全 文 ：　第 22卷第 1期 高分子材料科学与工程 Vo l. 22, No. 1
　 2006年 1月 PO LYMER M ATERIALS SCIENCE AND ENGIN EERING Jan. 2006
不同方式制备长角豆半乳甘露聚糖
样品的原子力显微镜观察
李国有 1 , 杨永利 2 , 陈　勇 1 , 蔡继业 1
( 1.暨南大学生命科学技术学院化学系 , 广东广州 510632; 2.韩山师范学院生物系 ,广东 潮州 521041)
摘要: 通过改变溶液的浓度、云母基底表面的化学修饰和样品在 60℃～ 70℃下烘干等方法制备长角豆
半乳甘露聚糖样品 ,用原子力显微镜可视化不同样品制备条件形成的聚集体和非聚集体长角豆半乳甘
露聚糖结构形貌。 结果发现 ,样品在不同制备条件下得到的聚集体呈现不同的分形结构 ,非聚集体单个
糖分子呈线形并具有短的分枝结构。 实验结果也为其它物种半乳甘露聚糖的应用从聚集体和单分子水
平上提供了重要参考。
关键词: 原子力显微镜 ;长角豆半乳甘露聚糖 ;分形 ;样品制备
中图分类号: O636. 1　　　文献标识码: A　　　文章编号: 1000-7555( 2006) 01-0199-04
　　长角豆半乳甘露聚糖 ( LBG)是从长角豆种
子中分离提取的一种植物多糖 ,其结构是由 D-
甘露糖通过 β-1, 4甙键连接形成主链 ,在某些
甘露糖残基上 D-半乳糖通过α-1, 6甙键形成侧
链而构成的多分枝聚糖。半乳甘露聚糖胶具有
较好的水溶性和交联性 ,在低浓度下能形成高
黏度的稳定性水溶液 [1 ] ,所以被作为增稠剂、稳
定剂、粘合剂而广泛应用于各种行业 [2 ]。
大多数多糖在常温下不易溶于水 ,溶液中
分子呈聚集状态 ,且分子表面电荷与云母基底
同为负电荷更易造成分子的聚集。为了能用原
子力显微镜 ( AFM )得到 LBG的单分子形貌 ,
针对多糖的理化性质 ,本文采取了多种方式来
制备样品 ,结果发现 ,用不同的样品制备方式可
获得 LBG不同的聚集体形貌和非聚集体形貌 ,
并从分子的结构和单分子形貌方面予以解释。
1　实验部分
1. 1　材料与仪器
长角豆半乳甘露聚糖:韩山师范学院生物
系提供 ;其它试剂:皆为分析纯 ;二次蒸馏水。
恒温干燥箱。电子天平。磁力加热搅拌器。
原子力显微镜:利用 Autoprobe CP Research型
原子力显微镜 (美国 T HERMO仪器公司产
品 ) ,测试条件为室温 ,空气湿度 60% , 100μm
扫描器 ,硅探针 ,采用接触模式在空气中成像 ,
所有图像均采用 fla tten auto处理 ,以消除慢扫
描方向上的低频噪音 ;运用分形处理软件 Fips2
和图像软件 ACDSee对 LBG多糖分子具有分
形结构的 AFM图像进行多重维数分析 [3 ] ,此处
理软件原理基于 Paul[4 ]利用计算机模拟计算
“有限扩散凝聚”的分形图像维数而设计。
1. 2　样品制备
取一定量 LBG溶于 90℃热水 ,经恒温磁力
搅拌 1 h配成浓度为 0. 1 mg /mL的 LBG溶液 ,
并用 90℃热水稀释成如下几种浓度: 25μg /
mL、 15μg /m L、 10μg /mL、 5μg /mL和 2μg /
mL,用新剥离的云母片分三种情况制备样品:
( 1)将热溶液 ( 10μL,下同 )直接滴到云母表面 ,
空气中风干后用 AFM成像 ; ( 2)将云母片放在
60℃～ 70℃干燥箱中 10 min以上 ,再将 LBG
溶液滴到云母表面并在此温度下烘干样品 ; ( 3)
收稿日期: 2005-07-01;修订日期: 2005-09-16
　基金项目:国家自然科学基金资助项目 (重点项目 30230350; 面上项目 60278014) ,暨南大学自然科学基金项目
　联系人简介:蔡继业 ( 1944- ) ,男 ,博士生导师 ,教授 ,研究方向:扫描探针显微学 , E-mai l: t jycai@ jnu. ed u. cn
取 5μL浓度为 2 mmol /L的 NiCl2溶液滴到云
母表面 ,保持 2 min后水洗 ,干燥 ,然后同 ( 2)的
方法制备样品。
2　结果与讨论
2. 1　实验结果
将上述三种制样方式得到的样品用 AFM
成像 ,得到了不同多糖分子聚集体的形貌 ,且获
得了 LBG单分子图像。实验结果表明 ,溶液的
浓度、样品的干燥条件以及基底的化学处理对
多糖分子的流变学行为有很大的影响。
2. 1. 1　云母表面形成的凝胶膜、网和颗粒状形
貌: 第一种方式采用三种浓度 ( 25μg /mL、 15
μg /mL和 10μg /m L) LBG溶液制备样品 , 在
空气中进行 AFM成像。 由 Fig. 1可以看出 ,随
着溶液浓度的降低 ,云母片表面 LBG形貌由膜
状变成凝胶网状 ,再变成颗粒状 ,表明溶液有较
大的粘性并且室温下分子呈聚集状态。
Fig. 1　 AFM images of LBG by the f irst sample preparing method
A: concent ration: 20μg /m L, scan size: 2μm; B: concen t ration: 10μg /mL,
scan si ze: 10μm; C: concen t ration: 6μg /m L, s can size: 10μm.
