人体生物矿化与病态结晶研究进展

生物体通过矿化结晶可制备出具有多层级结构有序的功能材料以实现特定生物功能,但是有害(或病态)的结晶过程则会诱发诸如肾结石、动脉粥样硬化、疟疾、痛风等疾病.迄今为止,科学家对哺乳动物体内无机或有机盐病态矿化结晶的分子机制认识仍不清楚,但随着结晶科学推动病态矿化领域的发展,生物病态结晶研究近年来已取得了众多突破性成果和重要进展.本文从结晶过程机理认识和抑制药物分子开发需求出发,首先介绍了病态矿化结晶过程诱发的几种常见人类疾病,综述了这些疾病相关的无机或有机盐晶体结晶过程机制的研究进展,重点阐述了诱发肾结石形成的晶体成核、生长、聚结和黏附不同阶段、不同尺度的分子机制研究进展以及结晶抑制药物分子的设计开发策略.最后,梳理了今后生物病态结晶领域研究的重点方向,为病态矿化引发的人类疾病的预防、治疗和药物研究开发提供指导.     

中国科学院大连化学物理研究所在化学反应动力学领域取得系列创新成果

一切化学反应的本质都是原子或分子按照量子力学的规律相互结合或分离的过程.化学反应动力学就是在原子和分子的层次上,用量子力学的语言研究化学反应的细致过程和物理机制的学科,又称为分子反应动力学.化学反应动力学是化学的基础学科,它搭起了物理学基本规律和复杂化学过程之间的桥梁,对任何化学过程刨根问底地追问"为什么"的问题最终都将归结到化学反应动力学领域.     

植物体内草酸钙的生物矿化

草酸钙晶体在特化的植物晶异细胞内的形成是一种基本的、重要的生理代谢过程.不同植物草酸钙晶体在形态/结构上存在多样性和种间专一性,它们具有特定的尺寸和形貌,并且成核后晶体的生长和特化细胞的发育间存在显著的协同作用,这表明草酸钙的生物合成不是一种简单的化学结晶过程,而是受遗传和生物大分子的精确调控.被塑造的矿化相在特定的膜包覆空间内经历了各自不同的生物化学途径,最终形成热力学稳定相.草酸钙晶体赋予植物许多不同的功能,主要包括对高容量钙的调节和植物自我保护作用,从而间接地反映出植物在不同生境中进化的印迹.本文介绍了草酸钙晶体在植物体内合成的草酸代谢途径、钙的吸收和累积,主要讨论晶体生长过程的植物调节机制以及体外模拟生物分子对草酸钙结晶动力学过程的调控等,以期揭示植物体内草酸钙的生物矿化机制,并为仿生材料合成和人类病理结石的抑制等提供重要线索.     

硅酸盐熔体的物理化学性质研究进展及其应用

硅酸盐熔体具有高度的物理和化学活性, 是地球乃至其他类地行星内部物质和能量迁移的重要载体. 它们在地球内部层圈形成和演化的岩石学和动力学过程中发挥了关键作用. 充分了解高温高压条件下各种成分硅酸盐熔体的物理化学性质, 是正确认识与壳幔部分熔融相关的各种地质现象(如深部岩浆作用和火山喷发)的先决条件. 硅酸盐熔体自身的物理化学性质分为热力学性质(包括热力学状态函数和均相反应平衡常数)与动力学性质(包括迁移性质和均相反应速率常数). 针对硅酸盐熔体性质的研究, 近年来在高温高压实验和分析技术、计算方法(特别是第一原理分子动力学模拟)、理论模型以及熔体宏观性质与微观结构之间联系等方面都取得了很大进展. 通过与地球物理和地球化学观测的结合, 熔体性质领域的研究进展显著改进了我们对地球内部状态和地质过程的理解. 本文综述了硅酸盐熔体物理化学性质研究的成果和现状, 阐释了一些具有重要意义的应用实例, 并展望了该领域未来的研究趋势.     

