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摘 要: 通过实验验证了周期性沉淀现象,概述了胆结石和周期性沉淀环现象的联系。有胆酸生物分子参与的Liesegang现象形成这些结果,为认识人体胆结石的形成机理提供了重要的实验依据。
关键词: Liesegang现象 形成机理 胆结石
中图分类号: TQ02 文献标识码: A文章编号: 1007-3973 (2010) 04-104-01
Liesegang现象最初是在重铬酸银无机盐沉淀-凝胶体系中发现的,后来发现这类现象存在于人体中的某些生物矿化过程-胆结石的形成过程之中。有胆酸生物分子参与的Liesegang现象形成这些结果,不仅为认识人体胆结石的形成机理提供了重要的实验依据,而且对进一步探索地质学、矿物学、动物学、植物学、生理学和病理学等体系中的此种现象都具有重要意义。
1 实验部分
1.1实验仪器和试剂
明胶(生物试剂),重铬酸钾0.1mol/L(分析纯),硝酸银(基准试剂),烧杯若干个,培养皿若干个,恒温箱一台,双目镜一台,照相机一台。
1.2实验步骤
在70℃的热水浴中按1:5的比例用水将明胶溶胀约1小时至完全溶解。取该明胶溶液30ml与0.100 mol/LK2CrO4溶液10mL和H2O60mL混合,置于70℃的热水浴,搅拌30分钟,调节pH,冷却至室温,趁热倒入培养皿中,使培养皿中的凝固层厚度为5mm,待凝固后,将一颗小的AgNO3晶粒放在培养皿的中心位置。然后放入10℃~20℃的恒温箱内静置,待周期性图案出现时,每间隔一定时间在双目镜下观察并记录实验和照相。
图1 培养皿中的凝胶沉淀
(a为AgNO3晶粒;b为K2CrO4溶液的凝胶)
2 结果与讨论
(1)周期沉淀的形成实验观察发现,AgNO3溶液滴入K2CrO4明胶凝胶后,可产生以AgNO3溶液为中心的棕黑色Ag2CrO4环状沉淀,此即Liesegang环。从中心向边缘一圈一圈地分布,圈与圈之间没有沉淀的凝胶。
(2)服从空间定律:设X。为第n层环至中心AgNO3溶液圈界面的距离。测量各个环的Xi结果发现份X。与n呈线性相关,从线性回归分析可得经验方程和相关系数r。lgXn=lgX0+nlgP式中X。和P0分别为经验常数,该方程经改写如下。(Xn/Xn-1)=P,其中P为Liesegang环的间隔系数也称空间系数,此即周期沉淀的空间定律。用软件对其照相并处理得到如下图。测出各个Xn,并用软件处理并作图,以Xn,为纵坐标,以Xn-1为横坐标作图,数据拟合后,得到一条直线,即符合空间定律。
图2 沉淀环照相并放大后的图像
(3)实验发现,AgNO3在含K2CrO4的明胶凝胶中扩散是有限的,从滴加AgNO3溶液后,10~15小时后可以观察到周期性环状图案,30~40小时后可观察到次生环图案。从沉规律看,沉淀结晶Ag2CrO4在凝胶中的分布不是均匀的,而是在某些层面相对集中。可能就是由于这种不均匀现象导致系统Ag2CrO4结晶的生成。
(4)Liesegang环一般要在凝胶中并通过扩散才能形成。明胶是以蛋白质为主要成分的干凝胶,在37℃下经反复试验发现,30%左右明胶浓度时较易形成Ag2CrO4的周期沉淀。因为在37℃下,明胶浓度降低不易胶凝,当凝胶稠度下降到一定程度时,不再有周期沉淀现象,且明胶浓度较低适合于AgNO3扩散与K2CrO4反应生成周期沉淀。
3 结论
(1)凝胶中的周期沉淀现象是一种远离平衡的宏观体系中自发产生时空有序结构的现象。动物和人体内的胆、肾、尿路等器官里形成的结石就与此现象有关。对结石进行观察发现,不管是胆结石还是尿结石,常呈现一层一层的鲡状结构,这种现象曾使很多医生迷惑不解,可能符合凝胶中周期沉淀的规律,是按周期沉淀方式形成的。
(2)胆汁中的重要组分胆汁酸盐在凝胶中与金属离子沉淀过程中,可以形成与结石中类似的周期和分形的图案。对人体内的结石生成和图像生长进行体外模拟研究,得到了多种周期沉淀和分形结构图案的出现都是非线性科学的现象,因而在结石形成中引入非线性科学的概念,用非线性科学的理论来深化对结石形成机理的认识。
4 结束语
结石病是一种世界性的危害人类健康的常见病。尿结石是最常见的一种 ,它是由无机矿物质和有机基质两部分组成 ,草酸钙是无机矿物,生长、聚集等阶段从多方面影响草酸钙的沉积结晶 。因此 ,研究各类结石的形成机理及通过各种外源性药物来抑制结石的形成具有重要的学术意义和社会意义
参考文献:
[1] 张顺祥,李良成,沈珉,等.血液和尿液中化学元素与尿石症发病关系的研究[J].现代预防医学, 2002, 29(5):306-309.
