文献综述-蛋白质微流变

文献综述微流变技术的应用及发展趋势摘要微流变技术是最近15年来学术研究的热点，是一种比较新的分析方法。该方法主要利用追踪分散复杂流体中的胶体示踪粒子的运动情况来获得体系的粘弹性。本文主要概括介绍了微流变技术在不同领域的应用及相关仪器设备。关键词：微流变微流变仪应用1流变学概述流变学出现在20世纪20年代。学者们在研究橡胶、塑料、油漆、玻璃、混凝土，以及金属等工业材料；岩石、土、石油、矿物等地质材料；以及血液、肌肉骨骼等生物材料的性质过程中，发现使用古典弹性理论、塑性理论和牛顿流体理论已不能说明这些材料的复杂特性，于是就产生了流变学的思想。英国物理学家麦克斯韦和开尔文很早就认识到材料的变化与时间存在紧密联系的时间效应[1]。流变学是力学的一个新分支，它主要研究物理材料在应力、应变、温度湿度、辐射等条件下与时间因素有关的变形和流动的规律。流变学研究的是在外力作用下，物体的变形和流动的学科，研究对象主要是流体，还有软固体或者在某些条件下固体可以流动而不是弹性形变，它适用于具有复杂结构的物质。流变学研究内容是各种材料的蠕变和应力松弛的现象、屈服值以及材料的流变模型和本构方程[2]。1.1微流变技术概述Microrheology即微流变学是一门最新引进的流变学技术，它大大简化了流变学的测量方法。采用最前沿的以动态激光光散射为基础的扩散波光谱学（DWS）技术，持续不断的追踪检测嵌入在材料中的小颗粒的热运动，并通过专利的计算得到样品中的颗粒由于热运动造成的纳米级的均方位移。颗粒的均方位移和样品的网格结构存在相关性，从而获得样品的结构信息。并以熟知的流变学参数表征。和传统机械流变学相比，以DWS为基础的光学法微流变仪可以在无干扰、无破坏性的情况下准确反映体系的流变性质。而且与传统的流变技术相比，该方法的测试速度更快，测量频率更高。特别适用于那些软物质体系，如悬浮液、乳化液、料浆、凝胶体、泡沫等。1.1.1微流变的定义微流变是指物质在微观状态下的流变性。微流变将布朗热运动视为应力，将粒子的运动面积视为应变。微流变学是流变学领域中的一个新的分支，主要分析软物质在微米尺度的粘弹性特性。通过测量软物质（如凝胶，聚合物，乳液，分散剂…）中的颗粒由于热能（布朗运动）而产生的位移，就可以得到它们本身所具有的粘弹性性能。颗粒的运动轨迹可以反映物质的结构。根据颗粒位移均方根曲线就可以得到不同的参数，如弹性模量、粘性模量、弛豫时间、晶格尺寸等。微流变于1995被Mason&Weitz所提出，基于DWS多散斑扩散光谱学理论（1988年第一篇文章）。通过探测微粒布朗运动的运动面积与时间的关系，来得到样品的流变性信息[3]。1.1.2应用原理—DWS扩散波光谱学DWS是动态光散射在不透明介质中的应用。动态光散射是一种在稀释的介质中测量颗粒的布朗运动以确定颗粒大小的著名方法。在扩散波光谱实验中，光线被多次散射。这种方法可以精确地探测到颗粒位移，并有此分析出符合流体的粘弹性特性。多散斑-扩散波光谱学（MS-DWS）：当一束激光照射样品时，光渗透到样品中，遇到样品中的颗粒，就会发生散射；当样品中的颗粒浓度高时，就会发生多重散射。多重散射光被颗粒反射，形成背散射。被反射的散射光由于所走的路径不同，存在相位差。不同相位的光在一起，就形成光的干涉。即形成明暗相间的光斑，这些光斑，俗称“散斑”。软材料中颗粒由于热动力学产生布朗运动。进行布朗运动的颗粒诱导散射光斑变形。通过多像素检测器实时检测扩散波的变化，并计算得到颗粒运动的速度及颗粒的均方位移（MSD）。对于一个纯粹的粘性液体（牛顿液体），样品中的粒子是完全的自由运动的（扩散行为）。对应这种完全自由运动MSD曲线表现为与去相关时间（tdec）呈线性函数。曲线的斜率与产品的粘度有关。对于具有粘弹性性质的样品中，颗粒是不能自由运动的。事实上，散射颗粒是在一个与其他粒子（滴在乳液，聚合物在分散体系中，…）的相互作用而创造的“笼子”中运动。这些相互作用是样品具有了弹性。