品是一个具有很强液体特征的样品。
用固液平衡值(SLB)来表征样品的流变学特征,快捷方便。
它还可以用来比较与其他样品的类似性质或用来监测样品的老化。
固液平衡值(SLB)只是对MSD曲线的对数坐标的弹性平台区斜率值的计算。
值越低,说明样品越像“固体”,值越高,说明样品越像“液体”。
SLB与产品的最终特征相关,如附着力、形状稳定、质感、铺展性、凝胶点、物理稳定性等等。
-SLB=0:
样品是纯弹性固体
-0 样品具有更多的弹性固体的特征 -0.5 样品具有更多粘性液体的特征 -SLB=1: 样品是纯粘性液体 1.1.3.3弹性因子 弹性因子(ElasticityIndex,EI)是计算平台区高度的倒数值,它的变化幅度是和弹性变化一致的,可以用来描述样本的弹性性质。 EI可以与样品的最终流变特征相关,如凝胶网络尺寸(mesh-size)、硬度、凝胶化过程的速度、剪切后恢复速度等。 1.1.3.4宏观粘度因子MacroscopicViscosityIndex(MVI) MSD曲线平台区后的斜率是产品的宏观粘度因子。 事实上,这个斜率越低,粒子在给定的去相关时间内运动的均方位移越小,这就意味着在去相关时间内运动的速度越慢。 粒子移动的越慢,产品的粘度越强。 另一方面,粒子移动的越快,产品的粘度越弱。 MVI可以用来描述样本的粘度性质。 该值可以用来与其他样品进行比较,通过实时检测该值的变化,检测样品的老化程度。 宏观粘度指数仅仅是计算斜率值的倒数,其变化是与粘度的变化一致的。 MVI与产品的最终特性相关,如增稠剂的效果、质地、口感、流动性、长期稳定性等。 1.1.3.5流动因子FluidityIndex(FI) FI是去相关时间τ的倒数。 2微流变仪 2.1光学微流变仪 2.1.1光学微流变仪的原理 基于DWS多散斑扩散光谱学理论,将分散相的布朗运动速度转换为MSD均方根位移曲线,获得样品微观粘弹性信息,实时追踪光子自由程I*,研究样品在凝胶或破胶过程中分子构型的变化过程。 2.1.2特点 光学微流变仪的特点是,可以在浓缩分散体系的高浓度情况下,对样品进行测量。 并且,可以同时对六个产品进行检测;测量时不需要任何外力的作用;还可以对少量的样品进行检测;并增加对样品复原状况的测量。 2.1.3典型仪器设备举例 2.1.3.1Rheolaser流变仪 光学法微流变仪RheolaserLAB是进行光学法微流变学分析的仪器。 2.1.3.2DLS微流变 微流变检测是通过动态光散射法(DLS)跟踪已知颗粒大小的分散示踪粒子运动,并采用归一化斯托克斯-爱因斯坦方程确定样品的流变学特性。 DLS微观流变学是一种被动微观流变学技术,其示踪胶体颗粒仅在热动平衡条件下经历系统中的做热运动。 DLS微观流变学可用于低粘性及弱结构复杂流体的流变学表征,例如: 聚合物、表面活性剂的稀释溶液以及浓缩型蛋白质配方。 对于此类物质,微流变技术具有明显的优势: 高探测频率,对于表征短时间的粘弹响应而言,必不可少(而机械式技术从技术本身上受到惯性的限制)。 仅需微量样品即可进行微流变表征,应用实例如: 蛋白质基配方。 DLS微流变的应用包括: 药用蛋白质与生物聚合物溶液的流变学表征。 对蛋白质溶液进行粘弹性测量,以评估蛋白质与蛋白质相互作用的开始以及不溶性聚积物的形成 配方的开发及筛选。 工艺时间尺度方面,稀释系统的高频流变学能力。 监测复杂流体中结构随时间或温度的发展情况,或稀释条件下结构分解情况 2.1.3.3光学法微流变学的优越性 光学法微流变学的最大的优越性是: - 测量完全在静止状态下进行: 测量完全没有机械的剪切力,可以测量特别脆弱的样品如泡沫水泥、泡沫、弱凝胶、酸奶、奶油等,可以得到完全没有经过任何修饰的粘弹性的原始结果。 - 可以等到零剪切时的数据。 - 非接触性测量: 样品被放置在20ml的玻璃样品池中测量。 