α-谷氨酸的手性薄膜穩(wěn)定性理論和實(shí)驗(yàn)研究

1、-谷氨酸的手性薄膜穩(wěn)定性理論和實(shí)驗(yàn)研究摘要自組裝單層和多層膜（自組裝膜）被用于控制不同晶系的多晶型性質(zhì)。在以前的研究中，我們報(bào)道了a-L谷氨酸自組裝多層膜在苯丙氨酸衍生物的中的穩(wěn)定性。為了了解在苯丙氨酸以穩(wěn)定的亞穩(wěn)形式存在的傾斜性，我們對(duì)三種環(huán)境AL-谷氨酸結(jié)晶進(jìn)行了理論計(jì)算（分子動(dòng)力學(xué)）比較：正常生長(zhǎng)（氣相），苯丙氨酸和半胱氨酸添加劑。這些能量計(jì)算，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（XRD和SEM）表明，（011）和（200）在Al-谷氨酸穩(wěn)定中是至關(guān)重要的，并且在防止其轉(zhuǎn)變?yōu)榈男问椒€(wěn)定性中必不可少。從部分氨基酸構(gòu)成薄膜亞穩(wěn)態(tài)多晶型物的結(jié)晶化可以適用于其它多晶系統(tǒng)，如甘氨酸。此外，在這項(xiàng)工作中使用SAM的可能性

2、表面穩(wěn)定熱力學(xué)亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)證明，以及化學(xué)和物理屬性，以多晶型的控制的理解，是素?cái)?shù)的重視基礎(chǔ)科學(xué)和可能在世界工業(yè)進(jìn)一步影響。引言多形態(tài)是固體化學(xué)化合物存在于一個(gè)以上的結(jié)晶形式的一種情形。不同晶型物理性質(zhì)有所不同，盡管有時(shí)候他們的氣態(tài)和固態(tài)化學(xué)性質(zhì)相同。熱力學(xué)定律認(rèn)為，在給定的溫度和壓力只有一種形式是穩(wěn)定的。另一方面，動(dòng)力學(xué)有時(shí)允許許多共存的階段中，由于從所述的轉(zhuǎn)化亞穩(wěn)定的熱力學(xué)穩(wěn)定相是通過(guò)能量勢(shì)壘障礙，在這種情況下，溫度過(guò)高而不能通過(guò)，因此，熱力學(xué)上有利的過(guò)渡形態(tài)是被禁止的，亞穩(wěn)形式將持續(xù)下去。固態(tài)化學(xué)，材料科學(xué)，藥理學(xué)和其它應(yīng)用等對(duì)控制多態(tài)性是在領(lǐng)域有極大的興趣。在過(guò)去的十年里許多方法被開(kāi)發(fā)和應(yīng)

3、用于控制晶體多晶型物，例如結(jié)晶的控制參數(shù)，溫度，溶劑，利用量身定做的添加劑，和表面活性劑。自組裝膜（SAMs）被用作粘結(jié)劑，以控制晶體形態(tài)和取向。這是通過(guò)將幾個(gè)原則，如做幾何匹配和力相互作用，如范德華力和氫鍵，作為分子設(shè)計(jì)的表面控制水晶多態(tài)性的SAMs最近被研究表明效果明顯，例如，Swift和同事使用SAM為控制1,3-雙生長(zhǎng)（對(duì)硝基苯基）脲多晶型谷氨酸有兩個(gè)已知的多晶型，亞穩(wěn)一個(gè)形式的型，以及穩(wěn)定的型。之前，我們報(bào)道的-L-谷氨酸在組裝多層苯基丙氨酸衍生物的自我穩(wěn)定性。在根據(jù)這些結(jié)果，我們結(jié)合了理論和實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了是物理和化學(xué)方面一些因素影響的自組裝多層亞穩(wěn)AL谷氨酸穩(wěn)定性，而不是其他因素

