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晶体生长中的固/液界面生长动力学研究获进展

2015-11-18 08:59
夜隼008
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  溶液晶体生长过程中,溶质分子在晶体表面通过不断的吸附/脱附过程完成在晶体表面的固定化过程,从而实现晶体的逐步生长。因此,溶质分子的吸附/脱附是晶体生长过程中非常重要的过程,其动力学过程对晶体生长动力学有重要影响。要想深入了解晶体表面的吸附/脱附过程,至少需要了解两个过程,一、分子由溶液状态转变为固相状态是如何完成的?二、在晶体表面分子是如何吸附到特定位置的?这两个过程至今仍不甚清楚。在这两个过程中,不同分子的行为是不尽相同的。通常采用的整体研究方法(如图谱法、石英振子微量天平)无法对上述两个过程进行研究,因为大量分子的平均行为无法反映出单个分子的行为。单分子技术可以避免上述整体研究方法存在的不足之处,因此是开展相关研究的强有力的工具。

  中国科学院力学研究所微重力重点实验室副研究员戴国亮与日本北海道大学教授佐崎元(2014年度中国科学院外国专家特聘研究员)经过数年合作,采用模型体系——单斜型溶菌酶晶体,通过改进型全内反射荧光显微镜与激光共聚焦显微镜联用装置,观察了荧光标记的溶菌酶分子在溶菌酶晶体表面的吸附/脱附过程。

  研究人员首先在溶菌酶晶体的生长过程中研究了荧光标记的溶菌酶分子在晶体表面停留不同时间的溶菌酶分子的数密度随吸附时间的变化情况,获得了分子的吸附速率随其在晶体表面停留时间的变化结果。研究人员发现在吸附过程的初始阶段存在诱导时间段(约120min)。在诱导时间段,溶菌酶分子的数密度保持恒定。在诱导时间段后,溶菌酶分子的数密度随生长时间线性增加。晶体生长状态下,在晶体表面停留时间大于20min的溶菌酶分子(实现了固定化的分子)的吸附-脱附达到了稳定状态,其数密度值大于0;而在晶体溶解-生长平衡状态下,其数密度值为0。这反映出溶液的过饱和对分子的吸附/脱附过程有重要影响。上述研究结果有助于更深入理解晶体生长动力学过程及杂质分子如何在晶体内的分布。

  上述研究工作得到中科院、科技部、北海道大学等经费支持。

 实验采用的观察池的剖面图。粗箭头所指位置是实验中单斜溶菌酶晶体的观测面

  不同晶体表面停留时间的溶菌酶分子随吸附时间在晶体表面的数目逐渐发生变化

  平衡和过饱和状态下分子的净吸附速率随分子在晶体表面停留时间的变化情况
 

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