微量量热法研究温敏大分子在溶液中的相变行为

来源 :中国科学技术大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:liongliong572
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本论文中,我们利用微量差示扫描量热法(US-DSC)和压力扰动量热法(PPC)等方法研究了温敏性大分子的相转变行为,包括:聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)和聚(N-正丙基丙烯酰胺)(PNNPAM)在水溶液的相转变行为;PNIPAM在聚乙二醇(PEG)构成的拥挤环境中的相转变;溶菌酶在水溶液中的热变性和重复热变性;以及溶菌酶在PEG构成的拥挤环境中的热变性(thermaldenaturation)和重复热变性(thermal redenaturation)。主要结果如下:(1)我们用US-DSC和PPC法研究了PNIPAM在稀溶液中的聚集和解聚集过程。结果表明,PNIPAM链的聚集和解聚集与温度扫描速率有关,为动力学控制过程。在以往的研究中,已发现PNIPAM的解聚集过程滞后于相应聚集过程,在本工作中我们证实这是由于PNIPAM在塌缩状态时形成的分子内和分子间附加氢键造成的。较低的降温速率下US-DSC曲线出现了两个放热峰,表明解聚集分为两个过程,即附加氢键断裂和聚集体的解聚集。PPC研究表明降温时PNIPAM链的溶剂接触表面积比加热时的小,进一步证实PNIPAM聚集体的解聚集由以上两个过程组成.(2)我们用US-DSC法研究了PNIPAM链在稀溶液和亚浓溶液中的聚集和解聚集过程。结果表明,当溶液浓度低于临界交叠浓度(C*)时,加热过程中的转变温度(Tp)和转变焓(ΔH)均随浓度的增加而下降;当溶液为亚浓溶液时,Tp信和ΔH与浓度变化无关。可见,在亚浓溶液中高分子链主要发生链间聚集,在稀溶液中则链间聚集和链内塌缩(折叠)共存。随着浓度的降低,链内塌缩占的比重增加,当外推浓度趋于零时,我们得到了PNIPAM从无规线团到塌缩球转变(coil-to-globule transition)的焓变AOS。AHs高于链间聚集的焓变,说明高分于单链折叠不同于宏观相变。(3)我们用US-DSC法研究了PEG形成的拥剂环境下的PNIPAM的塌缩与聚集过程。结果表明,由于PEG的水合作用导致了r信随PEG的浓度(CPEG)增加而下降。在一个加热.降温循环中,r信在降温过程中产生“滞后”。随着CPEO增加,较低分子量的PEG使该滞后加剧,而加入较长的PEG链则导致滞后变弱。这一现象表明,较长的PEG对PNIPAM链的链间聚集起抑制作用。当CPEG高于其C*时,“滞后”与CPEG的变化无关,这可能是因为PEG链形成了瞬时网络,一些PNIPAM链被限制在网孔中,其塌缩和聚集范围受到限制,形成的附加氢键有限。此外,随着PEG浓度增加,转变过程变宽表明这种网状结构不均一,具有不同尺寸的网孔。而ΔH/随PEG浓度增加而变小,说明PEG削弱了PNIPAM链的链间聚集作用。ΔH在加热与降温过程中接近,进一步证实了PEG分子对PNIPAM的链间聚集有阻碍作用。(4)我们用US-DSC法研究了加热/降温速率和浓度对PNNPAM在水溶液中的塌缩与聚集的影响。结果表明,在加热过程中,PNNPAM在-24℃发生了LCST转变。ΔH随着加热速率和浓度的增加而变大。特别是在降温过程中Tp与加热时的基本一致,表明聚集过程中没有形成附加氢键。此外,在降温过程中,出现了多个转变过程,表明PNNPAM解聚集经历了多步水合过程,最终成为线团状态。(5)我们用US-DSC法研究了研究了浓度、离子强度和pH等因素对溶菌酶热变性和重复热变性的影响。结果表明,随着溶菌酶浓度的增加,Tp增加,并且位于低温侧的吸热峰变强,表明浓度的变大促进了变性过程中溶菌酶的聚集.在热变性和重复热变性过程中,T-p均随加热速率变大而升高,表明在溶菌酶的热变性过程中存在聚集现象,较慢的加热速率有利于其聚集。随着离子强度增加,第一次热变性时的Tp下降,并且峰形变宽。这表明较多的NaCl可破坏溶菌酶分子周围的水合环境而使其变性。当NaCl浓度高于0.6 mol/L时,第二次热变性时的溶菌酶完全失去活性。另外,Tp随pH变大而升高。这是由于随着pH值的变大,溶菌酶的α-螺旋含量减小,结构变得更加松散,热稳定性提高。(6)我们用US-DSC法研究了溶菌酶在EG和PEG构成的拥挤环境中的热变性与重复热变性。结果表明,EG的加入使溶菌酶变性温度增加,热稳定性提高。当Mw,PEG<1000 g/mol时,Tp随分子量增加而有所下降,并且吸热峰强度也有所减弱,表明较短的PEG分子链容易引起溶菌酶的聚集。当1000 g/mol<Mw,PEG<2000 g/tool时,Tp随PEG的浓度增加而下降,表明较低分子量的PEG有利于加速溶菌酶的聚集。当6000>Mw,PEG≥2000 g/mol时,Tp几乎不随PEG的浓度变化而变化。此外,ΔH随PEG浓度增加而变小。这是由于加入的PEG抑制了溶菌酶的水合作用导致了ΔH变小。溶菌酶热变性时的协同单元数(n)随PEG浓度增加而下降,进一步证实了PEG的加入促进了溶菌酶分子间的相互作用。
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