可以检测对同一样品的粘弹性对老化时间的变化: 稳定性分析、复原测试等 - 微观结构分析: 测量是在微米尺度上进行的,可以分析物质的微观结果如: 物质晶格尺寸、弛豫时间,异质性… 2.1.3.4一起的工作原理 仪器的工作原理是: 仪器的测量原理是通过测量颗粒的运动速度及颗粒的运动的区域来计算整个体系的粘弹性的。 颗粒的运动(布朗运动)是通过多斑扩散波光谱学来测量的。 该测量单元包括一个产生相于激光束的光源和接收背散射干涉波的检测器。 这种干涉图像被称做散斑图像,是由多像素检测器检测的。 该专利的散斑图像处理技术可以测量: - 颗粒运动速度 - 颗粒运动的均方根距离 从这些原始数据的则可以计算出流变学的相关参数如: - 弹性因子和弹性模量 G’ - 粘性因子和粘性模量 G” - 弛豫时间 - 粘弹性参数随时间的变化 (复原 , 老化试验) 3微流变的应用 3.1凝胶方面的应用 凝胶因其所具有的特殊的流变特性,而被广泛的应用在食品、药品、日用品、化妆品、涂料、墨水等行业。 人们研究凝胶,希望可以实时检测凝胶的动力学过程、检测和比较不同凝胶的强度、鉴定凝胶成胶的温度、研究凝胶的稳定性及凝胶的崩解… 光学法微流变仪采用MS-DWS理论,可以通过测量MSD曲线实时监测凝胶从液态到固态的过程;通过计算弹性因子随时间的变化关系曲线,鉴定凝胶化过程,计算得到的弹性因子的大小,可以比较不同凝胶的强度;计算粘弹性平衡点、鉴定凝胶点并可以计算凝胶的网格尺寸。 ThomasMoschakis[4]在文章中介绍了粒子追踪微流变技术,并总结介绍了该技术在食品乳液和凝胶方面的应用。 Table1Microrheologicalstudiesinfood-relatedsystems Investigatedsystem Application Acidmilkgel Gelationandprobingmicroheterogeneities β-Lactoglobulin Gelationandinterfacialmicrorheology Gellangum Gelationandprobingmicroheterogeneities Pectin GelationandcomparisonwithDWS Wheatgliadin Mappingmicroheterogeneities β-Glucans Gelationandprobingmicroheterogeneities Honey Measuringviscosityandcomparisonwithbulkrheology Emulsions Measuringviscosity-comparisonwithbulkrheologyandprobingmicroheterogeneities Liposomes Probingmicroheterogeneitiesandaggregation Intestinalmucus Barrierproperties ThomasMoschakis[5]另在一篇文章中对酸酪朊酸钠凝胶使用粒子跟踪微流变技术进行了动力学探讨。 文中以酪蛋白酸钠溶液的溶胶-凝胶转变体系这一乳品系统模型为研究对象,对其进行酸化处理,得到凝胶体系,在分别采用传统流变技术和粒子追踪微流变技术进行了测量研究,并进行了对比。 结果显示,在pH值接近酪蛋白的等电点时,就会形成蛋白网络结构。 弹性模量的流变值比在宏观条件下测量的结果略低。 但是,微流变技术相对具有更高的灵敏度,且能检测出体系变化前的结构。 3.2微流变在生物领域的应用 李晓娜[6]等人研究了粒子跟踪微流变技术(particletrackingmicro-rheology,PTM)在生物力学领域的应用。 该技术主要利用视频显微镜检测包埋于介质中探针的布朗热运动,将探针运动轨迹转换平均平方位移,实时获取介质的时间依赖性黏弹性模量和蠕变柔量等参数。 文中主要对粒子跟踪微流变学技术的基本原理及其在生物力学领域的应用进行了综述。 包括在活细胞力学特性研究中的应用、在细胞骨架及其交联蛋白研究中的应用、研究基质在肿瘤细胞迁移过程中力学特性的变化等。 