根据观察在不同去相关时间区域内的颗粒运动轨迹，可以分为三个主要行为：-最初很短的去相关时间：颗粒在笼内完全自由行动粒子只受溶剂粘度的影响，MSD的增加和区相关事件呈线性关系。-去相关时间中间部分：粒子运动受到了笼结构的相互作用的影响，粒子受到样品弹性影响，其运动速度减慢。MSD斜率下降达到去相关时间曲线的一个平台区。-去相关时间的最后：颗粒感觉不再受笼的影响，粒子受到样品宏观粘度影响；MSD斜率增加且与去相关时间曲线呈线性关系。图1MSD曲线MSD曲线是样品微流变学的粘弹性的重要表现。它反映了样品的粘弹性特征。通过采集MSD曲线，在相同的样品不同老化时间内，可以确定样品弹性、粘度变化、以及样品的微观结构。1.1.3相关参数1.1.3.1颗粒均方位移MeanSquareDisplacement（MSD）颗粒均方位移（MSD）：颗粒的布朗运动是由颗粒均方位移（MSD）与时间的关系曲线来表征的。样品中粒子的均方位移与样品的粘弹性直接相关，MSD曲线反应样品中的粘弹性特征。在纯粘性流体（牛顿流体）中，粒子MSD与时间呈线性增长；而在一个粘弹性流体中，粒子的均方位移受到限制，粒子被困在三维微观结构网络中，从而在MSD与时间的关系曲线中形成一个平台区。1.1.3.2固液平衡值Solid-LiquidBalance(SLB)MSD曲线弹性平台区的斜率值，称为固液平衡值。它表征样品的股也平衡状态，说明样品是更具有固体的特征，还是更具有液体的特征。斜率值越低，表明粒子的运动速率越低，样品所具有的固体特征超过所具有的液体特征。而如果斜率增加，这意味着粒子运动并不是真正的被阻止或减慢，样品是一个具有很强液体特征的样品。用固液平衡值（SLB）来表征样品的流变学特征，快捷方便。它还可以用来比较与其他样品的类似性质或用来监测样品的老化。固液平衡值（SLB）只是对MSD曲线的对数坐标的弹性平台区斜率值的计算。值越低，说明样品越像“固体”，值越高，说明样品越像“液体”。SLB与产品的最终特征相关，如附着力、形状稳定、质感、铺展性、凝胶点、物理稳定性等等。-SLB=0：样品是纯弹性固体-0SLB0.5：样品具有更多的弹性固体的特征-0.5SLB1：样品具有更多粘性液体的特征-SLB=1：样品是纯粘性液体1.1.3.3弹性因子弹性因子（ElasticityIndex,EI）是计算平台区高度的倒数值，它的变化幅度是和弹性变化一致的，可以用来描述样本的弹性性质。EI可以与样品的最终流变特征相关，如凝胶网络尺寸（mesh-size）、硬度、凝胶化过程的速度、剪切后恢复速度等。1.1.3.4宏观粘度因子MacroscopicViscosityIndex(MVI)MSD曲线平台区后的斜率是产品的宏观粘度因子。事实上，这个斜率越低，粒子在给定的去相关时间内运动的均方位移越小，这就意味着在去相关时间内运动的速度越慢。粒子移动的越慢，产品的粘度越强。另一方面，粒子移动的越快，产品的粘度越弱。MVI可以用来描述样本的粘度性质。该值可以用来与其他样品进行比较，通过实时检测该值的变化，检测样品的老化程度。宏观粘度指数仅仅是计算斜率值的倒数，其变化是与粘度的变化一致的。MVI与产品的最终特性相关，如增稠剂的效果、质地、口感、流动性、长期稳定性等。1.1.3.5流动因子FluidityIndex(FI)FI是去相关时间τ的倒数。2微流变仪2.1光学微流变仪2.1.1光学微流变仪的原理基于DWS多散斑扩散光谱学理论，将分散相的布朗运动速度转换为MSD均方根位移曲线，获得样品微观粘弹性信息，实时追踪光子自由程I*，研究样品在凝胶或破胶过程中分子构型的变化过程。2.1.2特点光学微流变仪的特点是，可以在浓缩分散体系的高浓度情况下，对样品进行测量。并且，可以同时对六个产品进行检测；测量时不需要任何外力的作用；还可以对少量的样品进行检测；并增加对样品复原状况的测量。2.1.3典型仪器设备举例2.1.3.1Rheolaser流变仪光学法微流变仪RheolaserLAB是进行光学法微流变学分析的仪器。