量子生物力学

量子生物力学是生物力学的一个新的分支.它利用研究微观结构状态下机械运动的量子力学基本原理、密切联系其他量子科学和量子统计力学,试图解释生物系统的微观现象,并预测其宏观性质. 对生物现象及其过程性质的每项深入的基础研究,都要达到微观水平.生物系统的所有结构材料,都起源于由于化学键而使原子相互结合,形成生物分子.在现代实验手段的基础上,证实了有机分子的化学与物理性质不仅决定于它们的初始结构,还决定于它们的立体化学构象及其变化.这种构象决定于分子的分散段绕键的旋转和键角的变形.对构象变化的研究、对各段运动的研究、以及对克服旋转中势阻的研究,都是十分重要的问题.     

岩石风化碳汇研究的最新进展和展望

自气候变化的岩石风化控制学说提出至今,学界普遍认为,是硅酸盐的化学风化碳汇作用在控制着长时间尺度的气候变化,而在短时间尺度上硅酸盐风化碳汇与碳酸盐风化碳汇也是旗鼓相当的.然而,最新的研究发现,碳酸盐溶解的快速动力学和硅酸盐岩流域中微量碳酸盐矿物的风化在控制该流域溶解无机碳(DIC)浓度和碳汇上的重要性,使得碳酸盐风化碳汇占整个岩石风化碳汇的94%,而硅酸盐风化仅占6%左右.另一方面,水生光合生物对DIC的利用及其形成的有机质(内源有机碳)的埋藏,使得碳酸盐风化碳汇在任何时间尺度气候变化的控制上可能都是重要的.此外,岩石风化碳汇研究的另一重要进展是发现了碳汇随全球变暖和土地利用变化显著增加,即形成了气候变化的负反馈机制.未来应通过岩石风化碳捕获和储存过程及其控制机理的进一步研究,揭示岩石风化碳汇过程及其气候和土地利用调控潜力,以服务于各国应对气候变化的国家政策制定.重点研究:①岩石风化碳汇过程及其物理、化学和生物控制机理;②硅酸盐岩流域中微量碳酸盐矿物的风化在控制流域DIC浓度及其碳汇上的重要性;③陆地水生光合生物利用DIC产生内源有机碳的效率;④气候变化和土地利用调控岩石风化碳汇的潜力.     

血红蛋白(或变构酶)的弛豫动力学

近来生物化学广泛应用以测化学弛豫为主的快速反应实验技术,Eigeh已对此技术的理论做出了唯象的动力学工作.然而对血红蛋白这样的外界条件快速改变而产生的弛豫动力学完全缺乏统计力学基础上的研究,完全微观地研究像变构酶这一类生物大分子与底物结合的微观动力学。目前仍是很困难的问题。作为朝此方向的一个努力,我们在论文中发展了一     

血清抑制高磷介导的磷酸钙盐生成、聚集及其相转变机制

通过向改良杜氏伊格尔培养基(DMEM)加入不同浓度的无机磷酸根离子,对比加入胎牛血清和不加入胎牛血清两种条件,对磷酸钙在生物介质中的生成过程进行了研究.通过上清液中钙离子浓度变化、粒度和Zeta电势的检测以及扫描电子显微镜、透射电子显微镜、红外光谱和十二烷基磺酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)观测,发现在没有血清的体系中,外加的磷酸根离子会促进磷酸钙盐的生成和聚集并且促使矿物相以羟基磷灰石的形式存在.然而在有血清的体系中,血清蛋白通过降低溶液的过饱和度,使Zeta电势变得更负并且诱导生成短程有序的弯曲晶格,从而起到抑制磷酸钙盐的生成、聚集及无定形相转变的作用.     