4、。幾個(gè)課題組研究了谷氨酸多態(tài)性。Hodnett和合作者研究的溶液介導(dǎo)轉(zhuǎn)型的谷氨酸晶型，其結(jié)果表明，穩(wěn)定的-形式出現(xiàn)從通過(guò)動(dòng)力學(xué)過(guò)程從亞穩(wěn)態(tài)一個(gè)晶體轉(zhuǎn)化而來(lái)，Kitamura研究表明，轉(zhuǎn)化為一個(gè)-多晶型化合物包括四個(gè)動(dòng)能步驟。在他們的實(shí)驗(yàn)中，結(jié)果表明，一個(gè)多晶型物在45迅速轉(zhuǎn)換形式，但在約15中，轉(zhuǎn)換過(guò)程非常緩慢，而且?guī)缀醪淮嬖诘模瑥亩挂粋€(gè)-多晶型物是專(zhuān)門(mén)獲得。用于控制和穩(wěn)定L-谷氨酸其它方法涉及使用量身定做添加劑和結(jié)晶中的存在表面活性劑。這些方法是基于再結(jié)晶過(guò)程中的一個(gè)穩(wěn)定形式，防止和抑制向熱力學(xué)穩(wěn)定的-形式的一種形式。2.實(shí)驗(yàn)部分購(gòu)買(mǎi)自Sigma-Aldrich的分析純?cè)噭?9.9）并且

5、不經(jīng)進(jìn)一步純化即可使用。L-2-氨基-N - - 2-（2-氨基-3-苯基 - 丙?；被?- 甲基磺酰基 - 乙基 -3-苯基- 丙酰胺打成左旋AAPP（圖1）的通過(guò)公知的耦合反應(yīng)合成。為SAM編制工作制備的基材薄金（1 1 1）薄膜真空沉積到載玻片，用鉻（50A）緩沖層，用X射線衍射進(jìn)行表征。然后，金基體浸入一種L-APP的乙醇溶液（2毫米）24小時(shí)，或者在水L-半胱氨酸（10毫米）2小時(shí)，. SAMs用一系列的方法表征，如紅外光譜，光電子能譜，原子力顯微鏡等。所有上述測(cè)量的結(jié)果，證明了形成多層谷氨酸的典型厚度5-10分子層，SAM基片保持在氮?dú)庀逻M(jìn)行結(jié)晶實(shí)驗(yàn)。自 Riedel-de H

6、aen 購(gòu)得的L-谷氨酸（99.9純度）使用時(shí)無(wú)需進(jìn)一步純化結(jié)晶。L-谷氨酸的飽和溶液（0.045克/ ml）的在80制備自發(fā)冷卻至室溫。將自組裝膜基片放置在配制好的溶液中結(jié)晶，靠在小瓶的一側(cè)并放置結(jié)晶2-4小時(shí)。相比較而言，我們?cè)诮鸹鍙墓劝彼岬娘柡腿芤旱玫浇Y(jié)晶, 純晶體通過(guò)酸性沉淀谷氨酸制備，PX-線用Bruker AXS D8衍射儀（采用Cu嘉升1.5418A輻射）進(jìn)行衍射，運(yùn)行在40千伏/ 40毫安條件下，用石墨反射光束單色器和可變發(fā)散狹縫, 掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，是在20千伏的加速電壓下從JEOL840儀器獲得的。旋光和電感耦合等離子體（ICP）結(jié)晶化溶液的測(cè)定在完成為了在驗(yàn)

7、證SAM的化學(xué)結(jié)晶的穩(wěn)定性。測(cè)定用的旋光測(cè)量參考溶液JASCO數(shù)字旋光儀（型號(hào)P1010升589nm70.051精度）在室溫溫度下，圓柱形石英池（10毫升，L100毫米）。德國(guó)克萊沃用分光光度計(jì)感應(yīng)耦合等離子等不同的測(cè)量方案共進(jìn)行了一系列測(cè)量. L-APP的化學(xué)結(jié)構(gòu)3.建模部分 3.1基礎(chǔ)知識(shí)為了準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)添加劑對(duì)效果晶體形態(tài)，使用MS公司軟件Accelrys 對(duì)分子力學(xué)和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了建模計(jì)算. 整體在添加劑的存在預(yù)測(cè)晶體形態(tài)的整體過(guò)程總結(jié)如下:獲得結(jié)晶數(shù)據(jù)優(yōu)化單元和計(jì)算晶格能運(yùn)行BFDH和附著物的能源形態(tài)切割面的形態(tài)重要性主添加劑晶面運(yùn)行退火動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)合能修改附著物能量并獲得晶體形態(tài) 晶體