Fig. 2　 The images of LBG by the second sample preparing method, observed by AFM
A: concent rat ion: 15μg /m L, s can si ze: 40μm; B: concen t ration: 10μg /
m L, scan si ze: 80μm; C: concen t ration: 6μg /m L, s can si ze: 6μm.
2. 1. 2　不同浓度溶液形成的不同形状的分形
结构:由以上实验结果看 ,高浓度多糖溶液会在
云母表面形成薄膜 ,所以采用浓度为 15μg /
m L、 10μg /mL和 5μg /mL的 LBG溶液以第二
种制样方式来制备样品并用 AFM成像 , Fig. 2
为其扫描结果 ,可以看出 ,三种样品在云母表面
形成了不同的分形结构。 通过分形处理软件
Fips2计算出三种浓度的 AFM图像的分形维
数基本一致 ,都在 1. 96左右。
2. 1. 3　单分子形貌:以上的实验结果表明 ,获
得单分子图像的溶液浓度仍旧较大 ,为此用第
三种制样方式并改用浓度为 5μg /mL和 2μg /
mL的 LBG溶液制样。由 Fig3-B可以看出 ,云
母片表面被 Ni2+处理后 ,分子的聚集明显降低 ,
在低浓度时得到了单个分子的形貌图。 由于多
糖的黏度较大 ,在空气中样品的表面会形成一
层水膜 ,造成对针尖产生较大的吸附力 ,因此在
扫描过程中出现了严重的划痕、分子移动以及
分子划断 [ 5] , Fig3-A就是在扫描过程中针尖将
分子划断后得到的单分子形貌图。
200 高分子材料科学与工程 2006年　
2. 2　讨论
从实验的结果来看 ,样品的制备方式对
LBG多糖溶液的分子状态有很大的影响。对于
第一种样品制备方式 ,在 90℃溶液中 LBG分子
呈伸展状态 ,溶液浓度较大时分子互相缠绕 ,随
着溶液温度的降低 ,溶液中水的蒸发 ,多糖在云
母片表面由膜变成网 ,再变成颗粒状 ,可以推
测 ,当溶液的浓度小于 10μg /mL时 ,随着溶液
浓度的降低 ,多糖在云母片表面形成的颗粒密
度也随着降低 ,颗粒的粒径也会随之减小。
对于第二种样品制备方式 ,由 Fig. 2的分
形结构可以看出 , A与 B、 C以不同的生长方式
形成 ,小范围的扫描证实分形结构都是由很小
的颗粒组成 , A形貌为“树枝状” ,每一个“树枝”
基本上有一个主干 ,在主干上长出许多小枝 ,主
干生长到一定程度停止生长 ,其中一个分枝成
为主干 ,并以类似的情况延续生长 ; B和 C都形
成大小不同的“星”状 ,每个“星”都有一个中心 ,
分枝从中心发出 , B中 “星”的直径最大为 60
μm,最小为 12μm, C中“星”的直径最大为 1. 5
μm,最小为 0. 5μm。三种分形结构形成的机理
符合“有限扩散凝聚” ( DLA)模型 [6 ] ,本实验中 ,
由于多糖分子和云母片表面电荷同为负电荷 ,
排斥作用使多糖分子不容易吸附在基底表面 ,
随着溶剂的蒸发 ,多糖分子形成小的颗粒 ,按照
最低能量规则 ,溶液浓度不同 ,小颗粒排列成形
状不同的分形结构 ,而且这些分形结构的维数
基本相同 ,都在 1. 96左右。
对于第三种样品制备方式 ,云母表面化学
处理对生物样品的制备有很大的影响 [ 7, 8]。云母
表面经 Ni2+ 处理后显正电性 ,多糖分子吸附在
云母表面 ,大大降低了分子的聚集程度。 Fig . 3-
A是多糖单分子图像 ,虽然分子被划断 ,但仍然
可以得到多糖分子的很多信息: 分子呈线性螺
旋状具有短的分枝结构 ;分子的宽度约为 28
nm,分子的高度约为 1 nm ,分子的高度和宽度
因测量位置的不同稍有差异。 宽度测量值与针
尖曲率半径有很大关系 ,实验中所用探针针尖
的曲率半径大约为 15 nm,扫描中产生“增宽效
应” ,使分子的宽度远大于其真实值。
国外研究者利用 AFM成像得知其它多糖
分子的宽度基本为 15 nm～ 40 nm[ 9] ,将分子的
宽度和高度与文献值相比 ,可以确认 Fig. 3-A
是多糖分子的单分子形貌。因分子的高度不受
“增宽效应”的影响 ,高度测量值为分子直径大
小的真实值。由 Fig. 3-B看出 ,分子已经得到很
好的分散 ,比较均匀地分布在基底表面 ,分子呈
现出长链结构 ,由于溶液的浓度较大 ,分子相互
缠绕在一起 ,构成无规则的网状结构。
溶液中分子的存在形式随外界的条件不同
而改变 ,遵循最低能量规则。 LBG在不同方式
的样品制备下 ,得到到了不同的聚集体形貌 ,说
201　第 1期 李国有等:不同方式制备长角豆半乳甘露聚糖样品的原子力显微镜观察
