黄原胶溶液的浓度对样品在表面上成像影响扮演着重要的角色，在室温条件 下，黄原胶溶液从浓度0.001g/L到0.1g/L很大范围内被研宄。

图3-2不同浓度下的黄原胶分子形貌图

Fig.3-2. AFM topography images of xanthan gum at different concentrations

图3-2中，呈现了不同浓度下的黄原胶分子形貌图，形貌图的尺寸大小都是 4000nmx4000nm，这三幅图是黄原胶分子的水溶液，在退火温度为90C，退火时 间是30分钟。溶液的浓度分别为(a):0.1g/L, (b): 0.01g/L, (c)0.001g/L,这三幅图就是

不同的溶液浓度对样品在表面成像的影响，从形貌出向上我们可以看出：（a)聚集 大颗粒，（b)网状结构，（c)单个纤维，这个趋势是和溶液的浓度相一致。图3.2 (a) 是浓度为:0.1g/L黄原胶分子的AFM图像，从图像中我们可以看到，黄原胶分子 将会聚集到一块，形成了很多无序、分散、大小和高度不一的类似于球状体的颗 粒分布在新解离的云母表面，有些可以呈现不规则的形状。这是由于在这个浓度

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下黄原胶分子发生了聚集，并且形成了不同的聚集形态造成的。当浓度减少到

0.01 g/L时，如图3.2 (b)黄原胶分在将会扩散，形成了相互缠绕的网状结构。 随着浓度的再次降低，相互缠绕的黄原胶分子将会被大量的水溶液分开，形成了 单个纤维，正如图3.2 (c)所示。

表格1

用AFM截面分析软件测量不同浓度下黄原胶分子的高度

Table 1

Molecular heights of different concentration xanthan gum molecules measured by AFM

Measured height /AMeasured height /A

0.01g/L0.001 g/L

Data10.854.57

10.854.85

11.135.42

11.135.71

11.425.99

11.425.99

12.276.28

12.566.85

12.846.85

13.707.14

13.997.14

Average/A12.016.07

Standard deviation1.130.89

在图3-2 (b) (c)中，黄原胶分子的11个点被选取，他们的高度用AFM 自带的截面分析软件分析。表格1显示了不同浓度下黄原胶分子的高度测量值， 当溶液浓度为0.01 g/L时，测量的平均高度是12.01A,高度的标准偏差是±1.13， 当溶液浓度为0.001 g/L时，测量的平均高度是6.07A,高度的标准偏差是±0.89。 Miles et.al.曾经报道用STM研宄了黄原胶分子的高度大约为1-1.5nm[17]，正如我 们表格1中一样，在浓度为0.01 g/L时我们所测量的黄原胶分子的高度是1.2nm,

很好的与Miles et.al.曾经报道的相一致，但是当溶液稀释到0.001 g/L时，测量的 平均高度为0.6nm,正好是浓度为0.01 g/L时我们所测量的黄原胶分子的高度的一 半，因此从表格1中，很好的说明了黄原胶分子在云母表面的自由伸展为双链和 单链。

根据3.3.1部分的实验数据分析，我们可以清晰的了解黄原胶分子在不同浓 度下分子的构型发生了很大的变化，这一节中，我们提出了黄原胶分子从网状结 构到单个纤维形成过程的假设模型。

(a)(b)(c)

图3-3从网状结构到单个纤维过程的模型

Fig.3-3. Model for network to single fiber of xanthan gum molecular

黄原胶的水溶液中分子间的结合主要是通过氢键和阴离子等弱相互作用。正 如图3-3 (a)所示，黄原胶分子的粘性主要是通过无规则的线圈相互缠绕而形成 的，很大程度上超过了侧链中负电荷的相互排斥。因此当达到一定的浓度的时候 (0.01 gL) —个交织的网状结构形成。除了黄原胶分子相互缠绕外，分子间主要 是通过螺旋棒状结构中的分子间的氢键力。

当浓度变小达到0.001 g/L时，单个黄原胶分子的形貌结构被发现。由于大量 的水溶液，网状结构被解体，黄原胶分子间的相互作用被分离，分子链也被分 开。正如图3-2 (b)、（c)中用原子力显微镜所看到的一样。

