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研究论文：荧光共振能量转移法研究高分子的溶液剪切构象

已有 255 次阅读 2024-9-27 11:46 |系统分类:论文交流

文章重要内容

南京大学陈葳团队实现了流场中高分子链微观构象的分子层面的原位检测。采用荧光共振能量转移(FRET)光谱方法，通过分析标记在同一根高分子链上的荧光供体和受体基团间的FRET效率随剪切速率的变化，首次观察到高分子链在剪切作用下，在极稀溶液和亚浓溶液中，分别表现出“整体带动局部”和“局部带动整体”的构象变化模式。

文章背景

从分子层面原位检测流场中高分子链的微观构象，分析构象演变规律，不仅是理论领域研究高分子链运动与变形的分子机理的基础，也是加工领域推动高分子先进加工工艺发展的重要环节。实验上，常规的流变、示踪粒子成像、小角x射线散射、光散射、中子散射等测试方法无法提供微观构象的直接信息。荧光显微镜成像虽然可以直接观测流场中单个分子构象，但受仪器分辨率限制，对于大多数构象变化尺度仅0.1-10 nm的合成高分子难以实现原位检测。近年来，科学工作者用模拟计算方法对高分子链在流场中的动力学行为展开了大量预测性研究，这些模拟计算预测结果对高分子链微观构象的实验验证提出了新的需求，因此亟需建立高灵敏的实时表征方法对流场中高分子链的构象变化展开研究。

文章概述

最近，南京大学陈葳团队突破了仪器亚纳米尺度分辨率的限制，借助FRET光谱方法对微小尺度变化的敏感性（图1），使用分子内FRET光谱方法，从分子层面对流场中高分子链的微观构象进行了原位检测。为检测不同剪切速率下样品的荧光光谱，首先对荧光光谱仪的样品池进行如图2所示的改造，并使用随机标记的方法将荧光供体基团咔唑（Cz）和荧光受体基团蒽（An）接枝在同一根聚苯乙烯（PS）链上（图3）。PS-1和PS-4分别为PS链上Cz和An基团个数与单体单元个数的比值分别为1:1000及4:1000的样品。在样品的荧光发射光谱（图4）中，以405 nm处An的特征发射峰强度I_a与355 nm处Cz的特征发射峰I_c强度的比值I_a/I_c对FRET效率进行度量。

图1 上: FRET示意图, 下: FRET效率随荧光供、受体间距离的变化关系图

图2 剪切荧光样品池示意图

图3 链内随机标记Cz和An的PS样品的合成路线

图4 链内随机标记了Cz和An的PS样品的荧光发射光谱

该研究使用分子内FRET光谱方法研究不同浓度溶液中的高分子链在不同剪切速率的流场中的构象演变规律。首次从分子层面原位观察到单根高分子链中大小不同的链段在剪切场中的动力学行为。当溶液中高分子浓度小于临界接触浓度c^*时，随着剪切速率增大，分子链中大链段先于小链段发生构象变化，整根高分子链的构象随剪切速率增大表现为“整体带动局部”的演变模式。当溶液中高分子浓度等于c^*时，随着剪切速率增大，分子链中大链段和小链段同步发生构象变化。当溶液中高分子浓度大于c^*时，分子链中小链段先于大链段发生构象变化。整根高分子链的构象随剪切速率增大表现为“局部带动整体”的演变模式（图5）。