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乙二醇、丙三醇、丙二醇,丁二醇等线性(分子中的碳原子在同一直链上而无侧链)多元醇是生物材料低温保存技术中常用的低温保护剂。这些小分子低温保护剂因其渗透快,可以最大限度地降低“渗透冲击”,从而广泛应用于细胞和胚胎的的低温保存。在降温和复温过程中,低温保护剂水溶液会经历一系列的吸热和放热现象,比如结晶、熔融、玻璃化转变、反玻璃化、焓松弛等。分析研究这些热现象,对于了解低温保护机理、制定合理的低温保存程序和保存条件、研发针对不同保存对象的低温保护剂溶液的配方都具有重要意义。例如,对加有低温保护剂的生物系统实施降温程序,应首先了解系统的成核机制和过冷行为,只有这样才能制定特定的降温程序,以较快的速度通过结晶区从而降低冻结损伤的程度。一般认为,低温保护剂效果如何,与其结合水的能力有关,其结合水的能力越强,则体系中的自由水(可冻水)越少,结晶也越困难。因此,考察低温保护剂的水合性质对于选择合理的低温保护剂有重要的参考价值。在进行细胞、胚胎以及小组织小器官的低温玻璃化保存时,系统的玻璃化转变温度自然是要首先了解的重要参数。其次,由于玻璃体系在升温中有时会出现反玻璃化现象,这对于低温保存对象来说通常是致命的。因此,了解反玻璃现象出现的温度区间和如何避免出现反玻璃化现象就显得非常重要。即便玻璃形成体系处于其玻璃化转变温度以下,也不能认为体系是处于稳定的,因为玻璃体会经历热焓松弛过程,即由处于相对高能的玻璃态(与同温度的结晶态相比)向相对低能的玻璃态松弛,表现为过剩焓的释放和体积的收缩。研究表明,焓松弛过程会降低反玻璃化温度,从而会降低玻璃体系的稳定性。因此,关于低温保存玻璃化系统焓松弛的研究也具有一定的实际意义。关于反玻璃化(结晶)动力学的研究是一个远未了结的课题。通过动力学计算,可以增进对反玻璃化机理的了解,对成核机理和晶体生长行为的判断。本文的研究包括以下几个方面:线性多元醇水溶液的过冷行为测定不同溶质种类、不同浓度的低温保护剂的成核温度及其变化规律。考察线性多元醇水溶液成核温度与分子结构之间的关系。线性多元醇的水合性质主要利用差示扫描量热法(Differential Scanning Calorimetry, DSC)测定水溶液的升温熔融焓和降温结晶焓,并以此计算溶液中的未冻水的含量,考察该参数与溶质种类之间的关系。考察羟基和甲基与水分子的作用机理有何不同。玻璃化转变与热焓松弛以高浓度甘油水溶液为模型系统,利用DSC测定玻璃化转变温度、玻璃化转变过程中的比热变化。考察玻璃化转变性质与溶液浓度之间的关系,考察结构松弛参数随体系中溶质浓度之间的关系,考察溶液的动力学脆度和热力学脆度变化的关联性。考察部分结晶的乙二醇水溶液的玻璃化转变和焓松弛行为。反玻璃化动力学。利用等温结晶法、扫描结晶法和一次扫描结晶法获得不同浓度的线性多元醇水溶液的反玻璃化结晶动力学参数并相互对照,以考察各种方法的有效性以及浓度、扫描速率等对计算结果的影响。本文的主要研究成果与发现有:一般认为,异相成核温度有一定的偶然性,但在我们选择的模型系统上却表现出很好的重复性,这也是我们得以研究异相成核规律的基础。总体而言,线性多元醇类低温保护剂的加入会降低水溶液的过冷点,但过冷点和浓度之间并不是简单的依赖关系。在浓度很低时,随着溶质浓度的升高,过冷点反而提高;中等浓度区,过冷点随浓度的变化表现出不规则的特性;在高浓度则是简单的依变关系,即过冷点随着浓度的提高而降低。此观点发表在2004年第2期的《物理化学学报》上。通过对相同质量浓度的乙二醇和甘油的水合能力的比较,发现当溶液浓度较低时,二者的水合能力大体相当,而此时溶液中的“羟基浓度”刚好相等。本研究作出如下判断:在溶液浓度不大的情况下,二者的水合能力和其分子中羟基个数有简单定量关系。而在高浓度体现出水合能力的差别可能是由于溶质本身相互键合机会增加的缘故。通过对四种线性多元醇水溶液的升温熔融焓与浓度的关系的分析计算,发现它们遵循“指数下降”规律,而对于二甲基亚砜,却遵循的是“线性下降”的规律。这也从另一个侧面表明两类低温保护剂与水分子之间的不同的相互作用机制。此研究的部分内容发表在2004年第2期的《物理化学学报》上。在以高浓度甘油水溶液为模型系统,考察其玻璃化转变与焓松弛参数时,发现已被人们广泛使用的预测水对水/溶质玻璃化转变系统的增塑效果的Gordon-Taylor方程并不能在此系统上使用。本研究认为应考虑到玻璃化转变温度的取法和扫描速率对增塑常数拟合结果的影响;同玻璃化转变温度一样,玻璃化转变过程中的比热变化不仅与体系中的组分有关,也是受松弛动力学制约的量,升降温速率的不同对应不同的松弛行为,也就导致不同的比热变化值;在一些比较成熟的描述玻璃体结构松弛的模型中引入的结构松弛活化能是随体系中水分含量的增加而降低的;甘油/水体系的Angell脆度(动力学脆度)随水分含量的增加而降低,而热力学脆度的变化方向却相反。该部分的研究内容已被《化学物理学报》所接受并将于2005年发表。本研究发现了对于部分结晶的乙二醇水溶液,有两次玻璃化转变现象,其中高温转变比低温转变高约6K。通过比热变化测量、低温显微镜观察和焓松弛考察,证实其中的高温玻璃化转变对应体系中的约束无定形成分;KWW函数的分析结果表明体系中的两种无定形成分有明显不同的焓松弛行为。该部分的研究成果已被《物理化学学报》所接收并发表在2004年第7期。利用等温结晶、多次扫描结晶和一次扫描结晶法,研究了线性多元醇系统的反玻璃化行为,考察浓度、升温速率对结晶动力学参数的影响。研究中发现,在进行等温结晶时,对于不同的等温温度,甘油水溶液存在着不同的结晶动力学指数,而乙二醇水溶液的结晶动力学指数却基本保持不变,表明在反玻璃化过程中乙二醇水溶液中的成核率为零而甘油水溶液中成核率不为零。本研究表明,计算结晶动力学参数时,一次扫描量热法的使用范围受反玻璃化峰形的影响比较明显。为此,我们给出改进的方法,即在峰形不对称的场合,使用反玻璃化峰的“下降沿”的数据进行计算,可得到比较理想的拟合效果。