乌贼骨中矿物相转化研究

乌贼骨(Cuttle-bone)是一种多孔度达90％,但刚性的天然矿物材料。由甲壳素(Chitin)及蛋白质等有机分子预制的多层房架式结构的基质中沉积有片状的碳酸钙文石。能否利用乌贼骨所具有的高度有序基质而将其无机矿物转化为骨骼、牙齿中所含的磷酸钙矿物,从而获得具有较好生物相容性和理化性能的生物活性材料是一个很有意义的课题。本文利用红外吸收光谱、X-射线衍射及扫描电镜等技术方法研究了乌贼骨在磷酸盐溶液体系中的无机矿物相的转化。结果表明乌贼骨中碳酸钙可与磷酸钙进行同晶置换,在有序的基质中生成了堆积更紧密的磷酸钙矿物。     

金在藻类-有机质-流体系统中分布的实验研究

模拟实验证实许多藻类在一定条件下具有很强的聚金能力;一些学者进一步的实验工作表明,有机质、原油能促进金的淋滤、迁移、还原和沉淀等地球化学过程。然而藻类、有机质、有机流体的这些成矿作用并不是孤立的。相反,随着地质作用的发展,当藻类死后转变成各种有机质、有机流体时,这些成矿作用也在不断地演化,构成一个生物-有机质-流体（OOF）成矿系统。本文按照地质作用的发展过程（沉积→成岩）,系统地研究在藻类转变为各种有机质、有机流体的演化过程中,其中的成矿元素金的分布是如何动态地变化的。这种系统的动态研究符合实际的成岩成矿过程,能够为金的生物成矿作用演化提供依据。     

超分子体系中的分子识别研究Ⅲ——环糊精双核铜配合物对芳香氨基酸的手性识别

分子受体(主体)选择性键合底物(客体)形成超分子种类的研究在化学和生物化学等领域是当今一个研究热点.天然和化学修饰环糊精具有相当的刚性和良好的疏水空腔,可以作为分子受体识别各种有机和无机以及生物分子形成主-客体或超分子配合物,而且可以作为一种优良的酶底物相互作用的模型被应用于科学和技术的几个领域.我们近来对天然环糊精和各种环糊精衍生物与萘衍生物分子识别的热力学性质研究,有助于我们加深理解受体-底物之间的几种弱相互作用力,包括范德华力、氢键和疏水相互作用力,得到了有意义的结果.在目前的研究中,我们报道环糊精双核铜配合物对芳香氨基酸的分子手性识别.这样的一种     

NaCl盐的结晶形态及在莫高窟壁画疱疹病害中的作用

盐溶解、结晶作用造成的疱疹病害是引起敦煌莫高窟壁画颜料脱落的重要原因。对导致盐害的主要成分及其存在形态和作用机理进行了深入研究。微观上可溶盐(NaCl、Na₂SO₄、CaCl₂)和微溶盐(CaSO₄)结晶以小晶粒或者包裹一些非晶体物质团聚态的形态赋存在壁画孔隙中,盐结晶的聚集体一般呈立方体或近立方体状。病害的形成是由于可溶盐和微溶盐之间的溶解-结晶相互作用。Na₂SO₄结晶或水合物收缩孔隙,降低了NaCl结晶对孔隙的局限压。     

喀斯特地表水生生态系统生物碳泵的碳汇和水环境改善效应

碳汇研究是全球碳循环研究的重要内容.近年来,陆地水生生态系统的碳汇日益受到重视,被认为是"遗失碳汇"的重要组成部分.最新研究发现,碳酸盐风化碳汇占岩石风化碳汇的94%,因此,喀斯特地表水生生态系统的碳汇显得尤为重要.生物碳泵效应作为一种稳碳和固碳过程,是形成长期稳定碳酸盐风化碳汇的重要机制,是碳循环的重要环节.生物碳泵效应的核心控制元素是碳元素,该效应在富含溶解无机碳(DIC)的喀斯特地表水生生态系统中发挥着重要作用.目前生物碳泵效应的研究主要集中在两个方面:(1)内外源有机碳的区分是准确评价和计算生物碳泵效应碳汇的关键;(2)发现生物碳泵效应影响水环境指标和水质状况.未来,一方面应精确地对陆地水生生态系统碳汇量进行估算,研究不同气候和土地利用对碳汇量的影响;另一方面,揭示生物碳泵效应与水环境的相互作用机制.重点包括以下4个方面:(1)验证地表水生生态系统"元素比值控制假说";(2)生物碳泵效应对水体元素化学计量比的调控潜力;(3)形成不同碳汇机制(生物碳泵效应和富营养化机制)的根本原因;(4)生物碳泵效应通过物理-化学-生物耦合作用改善水环境的可能机制.最后,探究微生物碳泵效应应用于陆地水生生态系统的可能性.     