8、結(jié)構(gòu)的-L-谷氨酸，L-半胱氨酸和L-苯丙氨酸從劍橋晶體數(shù)據(jù)庫(kù)所獲得（參見(jiàn)代碼分別是LGLU AC03，LCYSTN04和PHALNC01）。為了計(jì)算的晶格能（原子核和核外電子能量之和）。如果中央分子和周?chē)拿總€(gè)分子n個(gè)原子其中，Vkij是原子在中央之間的相互作用分子i和原子的J周?chē)牡趉個(gè)分子。該晶體能量由靜電，范德華力和氫鍵，和正在建使用合適的潛在功能（力場(chǎng)）表現(xiàn)。在這項(xiàng)測(cè)試中，所有的模擬使用DREIDING2.21力場(chǎng)，范德華力與倫納德- 瓊斯12-6的效果近似，氫鍵能量與12-10倫納德- 瓊斯一樣的效果。埃瓦爾德總結(jié)的方法應(yīng)用于遠(yuǎn)距離搬運(yùn)，范德華和靜電相互作用。 用Gasteiger

9、方法計(jì)算部分費(fèi)用。我們?cè)u(píng)估了由所計(jì)算的比較所選擇的力場(chǎng)晶格能與實(shí)驗(yàn)晶格能的可靠性，Vexp，定義式為其Hsub是實(shí)驗(yàn)測(cè)定的升華焓，2RT提供的校正因子表示氣相焓之間的差，并在晶體晶格的振動(dòng)貢獻(xiàn)焓。3.2晶體形態(tài)預(yù)測(cè)計(jì)算晶體形態(tài)，我們使用了附件能量模型。在第一步驟中，我們計(jì)算附件能量（瓦特）為每個(gè)晶體面。瓦被定義為添加的增長(zhǎng)時(shí)，釋放的能量厚度Dhkl的切片，以生長(zhǎng)晶體的表面并且由下式給出其中，埃拉特的晶格能和ESL是片能量。相對(duì)生長(zhǎng)速度為每面取為成正比瓦特，并且因此更負(fù)的附件能源為特定面，不太突出那是晶體。相反，面向具有最低附件能源是增長(zhǎng)最慢的面，因此有最重要性的形態(tài)學(xué)。此外，為了驗(yàn)證晶體的計(jì)算

10、附件能量模型形態(tài)的精確度，我們也使用布拉維弗里德?tīng)朌ONNAY哈克（BFDH）模型進(jìn)行簡(jiǎn)單的晶體形態(tài)預(yù)測(cè)，這兩種模型給了相同的晶形態(tài)。3.3計(jì)算晶面添加劑結(jié)合能根據(jù)附著能量的預(yù)測(cè)，該晶面具有最高形態(tài)是選擇用于結(jié)合的計(jì)算的重要條件。這樣做的過(guò)程模擬是基于表面對(duì)接的方法，在該晶面切割下，并延伸到一個(gè)尺寸考慮到與所有可能的綁定添加劑。下一步驟是對(duì)接添加劑分子中表面的中部，并運(yùn)行與退火動(dòng)力學(xué)每個(gè)動(dòng)力學(xué)周期之后一個(gè)優(yōu)化步驟（表面是固定的，只有添加劑分子被允許移動(dòng)）。對(duì)于每一個(gè)表面上，結(jié)合能，EB，由定義其中Es為整個(gè)系統(tǒng)能量最小和Ead是單一添加劑分子的能量。結(jié)合能量（BE）的計(jì)算為添加劑和主機(jī)分子，以

11、限定改性附件能源:其中Eaat是以純水晶的形式在一定面的附著能量，b是綁定的區(qū)別添加劑和主體分子，分別能，和Eb是主要結(jié)合能。如遇有b大于0（與主要分子相互作用），修改后的AE將更大，結(jié)晶面會(huì)成長(zhǎng)得更快，因此結(jié)晶面至關(guān)重要，反之亦然。4.結(jié)果與討論4.1結(jié)晶和表征我們?cè)趦蓚€(gè)不同的SAM的表面和在溶液中進(jìn)行谷氨酸結(jié)晶實(shí)驗(yàn)酸上的。調(diào)查苯丙氨酸關(guān)于多晶型地對(duì)空基片的影響，我們采用X射線衍射。圖。圖2A顯示的L-谷氨酸的X射線衍射在溶液中結(jié)晶。 X射線衍射對(duì)應(yīng)作為文獻(xiàn)中報(bào)道了-l-谷氨酸，從X射線衍射顯而易見(jiàn)，在這些條件下沒(méi)有獲得-晶體，這意味著即有核一晶體完全轉(zhuǎn)化為型。圖2B中X射線衍射顯示L-谷氨

