同步研究生物大分子与分子聚集体微观结构的等温滴定微量量热计

Intermolecular interactions and the resultant molecule/aggregate structures and phase behaviors in aqueous solutions are closely related to many key topics in biological, pharmaceutical and material areas. The combination of microcalorimetry with the techniques for microstructures is one of the most effective approaches to study these kinds of systems. However, intermolecular interactions are very complicated in aqueous solutions. A large number of factors affect the final balance of the interactions. The aggregation and the variation of the aggregate structures often take place in very dilute solutions and several changes may all appear in a very narrow concentration range. Especially, the interaction and the transitions of the molecule/aggregate structures as well as the phase behaviors in biomacromolecule systems are usually dynamic dependent. Thus, if the experiments of microcalorimetry and microstructure techniques are carried out separately, the relationship of the interactions with the molecule/aggregate structures and the phase behaviors cannot be determined simultaneously and accurately. Therefore, this project is aimed to develop an isothermal titration microcalorimeter with synchronous measurement function of microstructures. The final instrument will realize the synchronous measurements of enthalpy change of intermolecular interaction as well as UV-Vis spectroscopy, fluorescence spectroscopy and Raman spectroscopy of the systems in aqueous solutions. The new technique is expected to be helpful to obtain the relationship of the interactions with the molecule/aggregate structures and the phase behaviors in self-assembly and biological/bionic systems, which is the premise of controlling the structures and the phase behaviors. The final purpose is that this technique is able to be widely applied to the related areas with multiple functions and high efficiency.

溶液中的分子间相互作用及其导致的分子/聚集体结构与相态的转化与生命、医药、材料等领域的诸多关键科学问题密切相关，量热技术与微观结构研究手段的结合是研究该类体系最有效的途径之一。然而，溶液中分子间相互作用复杂，影响因素众多，许多聚集体的形成和结构转化发生在极低的浓度条件下，并且，多种转变经常集中发生在非常小的浓度区间内，特别是，许多生物大分子和自组装体系中结构和相态转化具有很强的动力学依赖性。因此，等温滴定量热与微观结构分别研究的方法并不能满足该类体系和问题研究的需要。本项目计划研制同步研究生物大分子和分子聚集体微观结构的等温滴定微量量热计，以期实现对溶液中分子间相互作用焓变与可见-紫外、荧光、拉曼三种光谱的同步测量，将有助于建立分子间相互作用与生物分子二级结构变化以及聚集体结构和相态变化之间的关系，为结构和相态的有效控制奠定基础。该技术有望成为相关领域一项功能强、效率高、实用性广的新技术。

溶液中的分子间相互作用及其导致的分子/聚集体结构与相态的转化与生命、医药、材料等领域的诸多关键科学问题密切相关，微量量热技术与微观结构研究手段的结合是研究该类体系最有效的途径之一。然而，溶液中分子间相互作用复杂，影响因素众多，许多聚集体的形成和结构转化发生在极低的浓度条件下，并且，多种转变经常集中发生在非常小的浓度区间内，特别是，许多生物大分子体系中相互作用、结构和相态转化具有很强的动力学依赖性。因此，等温滴定量热与微观结构分别研究的方法并不能满足该类体系和问题研究的需要。经过四年的工作，我们研制出了同步研究分子自组装过程、生物大分子二级结构与聚集体结构转化过程的精密等温滴定微量量热计，全面完成了计划任务书中的各项研究内容，实现了预期的研究目标。该装置包括恒温系统、热测量系统、可见-紫外光谱测量系统、荧光光谱系统、拉曼光谱测量系统及数据采集与控制系统。该装置可在测量滴定热间隔进行光谱测量，滴定热与光谱皆采用样品-参比池双通道测量，实现了对溶液中分子间相互作用焓变与可见-紫外、荧光、拉曼三种光谱的同步测量。通过基本技术参数的测量以及标准体系的测量，表明该装置达到了项目任务书中的各项技术指标。利用该装置研究了若干表面活性剂体系的自组装过程和相分离过程以及表面活性剂与DNA、蛋白质、淀粉多肽、磷脂的相互作用过程，同步获得了这些作用过程中分子间相互作用的能量变化以及导致的聚集体结构、相行为、生物分子二级结构的转化信息，这些结果有助于建立自组装体系、生物/仿生体系分子间相互作用与分子/聚集体结构和相态变化之间的关系，为结构和相态的有效控制奠定基础。这些研究表明该技术有望成为相关领域一项功能强、效率高、实用性广的新技术。项目执行过程中，发表论文17篇，申请发明专利5项，1项已获授权。