聚合物单分子力谱的研究进展.pdfVIP

Vol.33 高等 学校 化 学 学报 No.5 2012年5月 摇 摇 摇 摇 摇 摇 CHEMICALJOURNAL OF CHINESE UNIVERSITIES摇 摇 摇 摇 摇 摇 861~875 [综合评述] 聚合物单分子力谱的研究进展 张摇 薇,寇晓龙,张文科 (吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室,化学学院,长春 130012) 摘要摇 在单分子水平研究聚合物体系的分子内及分子间相互作用,对于揭示其结构鄄性能的关系,进而实现 对相应功能的调控极为重要. 基于原子力显微镜技术(AFM)的单分子力谱, 由于其操作简单且适用面广, 在单分子研究领域得到了广泛的应用. 本文概括了该技术在生物高分子及合成高分子体系的研究进展. 对 于生物高分子体系,主要介绍了核酸(DNA/ RNA)、蛋白质和多糖(淀粉)的单分子力谱研究及利用各自力学 指纹谱对其它分子间的相互作用的研究. 对于合成高分子体系,主要介绍了聚合物的一级结构与单链弹性 的关系及溶剂和聚集态结构等对高分子单链力学性质的影响规律. 关键词摇 单分子力谱;生物大分子;合成高分子;病毒;聚合物单晶 中图分类号摇 O631摇 摇 摇 摇 文献标识码摇 A摇 摇 摇 摇 DOI:10.3969/ j.issn.0251鄄0790.2012.05.001 了解生物大分子的结构与功能对于认识复杂生命过程的本质及疾病的预防与治疗非常重要. 传统 的分子生物学研究方法,从生物样品的提取、纯化到样品的检测、分析均涉及大量的分子,反映大量 分子的平均效应. 平均效应虽然可以反映出体系的整体趋势,但体系中很多的“罕见冶现象(Rare events)则被忽略了. 此外,平均效应也无法连续、精确地体现出单个事件的不同步骤,如蛋白质折叠 与解折叠,因此在研究过程中丢失了很多重要的信息. 而单个生物大分子的研究可以从单个分子水平 给出一些体相平均方法不能给出的信息(如捕捉或跟踪诸如蛋白质错误折叠等罕见事件),因此单个分 [1,2] 子的研究成为近年来的研究热点之一 . 高分子材料的力学性质既受单个高分子链弹性的影响,又受高分子链间相互作用的影响. 因此, 建立高分子链一级结构与单链弹性及高分子间相互作用与材料宏观性质之间的关联,对于设计高性能 的高分子材料具有重要意义. 利用传统的研究方法,只能给出高分子材料宏观尺度的力学性质信息, 包括不同高分子链之间的分子间相互作用和单个聚合物链对材料宏观性质的贡献. 因此,很难从这些 复杂的信息中提取出某1个因素对材料力学性质的影响. 尽管高分子物理学家们通过理论计算方法可 以描述这种单个链或键的行为,但缺乏实验数据的支持. 因此,研究单个分子的结构与功能及其动态 行为,将隐藏在平均效应中的重要信息提取出来变得举足轻重. 近年来,随着纳米技术的发展,可在 [3] [4] 纳米尺度进行精确操作与测量的单分子技术应运而生,如光学镊子技术 、磁性珠技术 、生物膜力 [5] [6] [7] 学探测技术 及基于原子力显微镜技术 的单分子力谱 等已用于研究单个分子的动态行为. 其中, 基于原子力显微镜技术的单分子力谱(简称AFM单分子力谱)由于操作简单且适用面广,在单分子研 究领域得到了广泛的应用[8~11]. 近年来,AFM 单分子力谱在蛋白质与核酸等生物大分子体系的研究中得到了广泛的应用. [12] [13] Clausen鄄Schaumann 和Cui等 利用AFM单分子力谱研究了具有不同碱基序列的DNA分子的弹性, [12] [14] 探讨了盐浓度、溶剂和温度等因素对双螺旋稳定性的影响;Clausen鄄Schaumann 和Rief等 测得了 单个碱基对G鄄C及A鄄T之间的相互作用强度. 此外,AFM单分子力谱还广泛应用于蛋白质折叠