图3-3是黄原胶分子从网状结构到单个纤维形成过程的模型图，在网状结构 中，正如3-2 (b)中，我们用原子力显微镜测量到黄原胶分子相互交织的网状结 构，当加入大量水溶液进行稀释时，大量的水分子将施加给相互交织缠绕的黄原胶分子一个剪切力，这个力首先要打破无规则相互缠绕而形成的粘滞力，这个力 小于分子间的氢键力，因此我们认为首先发生图3-2 (a)到（b)这个过程。一 旦剪切力被施加，溶液就具有了假塑性（在外力作用下，其粘度因剪切力速率的 增大而减少），分子键相互缠绕的粘滞力完全被打开，再加上黄原胶分子中侧链 负电荷的相互排斥，更加剧了这个过程的发生，形成了双螺旋结构，如图3-3

(b)。随着水溶液的稀释，剪切力逐渐增大，在一定程度上会超过分子键氢键的 力，因此分子键的氢键会慢慢打开，最终形成分子单链纤维，正如3-2中（c)所 示，模型如3-3中（c)所示。

因此我们可以认为，通过观察不同浓度下黄原胶分子的形成过程，可以间接 的了解到黄原胶分子的整个行程过程，不同浓度下的黄原胶分子的形貌图像对应 着黄原胶分子行成过程的不同阶段，上面的实验结果很好的说明了这一点，这就 为研宄生物分子的形成过程提供了一个非常便捷的路径。通过配比不同浓度下的 生物样品，在空气中即可以用AFM直接地观察到生物分子的形成过程。

这一节中我们对黄原胶分子采取逐渐缩小扫面范围的方法进行扫描成像，并 同时获得了 8000nmx8000nm，5000nmx5000nm ，4000nmx4000nm ，

3000nmx3000nm，2000nmx2000nm，1000nmx1000nm 的表面形貌图，用原子力 显微镜自带的粗糙度统计软件分析了不同扫描范围下的AFM扫描图的平均粗糙 度，平均粗糙度'表示的是扫描图上的各点相对于中心平面的数学平均偏离，他

的定义公式是：

1 N-

Ra = —T Z, - Z

上式中，N表示的是扫描范围内所采取的数据点的个数，之,表示的是某点的 高度值的大小，Z为中心平面的高度值的大小。

(a) 8mm x 8mm (b) 5mm x 5mm (c) 4mm x 4^m d) 3^m x 3mm (e)2mm x 2^m (f) l/mm x l/mm

Fig. 3-4 The topograph images in different scaning area of xanthan gum molecular with

AFM

图3-4是用原子力显微镜测得的黄原胶分子在不同扫描范围下的表面形貌 图，从原子力显微镜扫描的表面形貌图像来看，随着扫描区域的逐渐缩小，形貌 图像所反映的细节更加丰富，表面结构形态更加清晰，更加细微的细节都能扫描 出来。再一点，可以进行原位观察，图像逐渐缩小后，也可以逐渐变大，可以不 同时间，不同范围随时随地进行观察，在原位观察的同时，可以对生物大分子进 行实时扫描，更能细致的描述生物大分子随时的结构变化，对于研宄生物分子的 形成过程是一个很有力的说明工具。

图3-5粗糙度统计软件分析不同扫描范围下的平均粗糙度，从粗糙度的统计 图来看，随着原子力显微镜扫描范围的逐渐扩大，形貌图像所反映的表面平均粗 糙度的数值变大，这与Bonssu等人的实验所发现的随着扫描范围的逐渐增大， 表面平均粗糙度相应增大的实验结论相一致。因此当我们在分析表面的粗糙度的 时候，选择的图像过小的时候，我们将会发现粗糙度与图像很大的时候偏离过 大，因此我们在选取扫描范围大小的时候，一定要适当，尽量是分析的结果与实 际值之间的偏差尽量减少。但是正如图3-4所示，扫描范围过大的时候，细节将 会看不到，分析不出来，扫描范围过小是有会出现失真的情况，如图3-4 (f)，因 此需要找一个合适的扫描范围，便于我们分析。在本论文中，我们一般采取 4卿x 4卿的扫描范围进行分析。