生物大分子结构及动力学的核磁共振研究

本文介绍了核磁共振技术在生物大分子结构与动力学研究中的常用技术及新近的进展。

基于煤分子结构特性的炼焦煤热解动力学研究

借助固体核磁(13C NMR)和红外光谱(FT-IR)对4种不同煤化程度炼焦煤的分子结构特性进行了分析,利用热重-质谱联用技术(TG-DSC-MS)解析了炼焦煤热分解行为并计算了热解动力学参数。结果表明:4种炼焦煤的结构单元主体为2~4元苯环,其中,ZC煤中富含长链脂肪烃,LL煤中热稳定性较强的联苯结构较多。4种煤的热解过程均可用3段一级反应动力学模型描述,初始热解阶段煤基体失重量与煤中脂肪醚和环烷醚含量有关;剧烈分解阶段的活化能显著高于初始分解阶段和半焦缩聚阶段;半焦缩聚阶段与煤芳构化程度有关,主要发生芳香团簇的交联缩聚反应,CZ煤在此阶段释放出更多热量。通过从煤分子化学结构稳定性的角度解析炼焦煤热分解机制,以期为炼焦煤资源分质利用及精细化煤焦化技术开发提供理论指导。

异伍兹烷衍生物高温热分解规律分子动力学模拟

异伍兹烷衍生物是当前最具潜力的笼形含能化合物之一,为了系统研究异伍兹烷衍生物的高温热分解规律,明确其爆轰机理,研究采用ReaxFF-lg反应性力场和分子动力学方法,对3种典型异伍兹烷衍生物ε-六硝基六氮杂异伍兹烷(ε-CL-20)、4,10-二硝基-2,6,8,12-四氧杂-4,10-二氮杂四环十二烷(TEX)和4,10-二叠氮甲基-2,6,8,12-四硝基六氮杂异伍兹烷(BATNIW)进行高温(1500~3500 K)热分解研究。结果表明,脱硝基和开环是3种衍生物的主要初始反应,其中开环反应集中在五元环C—N键或C—O键。不同温度下热分解终产物中CO_(2)和H_(2)含量差异较大,3000 K以上N_(2)含量接近。3种衍生物中,BATNIW热分解生成N_(2)速度最快、产量最高;TEX热分解易生成团簇,生成特征产物乙二醛。3种衍生物热分解活化能排序为TEX>BATNIW>ε-CL-20,说明TEX稳定性最好。研究初步揭示了3种异伍兹烷衍生物分子结构与热分解规律的内在联系。

分子动力学模拟在医学微生物实验教学中的应用

微生物灭菌是涉及生物安全的重要技术。但在医学微生物实验课程中,学生只能从宏观层面感受灭菌效果,不能观察到微生物在微观层面的变化。文章利用分子动力学模拟技术,选择蛋白质、核酸以及细胞膜作为模拟对象,获得它们在高温下的变化过程,为学生理解热力灭菌原理提供了直观的展示。分子动力学模拟技术的引入为医学微生物教学提供重要的技术手段,是提高教学效果的有益辅助。

副溶血性弧菌不耐热溶血素的生物信息学分析与分子动力学模拟

副溶血性弧菌是一种革兰氏阴性人畜共患致病菌,可引发人类胃肠炎等食源性疾病。副溶血性弧菌具有多种毒力因子,热不稳定溶血素(thermolabile hemolysin,TLH)即是其中之一。该研究对副溶血性弧菌的tlh基因进行了克隆及测序,对tlh基因编码的TLH蛋白进行了生物信息学分析及结构和功能预测。结果表明,TLH蛋白由418个氨基酸组成,预测分子质量为47.36 kDa。在TLH蛋白中确定了几个保守的结构域和基序,包括SGNH水解酶结构域和GDSL基序;对TLH蛋白的三维结构进行了同源建模及验证,在此基础上通过分子动力学模拟分析其稳定性、与4-硝基苯基月桂酸酯(p-nitrophenylaurate,PNPL)的相互作用能力及结合底物对结构紧密度和残基灵活性的影响,揭示了催化三联体Ser153-His390-Asp393周边是一个重要的药物靶点活性口袋,具有高度保守的残基序列,并在底物结合后表现出残基灵活性差异。该研究分析了副溶血性弧菌TLH蛋白的性质和结构,可以为保障水产品的安全性、提高水产品原料安全评价水平提供理论支持。