[2] 欧阳健明,段荔,何建华.脂质体中不同种类羧酸钾对草酸钙晶体生长的调控作用[ J].无机化学学报,2003, 61(10): 1597-1602.
[3] 朱军,金凤等.凝胶体系中铁离子-生物小分子相互作用对草酸钙晶体生长和周期性沉淀的影响[J].阜阳师范学院学报,2007,24(2):19-22.
[4] 欧阳健明.草酸钙结石研究中的化学基础[J].化学通报,2002,(5):326-33.
[5] 朱军.草酸钙型尿结石的体外模拟与抑制[D].合肥:安徽大学, 2005.
[6] 朱军,沈玉华,等.二维琼脂凝胶体系中过渡金属离子对草酸钙晶体生长和周期性沉淀的影响[J].化学研究与应用,2007,19(5) :483-488.
[7] 苏盛通,陈惠业,等[J].实验科学与技术,2007,5(5):39-44.
[8] 惠建斌,等.凝胶体系中生物分子―金属离子沉淀的Liesegang现象研究,胆酸与金属离子形成的周期性沉淀及其影响因素[J].化学研究与应用,2000:292―296.
[9] 谭燕华,欧阳健明.红外光谱法在草酸钙结石研究中的应用[J].光谱学与光谱分析,2003,(4):700-704.
关键词: Liesegang现象 形成机理 胆结石
中图分类号: TQ02 文献标识码: A文章编号: 1007-3973 (2010) 04-104-01
Liesegang现象最初是在重铬酸银无机盐沉淀-凝胶体系中发现的,后来发现这类现象存在于人体中的某些生物矿化过程-胆结石的形成过程之中。有胆酸生物分子参与的Liesegang现象形成这些结果,不仅为认识人体胆结石的形成机理提供了重要的实验依据,而且对进一步探索地质学、矿物学、动物学、植物学、生理学和病理学等体系中的此种现象都具有重要意义。
1 实验部分
1.1实验仪器和试剂
明胶(生物试剂),重铬酸钾0.1mol/L(分析纯),硝酸银(基准试剂),烧杯若干个,培养皿若干个,恒温箱一台,双目镜一台,照相机一台。
1.2实验步骤
在70℃的热水浴中按1:5的比例用水将明胶溶胀约1小时至完全溶解。取该明胶溶液30ml与0.100 mol/LK2CrO4溶液10mL和H2O60mL混合,置于70℃的热水浴,搅拌30分钟,调节pH,冷却至室温,趁热倒入培养皿中,使培养皿中的凝固层厚度为5mm,待凝固后,将一颗小的AgNO3晶粒放在培养皿的中心位置。然后放入10℃~20℃的恒温箱内静置,待周期性图案出现时,每间隔一定时间在双目镜下观察并记录实验和照相。
图1 培养皿中的凝胶沉淀
(a为AgNO3晶粒;b为K2CrO4溶液的凝胶)
2 结果与讨论
(1)周期沉淀的形成实验观察发现,AgNO3溶液滴入K2CrO4明胶凝胶后,可产生以AgNO3溶液为中心的棕黑色Ag2CrO4环状沉淀,此即Liesegang环。从中心向边缘一圈一圈地分布,圈与圈之间没有沉淀的凝胶。
(2)服从空间定律:设X。为第n层环至中心AgNO3溶液圈界面的距离。测量各个环的Xi结果发现份X。与n呈线性相关,从线性回归分析可得经验方程和相关系数r。lgXn=lgX0+nlgP式中X。和P0分别为经验常数,该方程经改写如下。(Xn/Xn-1)=P,其中P为Liesegang环的间隔系数也称空间系数,此即周期沉淀的空间定律。用软件对其照相并处理得到如下图。测出各个Xn,并用软件处理并作图,以Xn,为纵坐标,以Xn-1为横坐标作图,数据拟合后,得到一条直线,即符合空间定律。