纯有机室温磷光体系的构筑及应用

磷光发射是分子激发态的特征之一.由于有机分子的三重态具有较长的寿命,允许激子长距离迁移,因此在光伏器件、光催化反应、显示与照明体系、分子传感和生物成像等光电领域具有广泛的应用前景.但由于有机化合物的磷光通常需要苛刻的条件(低温、无氧),这一领域的发展一直比较缓慢.近年来,科学家开始探索各种促进有机分子室温磷光的手段.从分子设计上,引入芳香羰基、重原子效应、氘代等促进三重态的产生;从材料设计上,利用主体分子和客体分子之间的作用,刚性的固相结晶结构,聚合物等来稳定有机分子的三重态,减少非辐射失活途径.很多研究中都是利用多种手段相结合的方法,最终获得长寿命、高量子产率的磷光材料.本文从长寿命磷光材料的构筑手段上进行分类,综述了近5年来室温磷光材料的最新研究进展及应用,并对今后的发展方向进行了展望.     

铝硅酸盐无机聚合物转化法制备先进陶瓷材料研究进展

铝硅酸盐无机聚合物及其转化制备的陶瓷材料具有节能环保、制备温度低、耐热性能良好、热学性能可调控的优点,因此在航空航天、原子能、生物以及化工等领域具有广阔的应用前景.此外,随温度升高,铝硅酸盐无机聚合物会转变为辉石或榴石陶瓷,具有可调控的力学和热学性能;铝硅酸盐无机聚合物的低温成型特性也使得增强的种类选择非常广泛,并且可以很方便地引入.因此铝硅酸盐无机聚合物技术为低成本成型制备高性能陶瓷和陶瓷基复合材料提供了一种新工艺.本文综述了铝硅酸盐无机聚合物热演变、结晶动力学、显微组织结构演变、性能演化等方面的主要研究进展,并阐述了碳纤维强韧铝硅酸盐无机聚合物复合材料的陶瓷化过程和性能演化研究,指出了今后的发展方向.     

高含硫天然气输送管道内硫沉积研究进展

高含硫天然气在管道输送过程中,随着压力、温度和气质组分等条件的变化,气相中发生过饱和溶解析出的硫分子会逐渐形核、生长成为固体硫颗粒随气流一起在管道内运移,并会沉积在管道内壁.管内沉积的硫颗粒将会堵塞和腐蚀管道,严重威胁高含硫天然气管道的输送安全.本文针对高含硫天然气输送管道内硫沉积问题,综述了近年来高含硫天然气中元素硫气固相平衡计算、硫颗粒生长动力学、含硫颗粒的气固两相管道输送方面的研究进展.指出在高含硫天然气集输过程中硫沉积预测及防治方面应坚持实验与理论相结合的研究手段,着重开展以下3个方面的研究:(1)充分考虑集输压力、温度条件下(P≤15.0 MPa,T≤333.15 K)硫溶解度极低的特点,建立硫溶解度测试实验装置,开展集输管道压力、温度范围内的硫溶解度实验研究;(2)采用微观分子动力学模拟与宏观热力学参数统计分析相结合的方法,建立硫颗粒的生长动力学模型,结合结晶动力学理论模型深刻揭示集输条件下硫颗粒的形核、生长与消融动力学规律;(3)综合考虑硫颗粒的生长、消融、运移、沉降规律与管道内压力、温度、气质组分、流速等参数的耦合作用,建立伴随元素硫气固相态变化和硫颗粒生长、消融的气固两相管输模型,定量描述高含硫集输条件下硫颗粒的析出、生长及其与高含硫天然气的气固两相流动规律,最终为集输管道乃至整个集输系统内硫沉积防治方法的确立提供技术与理论支撑.     