融雪剂对沥青分子平衡稳定性和黏附性影响的动力学模拟

为研究融雪剂溶液对沥青分子结构平衡稳定性和黏附性的影响,采用分子动力学构建各融雪剂溶液在沥青分子内部扩散的模型和沥青-溶液-集料氧化物界面模型,计算得到模拟体系的自由体积分数,以此来表征融雪剂溶液的侵入对沥青分子结构平衡稳定性的影响,并利用相对浓度分布和黏附能表征融雪剂对沥青黏附性的影响。结果表明:分子动力学模拟建立的12种四组分沥青分子模型温度和能量符合平衡条件;融雪剂溶液会降低沥青分子结构的平衡稳定性。采用在无溶液和有溶液状态下黏附能的比值ER来表征融雪剂对沥青-集料黏附性的影响,其中NaCl影响最为显著,其次为各醋酸盐,NaNO_(2)的影响较弱。融雪剂溶液的侵入会削弱集料表面沥青质和胶质的高浓度分布,使饱和酚更易聚集在集料表面较远端,对集料表面芳香酚分布的影响则较小。

中药督脉熏蒸联合生物反馈训练对产后盆底功能障碍患者盆底肌肌力及尿动力学的影响

目的:观察中药督脉熏蒸联合生物反馈训练治疗产后盆底功能障碍(PPFD)的效果。方法:选取PPFD患者180例,依照随机数字表法分为中药熏蒸组(A组)、生物反馈训练组(B组)、联合治疗组(C组)3组,每组60例。3组均给予常规治疗,即凯格尔运动法及阴道哑铃盆底肌肉锻炼。在常规治疗基础上A组再给予中药督脉熏蒸治疗;B组再给予生物反馈训练;C组再给予中药督脉熏蒸联合生物反馈训练,均治疗8周。治疗前后比较3组患者的盆底肌肌力、尿动力学、盆底神经肌电生理指标、盆底功能障碍影响问卷简版(PFIQ-7)、盆底症状影响量表简版(PFDI-20)、盆腔器官脱垂与尿失禁性功能问卷简版(PISQ-12)评分。结果:治疗后,3组患者的盆底肌肌力正常率、尿道最大闭合压力(MUCP)、功能尿道长度(FUL)、膀胱顺应性(BC)、应力性漏尿点压力(SLPP)、快肌收缩最大值、10s慢肌收缩平均值、PISQ-12评分均高于治疗前(P<0.05),且C组高于A组、B组(P<0.05);3组患者PFIQ-7、PFDI-20均低于治疗前(P<0.05),且C组低于A组、B组(P<0.05)。结论:中药督脉熏蒸联合生物反馈训练可减轻PPFD相关症状,改善PPFD患者盆底功能、性功能。