明其溶液随外部条件的改变具有丰富的流变学
行为。 从单分子形貌看 , LBG分子结构中有较
多短的分枝 ,推测此多糖有较多的半乳糖成分。
在半乳甘露聚糖分子结构中半乳糖和甘露糖的
相对比值对溶液的流变学性质有很大的影响 ,
相同条件下半乳糖成分高的溶液黏度相对较
大 ,也是 LBG稀溶液仍有较大黏度的主要原
因。
3　结论
利用原子力显微镜可视化了因条件不同的
长角豆半乳甘露聚糖表现不同的流变学特性在
云母表面形成的不同形貌。 溶液经冷却和水蒸
发后在云母表面形成膜和凝胶网状 ;多糖溶液
在较高的温度下烘干时 ,在云母表面不同浓度
的溶液形成不同形状的分形结构 ,而且分形结
构的维数不以溶液浓度的改变而改变 ;云母表
面经过化学处理 ,多糖分子吸附在云母表面 ,得
到单分子形貌: 分子呈线性螺旋状具有短的分
枝 ,分子直径为 1 nm左右。从单分子形貌推测 ,
实验中所用长角豆半乳甘露聚糖有较多的半乳
糖成分 ,这就是此多糖在较稀溶液中仍有较大
粘性的原因。 实验结果为其它物种半乳甘露聚
糖的应用从聚集体和单分子水平提供了重要参
考。
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IMAGING LOCUST BEAN GALACTOMANNAN
BY ATOMIC FORCE MICROSCOPY
LI Guo-you
1
, YAN G Yong-li
2
, CHEN Yong
1
, CAI Ji-ye
1
(1. Department of Chem istry , J inan University , Guangzhou 510632.China;
2 . Department of Biology , Hanshan Teacher′s College , Chaozhou 521041 , China )
ABSTRACT: In recent years atomic force microscopy ( AFM ) has been a pow erful to ol fo r inter-
preting the rheo logy of po lysaccharides a t the molecular lev el. In present study AFM was used to
cha racterize the locust bean galactomannan in ai r, in o rder to obtain the topog raphy of the
poly saccha ride at di fferent condi tions. Three sample prepa ra tion methods w ere investiga ted,
namely va ried the polysaccha ride concentrations, chemical ly modi fied surface of subst ra te and
drying the sample in higher ambient temperature. The resul ts indicate w hen condi tions of prepa r-
ing samples w ere changed, the rheological performance of the polysaccharide was also changed.
Agg rega ted and non-agg regated micro structures w ere v isualized. The agg regated po lysaccharides
exhibi ted many kinds of f racta l structures. Even the ex tended sing le molecule w as visualized suc-
cessfully in w hich the height or diameter, width of the molecule w ere calculated. All results will
af fo rd very useful info rmation fo r applying the galactomannan in fo od science and other fields.
Keywords: atomic force microscopy; locust bean galactomannan; f ractal; sample preparation
techniques
202 高分子材料科学与工程 2006年