【摘 要】
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原子力显微镜(AFM)作为一种具有高空间分辨率和力分辨率的工具,在微观表面成像和软物质力学性质研究中发挥了重要作用。AFM中微悬臂的动态特性和多种因素有关,如微悬臂形状、实验环境等。这些因素的改变将对AFM的噪声产生重要影响。基于AFM的单分子力谱(AFM-SMFS)实验是研究高分子单链弹性的有力工具,可以方便地在不同环境中进行实验操作。聚(2-乙基-2-恶唑啉)(PEtOx)具有良好的生物相容性
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原子力显微镜(AFM)作为一种具有高空间分辨率和力分辨率的工具,在微观表面成像和软物质力学性质研究中发挥了重要作用。AFM中微悬臂的动态特性和多种因素有关,如微悬臂形状、实验环境等。这些因素的改变将对AFM的噪声产生重要影响。基于AFM的单分子力谱(AFM-SMFS)实验是研究高分子单链弹性的有力工具,可以方便地在不同环境中进行实验操作。聚(2-乙基-2-恶唑啉)(PEtOx)具有良好的生物相容性和多种环境响应性,在生物医学等领域体现出了巨大的应用潜力,成为开发新型药物和生物材料的理想平台。同时,PEtOx在亲水性和亲脂性溶剂中体现出广泛的溶解性。本论文研究了不同环境中AFM的噪声,并利用AFM-SMFS实验研究了PEtOx在不同环境中的单链弹性。首先,模拟SMFS的实验过程,计算了SMFS实验中广泛使用的V形微悬臂在高真空、大气和不同粘度液体环境中的噪声,得到了几种典型环境中AFM的噪声以及微悬臂运动速率对噪声的影响。其次,研究了PEtOx在非极性有机溶剂和水环境(去离子水、不同浓度盐溶液和不同p H溶液)中的单链弹性,得到了PEtOx单链弹性和溶液性质之间的关系。基于以上研究,本论文得到了以下几个主要结论:(1)AFM的噪声和其使用环境密切相关。在高真空环境中AFM的微悬臂受到最小的干扰,体现出最小的噪声。和高真空环境相比,在大气环境中微悬臂的噪声有微小增大,在液体环境中微悬臂的噪声显著增大。在相同(相近)运动速率下,去离子水中的噪声约为高真空中噪声的21倍,大气环境中噪声的7倍。(2)在液体环境中,AFM的噪声和液体粘度以及微悬臂运动速率均体现出正相关关系。速率在0.02-0.05μm/s之间有较小的噪声,0.05-0.1μm/s之间噪声存在突跃。此后继续提高速率到5μm/s,噪声仅有小幅增大。液体黏度越大,噪声随速率增大的趋势越显著。(3)PEtOx从非极性有机环境(壬烷)到去离子水环境中,分子构象发生了显著变化,由无规卷曲状态变为伸展状态,在单分子力谱曲线上表现为PEtOx在去离子水环境中有较高的单链焓弹性。(4)PEtOx在水环境中表现出类似聚电解质的性质,单链弹性对盐浓度敏感。通过调节盐(KCl)浓度可以改变PEtOx的单链弹性:在低浓度盐溶液中体现出和去离子水中相同的单链弹性;在中等浓度盐溶液中由于静电屏蔽效应,体现出和壬烷中相同的单链弹性;在高浓度盐溶液中由于电荷反转效应,体现出比去离子水中高的单链焓弹性。(5)PEtOx在水环境中的单链弹性受p H调控,p H≤7时具有较高的单链焓弹性(同去离子水),p H≥8时具有较低的单链焓弹性(同壬烷)。(6)PEtOx在磷酸缓冲液中表现出和壬烷中相同的单链焓弹性,而与去离子水中的结果不同,说明盐浓度及种类是研究PEtOx性质时的重要考虑因素。
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