MohamedYousfi[7]等人利用微观流变仪对非牛顿流体的流变学性能进行了评价。 试验中以聚烯烃和聚酰胺6的混合聚合物为样品测定其粘度,并基于Hagen-Poiseuille理论对其表现出的不同的熔体流动速率进行计算。 结果表明,根据Cox-Merz规则,使用振荡式或拉杆式毛细管流变仪,熔体获得的数据可靠。 并且,该试验方法还被应用于其他物质的粘度测定中。 陈洁[8]等人对光敏可聚合表面活性剂胶束体系进行了微流变学研究。 课题中以可聚合阳离子表面活性剂(CDAAC)和偶氮苯-4-苯甲酸(ACA)形成的粘弹性胶束体系CDAAC/ACA(19.6mM/14mM)为研究对象,采用光学法微流变仪考察体系的微流变特性。 结果表明,该胶束具有良好的光敏可逆微流变性质,胶束体系的宏观粘度因子(MVI)在紫外光照1h后可下降近80%,弹性因子(EI)下降近66%,经可见光照射3h后胶束体系的微流变指标可以恢复。 3.3微流变在食品领域的应用 杨凯[9]等人研究了动态光散射微流变方法表征聚合物和蛋白的粘弹性。 文中应用光学微流变的方法表征了蛋白聚集的开始并试图了解网络结构的演变。 光学示踪粒子微流变方法可以测量相对比较稀的溶液,而且需要的样品非常少,克服了传统力学流变测量方法的不足。 该方法需要检测出示踪拉子的平均均方位移(MSD),通过平均均方位移(MSD)推导出样品的流变特性,如粘度、复数粘度、平均均方位移(MSD)幂率拟合指数和粘弹性模量。 选择合适的示踪粒子是整个实验设计中很重要的部分,包括合适的化学性质和粒径。 本文使用该方法测试了PEG模型溶液的粘弹性模量,还表征了不同浓度的BSA从牛顿行为到粘弹性转变,并监测了BSA热变性中的凝胶过程。 参考文献 [1]谢元彦,杨海林,阮建明.流变学的研究及其应[J].粉末冶金材料科学与工程,2010,15 (1): 1-7 [2]祝连庆.生物流变特性测试方法及应用研究[D].哈尔滨工业大学,2013. [3]何羽薇,韩斅.微流变学在软材料研究中的应用[C].中国化学会第29届学术年会摘要集—第14分会: 流变学,2014. [4]ThomasMoschakis.Microrheologyandparticletrackinginfoodgelsandemulsions[J].CurrentOpinioninColloid&InterfaceScience,2013: 311-323. [5]ThomasMoschakis,BrentS.Murray,EricDickinson.Onthekineticsofacidsodiumcaseinategelationusingparticletrackingtoprobethemicrorheology[J].JournalofColloidandInterfaceScience,2010: 278-285. [6]李晓娜,刘成星,王晓君.粒子跟踪微流变学技术在生物力学领域中的应用[J].医用生物力学.2012,27 (2): 245-250. [7]M.Yousfi,S.Alix,M.Lebeau,J.Soulestin,etal.Evaluationofrheologicalpropertiesofnon-Newtonianfluidsinmicrorheologycompounder: Experimentalproceduresforareliablepolymermeltviscositymeasurement[J].PolymerTesting,2014,40: 207-217. [8]陈洁,郁丽程,田萌,等.光敏可聚合表面活性剂胶束体系微流变学研究[C].中国化学会第29届学术年会,2014. [9]杨凯,宁辉,Carlos.A.Rega等.动态光散射微流变方法表征聚合物和蛋白的粘弹性[C].流变学进展(2102)—第十一届全国流变学学术会议论文集,2012.
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 文献 综述 蛋白质 流变