2.1.3.2DLS微流变微流变检测是通过动态光散射法（DLS）跟踪已知颗粒大小的分散示踪粒子运动，并采用归一化斯托克斯-爱因斯坦方程确定样品的流变学特性。DLS微观流变学是一种被动微观流变学技术，其示踪胶体颗粒仅在热动平衡条件下经历系统中的做热运动。DLS微观流变学可用于低粘性及弱结构复杂流体的流变学表征，例如：聚合物、表面活性剂的稀释溶液以及浓缩型蛋白质配方。对于此类物质，微流变技术具有明显的优势：高探测频率，对于表征短时间的粘弹响应而言，必不可少（而机械式技术从技术本身上受到惯性的限制）。仅需微量样品即可进行微流变表征，应用实例如：蛋白质基配方。DLS微流变的应用包括：药用蛋白质与生物聚合物溶液的流变学表征。对蛋白质溶液进行粘弹性测量，以评估蛋白质与蛋白质相互作用的开始以及不溶性聚积物的形成配方的开发及筛选。工艺时间尺度方面，稀释系统的高频流变学能力。监测复杂流体中结构随时间或温度的发展情况，或稀释条件下结构分解情况2.1.3.3光学法微流变学的优越性光学法微流变学的最大的优越性是：-测量完全在静止状态下进行:测量完全没有机械的剪切力，可以测量特别脆弱的样品如泡沫水泥、泡沫、弱凝胶、酸奶、奶油等，可以得到完全没有经过任何修饰的粘弹性的原始结果。-可以等到零剪切时的数据。-非接触性测量：样品被放置在20ml的玻璃样品池中测量。可以检测对同一样品的粘弹性对老化时间的变化：稳定性分析、复原测试等-微观结构分析:测量是在微米尺度上进行的，可以分析物质的微观结果如：物质晶格尺寸、弛豫时间，异质性…2.1.3.4一起的工作原理仪器的工作原理是：仪器的测量原理是通过测量颗粒的运动速度及颗粒的运动的区域来计算整个体系的粘弹性的。颗粒的运动（布朗运动）是通过多斑扩散波光谱学来测量的。该测量单元包括一个产生相于激光束的光源和接收背散射干涉波的检测器。这种干涉图像被称做散斑图像，是由多像素检测器检测的。该专利的散斑图像处理技术可以测量：-颗粒运动速度-颗粒运动的均方根距离从这些原始数据的则可以计算出流变学的相关参数如：-弹性因子和弹性模量G’-粘性因子和粘性模量G”-弛豫时间-粘弹性参数随时间的变化(复原，老化试验)3微流变的应用3.1凝胶方面的应用凝胶因其所具有的特殊的流变特性，而被广泛的应用在食品、药品、日用品、化妆品、涂料、墨水等行业。人们研究凝胶，希望可以实时检测凝胶的动力学过程、检测和比较不同凝胶的强度、鉴定凝胶成胶的温度、研究凝胶的稳定性及凝胶的崩解…光学法微流变仪采用MS-DWS理论，可以通过测量MSD曲线实时监测凝胶从液态到固态的过程；通过计算弹性因子随时间的变化关系曲线，鉴定凝胶化过程，计算得到的弹性因子的大小，可以比较不同凝胶的强度；计算粘弹性平衡点、鉴定凝胶点并可以计算凝胶的网格尺寸。ThomasMoschakis[4]在文章中介绍了粒子追踪微流变技术，并总结介绍了该技术在食品乳液和凝胶方面的应用。Table1Microrheologicalstudiesinfood-relatedsystemsInvestigatedsystemApplicationAcidmilkgelGelationandprobingmicroheterogeneitiesβ-LactoglobulinGelationandinterfacialmicrorheologyGellangumGelationandprobingmicroheterogeneitiesPectinGelationandcomparisonwithDWSWheatgliadinMappingmicroheterogeneitiesβ-GlucansGelationandprobingmicroheterogeneitiesHoneyMeasuringviscosityandcomparisonwithbulkrheologyEmulsionsMeasuringvisc