图2 沉淀环照相并放大后的图像
(3)实验发现,AgNO3在含K2CrO4的明胶凝胶中扩散是有限的,从滴加AgNO3溶液后,10~15小时后可以观察到周期性环状图案,30~40小时后可观察到次生环图案。从沉规律看,沉淀结晶Ag2CrO4在凝胶中的分布不是均匀的,而是在某些层面相对集中。可能就是由于这种不均匀现象导致系统Ag2CrO4结晶的生成。
(4)Liesegang环一般要在凝胶中并通过扩散才能形成。明胶是以蛋白质为主要成分的干凝胶,在37℃下经反复试验发现,30%左右明胶浓度时较易形成Ag2CrO4的周期沉淀。因为在37℃下,明胶浓度降低不易胶凝,当凝胶稠度下降到一定程度时,不再有周期沉淀现象,且明胶浓度较低适合于AgNO3扩散与K2CrO4反应生成周期沉淀。
3 结论
(1)凝胶中的周期沉淀现象是一种远离平衡的宏观体系中自发产生时空有序结构的现象。动物和人体内的胆、肾、尿路等器官里形成的结石就与此现象有关。对结石进行观察发现,不管是胆结石还是尿结石,常呈现一层一层的鲡状结构,这种现象曾使很多医生迷惑不解,可能符合凝胶中周期沉淀的规律,是按周期沉淀方式形成的。
(2)胆汁中的重要组分胆汁酸盐在凝胶中与金属离子沉淀过程中,可以形成与结石中类似的周期和分形的图案。对人体内的结石生成和图像生长进行体外模拟研究,得到了多种周期沉淀和分形结构图案的出现都是非线性科学的现象,因而在结石形成中引入非线性科学的概念,用非线性科学的理论来深化对结石形成机理的认识。
4 结束语
结石病是一种世界性的危害人类健康的常见病。尿结石是最常见的一种 ,它是由无机矿物质和有机基质两部分组成 ,草酸钙是无机矿物,生长、聚集等阶段从多方面影响草酸钙的沉积结晶 。因此 ,研究各类结石的形成机理及通过各种外源性药物来抑制结石的形成具有重要的学术意义和社会意义
参考文献:
[1] 张顺祥,李良成,沈珉,等.血液和尿液中化学元素与尿石症发病关系的研究[J].现代预防医学, 2002, 29(5):306-309.
[2] 欧阳健明,段荔,何建华.脂质体中不同种类羧酸钾对草酸钙晶体生长的调控作用[ J].无机化学学报,2003, 61(10): 1597-1602.
[3] 朱军,金凤等.凝胶体系中铁离子-生物小分子相互作用对草酸钙晶体生长和周期性沉淀的影响[J].阜阳师范学院学报,2007,24(2):19-22.
[4] 欧阳健明.草酸钙结石研究中的化学基础[J].化学通报,2002,(5):326-33.
[5] 朱军.草酸钙型尿结石的体外模拟与抑制[D].合肥:安徽大学, 2005.
[6] 朱军,沈玉华,等.二维琼脂凝胶体系中过渡金属离子对草酸钙晶体生长和周期性沉淀的影响[J].化学研究与应用,2007,19(5) :483-488.
[7] 苏盛通,陈惠业,等[J].实验科学与技术,2007,5(5):39-44.
[8] 惠建斌,等.凝胶体系中生物分子―金属离子沉淀的Liesegang现象研究,胆酸与金属离子形成的周期性沉淀及其影响因素[J].化学研究与应用,2000:292―296.
[9] 谭燕华,欧阳健明.红外光谱法在草酸钙结石研究中的应用[J].光谱学与光谱分析,2003,(4):700-704.