接枝高分子对纳米-生物界面黏附性能的调控

接枝高分子调控纳米-生物界面的黏附行为在生物医学领域具有广泛应用,相关研究也具有重要的理论意义,从而获得了持续的关注.本文对接枝高分子调控纳米-生物界面的黏附行为所涉及的物理化学机制进行了梳理.通过在纳米药物表面接枝聚合物,可以抑制生物小分子的随机吸附,从而减少蛋白冠厚度,减轻免疫反应,延长药物的体内循环时间.此外,聚合物接枝还能改变药物载体的表面结构性能,从而提高其在生理组织中的输运效率.本文涉及的机理分为两大类:界面物理和界面化学.前者主要关注微观结构和形态,可以通过接枝密度、接枝长度、链拓扑等进行调节.本文着重介绍了与接枝聚合物的高熵特性密切相关的两种物理机制:熵弹空间位阻和链段动力学.后一类机理通过特殊的化学基团实现,特别是官能团的亲疏水性.通过在接枝链上加入适当的化学基团修饰,可以获得更好的稳定性和更强的生物分子吸附抑制.此外,通过化学基团对温度、光照、pH的依赖性,可以对接枝聚合物涂层的生物黏附性能进行动态调节,实现对外部刺激响应智能化.本文有望为该领域未来的基础理论研究和先进材料开发提供参考.     

地质微生物功能群: 生命与环境相互作用的重要突破口

微生物类型丰富、数量巨大, 是联系其他生物和环境的重要纽带. 但由于在地质体中保存下来的细菌和古菌缺乏形态和结构的多样性, 不能像动植物那样可以从形态上开展属种水平的研究, 这个难点问题一直影响着地质微生物的研究. 地质微生物功能群因在生理学、生态学和生物地球化学等方面的功能明确, 并能在地质体中留下各种记录而将成为瓶颈突破的关键点, 它是当前古生物学向地球生物学发展的一个重点研究内容. 本文评述了与碳、硫、氮和铁等重要元素代谢和循环有关的地质微生物功能群的特点、起源及其在地质体中的识别标志,分析了这些微生物功能群在参与形成地质历史时期的异常气候、硫化海洋、低浓度硫酸盐海洋、地质营养条件以及前寒武纪条带状铁建造等方面的重要作用.     

γ-辐照含水苯乙烯CN~-型阴离子交换树脂氰离子转化为生物有机分子的研究

氰化氢是由原始大气反应形成的一种产物,研究表明,氰化氢可能是原始地球上形成生命物质分子的一个重要中间产物。氰化物稀水溶液的辐射化学已研究较多,其辐解产物中有甘氨酸、丙氨酸和尿素等,但是在通常条件下,无论是形成产物的产额还是氨基酸的种类都比较少,因此必须进一步寻求原始地球上可能发生的古生物化学过程的最佳条件。设想在原始地球上可能存在一些天然的无机离子交换剂或吸附剂,正如现代化学所揭示的那样,它们一方     

新型聚苯胺团簇的飞秒非线性吸收

发展新型的光子开关在光计算和光通讯领域里具有重要的意义.团簇——作为空间尺度,是零点几到几十纳米的原子或分子的微观和亚微观聚集体显示出与通常固体材料不同的电子和光学性质.目前,无机纳米材料大的三阶非线性光学效应已引起了国内外的重视,深入的研究可望将团簇开发成一类具有特殊性能的非线性光学材料.本文报道一种嵌埋于有机玻璃(PMMA)中的聚苯胺(PAn)团簇的飞秒非线性光学特性.采用飞秒瞬态吸收激光光谱技术分别测量了近共振和非共振条件下的PAn团簇的光激发和弛豫过程,测量结果显示出PAn团簇的量子尺寸效应导致了其具有比纯聚苯胺固体薄膜更快的光学响应过程.