12、酸的結(jié)晶苯丙氨酸地對(duì)空基片的影響。在X射線衍射測(cè)量直接在基片表面進(jìn)行，以確定的優(yōu)選取向谷氨酸的地對(duì)空基片SAM的影響。在X射線的這些結(jié)果在衍射展示高強(qiáng)度反射峰2Y18.31應(yīng)于（111）面，在一個(gè)形式的L-谷氨酸和2Y 37.01對(duì)應(yīng)于一個(gè)形式的（222）面。此外，在2Y兩個(gè)小峰10.21 和2Y20.41觀察和歸屬于（0 2 0）和形式的L-谷氨酸的（0 4 0）面，相應(yīng)地。對(duì)應(yīng)于一個(gè)形式的L-谷氨酸，其他的X射線衍射峰。 2Y23.61，26.71觀察;然而，它們的強(qiáng)度是比較低的，由于晶體取向沿一個(gè)形式的表面上的/ 111S晶體方向。從X射線衍射的結(jié)果，顯而易見(jiàn)的是，L-谷氨酸結(jié)晶的SAM

13、大多面作為-多晶型物具有優(yōu)先晶體生長(zhǎng)的（111）晶面。匹配的形式的晶體結(jié)構(gòu)在2Y10.21和20.41的衍射峰也注意到，但在非常低的強(qiáng)度指示的極少量的形式的存在，可能是由于存在于-的生長(zhǎng)形成由我們的表面不均勻造成所看到的AFM測(cè)量裸金點(diǎn)。圖2L-谷氨酸晶體的X射線衍射：（A）中從溶液中（僅）中結(jié)晶，（B）的結(jié)晶LAPP的表面上的自組裝多層膜（主要是），（C）的結(jié)晶在Au（1 1 1）（僅），（D）的一個(gè)純形式（從單谷氨酸鈉沉淀的）（0 1 1）和（20 0）被看見(jiàn)，在純粹的一個(gè)形式。圖3L-谷氨酸晶體的X射線衍射：（A）中從溶液中（僅）和（B）的結(jié)晶結(jié)晶的L-半胱氨酸表面（僅）相反地，在半胱氨

14、酸上生長(zhǎng)時(shí)的SAM，只-L谷氨酸觀察，類(lèi)似于晶體從溶液生長(zhǎng)所看到的X射線衍射結(jié)果（圖3）。這將確認(rèn)完全到轉(zhuǎn)型在半胱氨酸表面。作為對(duì)比，結(jié)晶實(shí)驗(yàn)也在裸金表面進(jìn)行。X射線衍射生長(zhǎng)到裸金表面的結(jié)晶，如圖 2C，暴露的衍射圖案匹配的形式的L-谷氨酸，與在/002S優(yōu)選取向一致。在SAM的表面形成的L-谷氨酸-和-多晶型物也可以由掃描研究電子顯微鏡（SEM）研究，因?yàn)槎嗑臀锞哂胁煌木w形狀。圖4顯示的SEM圖像是溶液中自組裝膜生長(zhǎng)的晶體。生長(zhǎng)在苯丙氨酸SAM表面上的結(jié)晶顯然典型的型，而半胱氨酸表面上晶體結(jié)晶，并在基片上得到型。此外，我們想要驗(yàn)證該結(jié)晶發(fā)生在手性自組裝膜本身，而不是由于手性單層至溶液的

15、溶解，類(lèi)似添加劑的效果。手性表面的穩(wěn)定性的混合物即在純水中48小時(shí)的L-谷氨酸結(jié)晶在相同的溫度和pH值，作為檢測(cè)由不同的手性膜的浸漬。該溶液的旋光性進(jìn)行了評(píng)估以旋光性的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)為幾乎為零，表示手性的化學(xué)穩(wěn)定性持續(xù)在結(jié)晶過(guò)程。此外，我們進(jìn)行了ICP測(cè)量，以確定微量硫在解決方案可能導(dǎo)致由于手性的溶解。該解決方案的ICP的結(jié)果證實(shí)了手性表面的穩(wěn)定性。最后，為了排除半胱氨酸或L- APP的溶解到含水結(jié)晶的穩(wěn)定期間L-谷氨酸溶液的手性膜還測(cè)量在0.3M（0.045克/ ml）的溶液的L-谷氨酸。的的ICP測(cè)量解決方案沒(méi)有透露硫的任何可測(cè)量的痕跡。我們關(guān)于結(jié)晶L-谷氨酸時(shí)可以得出這樣的結(jié)論苯丙氨酸地對(duì)空

