高分子界面的三维粘弹性质研究

The viscoelastic property of the polymer-modified interfaces plays key role in determining the molecule adhesion and detachment at the interfaces. However, the characterization of such interfacial viscoelasticity still remains a challenge. In this proposal, we intend to incorporate a single particle-tracking technique, so-called evanescent wave tracking, with a high-force magnetic tweezers for three dimensional (3D) tracking and manipulations of the probe magnetic beads near liquid/solid interfaces adsorbed with polymers or biomolecules. The 3D interfacial viscoelasticity and force near the surface as a function of the distance can be directly measured. As a result, the dynamic behavior of molecules near polymer-modified interfaces can be mimicked and studied by monitoring the viscoelasticity between probe beads and interfaces modified with the polymers and biomolecules. This novel approach for measuring 3D viscoelasticity at the interface will be a powerful tool for providing an insight understanding on the interfacial behaviors such as adhesion and detachment.

微尺度下高分子界面粘弹性决定着该界面的粘附和脱附行为，但其测量和表征却十分困难。在本课题中，我们计划利用瞬逝波照明技术，结合磁镊产生高强度的磁场力，控制磁性微米粒子在特定高分子固/液界面附近运动，并实时追踪其三维位置，从而获知和研究微尺度下界面的三维粘弹性质。该方法将直接给出界面粘弹性与距离及外力的关系。另外，我们将通过修饰高分子界面和使用不同的微粒，改变微粒的运动模式，以研究不同胶体和生物体在高分子界面的动态行为，为了解界面粘附和脱附行为提供依据。

微尺度下高分子界面的相互作用和粘弹性决定着该界面上胶体颗粒和微生物的粘附脱附行为，但其测量和表征却十分困难。在本课题中，我们建立了一种新型的界面粘弹性测量技术，即利用瞬逝波照明技术-全内反射显微镜，结合自建的磁镊系统产生灵活可控的三维磁场力，控制磁性微米粒子在特定高分子固/液界面附近做运动，并实时追踪其三维位置，从而获知微尺度下界面的相互作用和三维粘弹性质。利用该技术，我们监测了附着有典型蛋白(刀豆球蛋白、大豆蛋白、血清蛋白、溶菌酶等)的探针粒子和表面，发现吸附后的蛋白显著改变了界面性质，引起了相互作用的显著变化；通过对温敏性微凝胶sol-gel转变过程中界面粘弹性的监测，我们发现微凝胶体系粘弹性呈现出复杂的频率、浓度和温度依赖性，这与它自身的体积排斥作用及相转变后的分子吸引作用有关。为扩展界面粘弹性的测量范围，我们进一步将磁镊系统搭载于原子力显微镜上，构筑了可测量生命机体粘弹性的界面三维粘弹性测量技术，并应用于对细菌生物被膜粘弹性的监控中，我们发现生物被膜是一类具有频率标度关系的玻璃态材料。随着生物被膜的生长，其流动性变强；而成熟时，被膜外层的粘弹性稳定，不受环境流场的影响。本课题发展的界面三维粘弹性表征技术可直接给出粘弹性与离界面距离之间的关系。基于该技术，我们系统追踪了胶体颗粒物和微生物在典型高分子界面附近的微流变性质和相互作用，进一步揭示了界面结构和动态行为的机理。