原子力显微镜在胶体颗粒相互作用力测量研究中的应用

胶体颗粒絮凝对水环境、污水处理以及水生态等方面起着重要作用,多种物理、化学和生物过程影响胶体颗粒的絮凝过程,显著改变了其运移和沉积过程以及其吸附物质输移方式,因而胶体颗粒絮凝过程已成为地理、生物、化学、水利、环境等学科共同关注的问题。

胶体颗粒絮凝机理的解释一直沿用胶体稳定性理论即DLVO理论,通过颗粒表面物理化学作用来解释颗粒发生粘结的机制,并认为Van der Waals分子吸引力和颗粒表面静电排斥力的共同作用是使颗粒能够彼此粘结在一起的重要原因。随后,在DLVO理论的基础上提出了扩展的DLVO理论(XDLVO),增加了A-B(acid-base)作用力,可以更精确地描述胶体颗粒的稳定性。胶体化学稳定性理论只是针对平板、球体及圆柱体间相互作用力的描述,并没有考虑不规则形状及附着有机裹层的胶体颗粒间的作用力。

在实际环境中,胶体颗粒表面会附着有机质裹层,有机裹层的存在改变了泥沙颗粒表面电化学性质。因此,胶体颗粒间能量传递受到吸附有机分子间相互作用力的影响,而不仅仅是基本颗粒间作用的影响。这样就需要通过实验直接测量出含有机裹层的胶体颗粒间相互作用力。目前国内很多学者使用原子力显微镜(atomicforce microscope,AFM)探测颗粒表面结构以及进行相关力学研究。

利用AFM可获得稳定、高分辨样品表面形貌图像,如利用AFM得到淀粉颗粒表面和内部的精细结构,利用AFM的针尖与磷脂双层膜接触,进而研究磷脂双层膜的性质。李静楠等基于AFM接触模式,使用横向力模式和Nano Man两种方法侧向推动纳米颗粒,运用侧向力扫描方法测出单个纳米颗粒与基底表面的摩擦力。陈茜等将DNA、蛋白质等生物大分子的两端分别固定于AFM针尖和基底,进行“单分子拉伸试验”,研究生物分子间的相互作用。然而,国内尚未进行电解质溶液环境条件下胶体颗粒间相互作用力的测量研究。

在AFM测量颗粒间相互作用力过程中关键步骤是探针制备,目前较为流行的是胶体探针制备技术。胶体探针技术使用一个微米尺寸的颗粒粘接到原子力显微镜的探针悬臂末端作为传感器,主要用于胶体界面间相互作用力的研究。胶体探针技术也可用来测量两个颗粒间相互作用力,Jiang等将二氧化硅微球粘在三角形悬臂梁的末端,测量二氧化硅微球与白云母间的相互作用力,Ruiz-Cabello等采用该技术测出电解质溶液中的两个微米量级的latex颗粒(聚苯乙烯颗粒)之间的相互作用力,并与DLVO理论推导结果进行比较,进而对传统公式加以改进研究。他们采用的测量方法具有参考价值,但只能测量表面有特定基团的latex颗粒。

基于胶体探针技术,在液相环境中采用AFM测量聚苯乙烯颗粒胶体颗粒间相互作用力,将测量结果与胶体XDLVO理论值进行比较,为测量复杂表面形状的颗粒(如高岭石、蒙脱石和伊利石等)及附着生物膜的胶体颗粒间相互作用力奠定基础。

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