16、導(dǎo)彈多態(tài)的選擇性來(lái)從自組裝膜中，由于改性苯丙氨酸分子不存在于溶液中。以往的研究中，用不同的添加劑表明該（0 1 1）面的一個(gè)形式是次要臨界成核條件，并容易轉(zhuǎn)化到形式。相似，由于在苯丙氨酸表面改變晶體生長(zhǎng)引起我們觀察到的（0 1 1）面的一個(gè)形式不存在（圖2B和D比較），因此，成核并變換為形式被抑制。在另一面，關(guān)于半胱氨酸的SAM得到的型而沒(méi)有其它，這表明的（0 1 1）的存在下的形式的晶體完整過(guò)渡成穩(wěn)定的-形式。為了建立預(yù)測(cè)晶體在生長(zhǎng)中的形態(tài)學(xué)變化假設(shè)，我們對(duì)在半胱氨酸和苯丙氨酸添加劑中的-L-谷氨酸進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算，并和它在常規(guī)未添加物質(zhì)的環(huán)境中的晶體生長(zhǎng)進(jìn)行比較。我們的這些計(jì)算的主要假設(shè)

17、是，添加劑附著到晶面表面上的，與在SAM晶體上的生長(zhǎng)非常相似，添加劑完全相同，例如苯丙氨酸和半胱氨酸;因此，我們使用的添加劑，而不是在實(shí)際的SAM表面進(jìn)行計(jì)算。5.形態(tài)預(yù)測(cè)表1表示了變化的晶體形態(tài)由添加劑決定，示出了結(jié)合能不同,對(duì)每種的形態(tài)而言b都非常重要。 b大于零是與主要分子于具有較大的結(jié)合能，長(zhǎng)得快，因此被形態(tài)不那么重要。 b小于零是分子較容易與添加劑結(jié)合，它們的增長(zhǎng)是由添加劑抑制，因此結(jié)合能較大。通過(guò)計(jì)算b修改附著物的鍵能，得到的數(shù)據(jù)如表2所示。當(dāng)?shù)玫絙大于零時(shí)，改性的AE較大，并且修改后的小面小，反之亦然。最后，每種情況下的晶體形態(tài)確立假定的相對(duì)生長(zhǎng)率，不同的表面是正比于它的附著能量

18、（AE）。表3顯示了的總面積小面的每個(gè)面。與L-苯丙氨酸添加劑，我們可以看到，在（0 1 1）和（2 0 0）小面具有最大的AE和b，和已經(jīng)消失的晶形-L-谷氨酸，由于其快速和不斷增長(zhǎng)。上另一方面，在苯丙氨酸添加劑（1 1 1）和（1 1 1）面有較大的BE到，因此，這些生長(zhǎng)在-L-谷氨酸方向生長(zhǎng)較慢，并且是最為重要的形態(tài)。以類(lèi)似的方式，通過(guò)苯丙氨酸的基片上-L-谷氨酸的實(shí)驗(yàn)結(jié)果生長(zhǎng)，我們可以看到優(yōu)先生長(zhǎng)在/ 1 11S的方向，并且缺少（0 1 1）和（2 0 0）面。類(lèi)似的計(jì)算具有-L-半胱氨酸添加劑顯示相似但較小用做（1 1 1）的變化，（1 1 1）和（0 1 1）面，而（2 0 0）面具有較大的BE的添加劑，其抑制該生長(zhǎng)方向，因而該面作用較大，并且也可能會(huì)導(dǎo)致向變換。 6.結(jié)論從這些結(jié)果，我們可以推斷，在-晶型物的L-谷氨酸成-多晶型物中，（0 1 1）或（20 0）面是非常重要的，因?yàn)樵诙鄳B(tài)過(guò)渡面具有較小的激活能。我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明結(jié)晶的L-苯丙氨酸沒(méi)有促進(jìn)形式的轉(zhuǎn)化，并且形式的生