西藏三种木材生物质的燃烧特性及动力学分析

为了探讨西藏地区丰富的藏川杨、高山松和川滇高山栎3种木材生物质在燃烧过程中的反应机理,采用热重分析了三种木材的燃烧特性,通过Coats-Redfern积分法研究了其动力学特性。结果表明:3种木材生物质燃烧过程总体趋势一致,可分为失水干燥、生物质燃烧、焦炭燃烧和生物质燃尽共4个阶段,其中挥发分燃烧阶段失重占比最大。根据综合燃烧特性指数,川滇高山栎的燃烧特性最好,其次是藏川杨、高山松;随着升温速率增大,木材生物质的综合燃烧特性指数增大,燃烧速率增大,DTG曲线峰值增大,峰形变宽;藏川杨、高山松和川滇高山栎的最佳反应级数分别为1、2、2,相关系数均大于0.95。燃烧反应活化能从低到高分别为:藏川杨46.10 kJ/mol、高山松70.05 kJ/mol、川滇高山栎85.59 kJ/mol;频率因子从低到高依次为:藏川杨2.25×10^(4)min^(-1)、高山松3.99×10^(6)min^(-1)、川滇高山栎2.14×10^(7)min^(-1),该研究为优化燃烧过程和提高能源利用效率提供了理论依据。

典型生物可降解塑料热处理特性及动力学

为了探究生物可降解塑料在热处理过程中的特性,采用热重分析仪分别在不同升温速率下(10,20和30℃/min)对由聚乳酸(PLA)和聚对苯二甲酸-己二酸丁二酯(PBAT)组成的生物可降解塑料(BP1)的失重特性进行分析,BP1在氮气和空气气氛下的反应过程都非一步完成,主要反应阶段都存在明显的两步失重过程,在氮气和空气气氛下两个主要反应阶段的质量损失率分别达到87.99%~89.64%,84.99%~86.88%,且两反应阶段温度区间存在明显重叠.利用Flynn–Wall–Qzawa(FWO)、Kissinger-Akahira-Sunose(KAS)、Starink三种等转化率法计算动力学参数,得到BP1在氮气气氛下阶段一、阶段二的平均活化能E分别是88.95,90.92kJ/mol,空气气氛下阶段一、阶段二的平均活化能E分别是67.23,91.27kJ/mol;采用积分主图分析法(Master-plots法)基于10℃/min确定其动力学反应机理,表明BP1主要反应阶段均符合随机成核和核生长模型(An),但反应级数有所区别,说明氮气和空气不同气氛,并不会影响其反应机理,只是在活性点位的产生和失活速率快慢方面有所区别.

辉铜矿化学-生物溶解机制及浸出动力学进展

辉铜矿是最具生物冶金工业利用价值的含铜矿物之一,然而,其生物浸出效率仍有较大提升空间。为了更好地揭示辉铜矿的生物浸出过程,对辉铜矿化学-生物溶解机制和浸出动力学相关研究进展进行综述。系统阐述辉铜矿的晶体结构,总结辉铜矿的化学溶解机制、电化学溶解机制和生物溶解机制,讨论辉铜矿的浸出动力学以及不同浸出参数对辉铜矿浸出的影响,总结辉铜矿生物冶金在工业应用中存在的问题。尽管如此,辉铜矿生物浸出的精细过程和浸出机制仍有待进一步研究。未来可采用同步辐射等多种新型研究方法在化学-生物多学科交叉基础上探明次生硫化铜矿的精细氧化溶解机制,为辉铜矿高效环保提铜奠定基础。

分子力学和分子动力学方法研究不同变质程度烟煤的分子结构

采用分子力学和分子动力学模拟方法 ,研究了不同变质程度烟煤的三维分子构型和能量参数。结果表明 :随变质程度的增加 ,煤分子内平行的芳香片层结构增大。不同变质程度烟煤分子在团聚前后的成键相互作用能仅略有变化 ,其中扭转能Et 的变化相对较为显著 ,并且扭转能随煤阶的增加呈逐渐减小的趋势。非成键作用能 ,特别是超过三个原子的范德华作用能 ,是煤中的重要相互作用能 ,是模型分子团聚的重要驱动力 ,对于烟煤分子聚集状态的形成起着决定性的作用。同时随煤阶的升高 ,超过三个原子的范德华作用能逐渐增加。模型分子的总势能随煤阶的变化呈两头高、中间低的趋势 ,与煤的一些宏观物理性质有一定的相一致性。

侧倾-垂向双轴激励下的坐姿人体生物动力学特性

研究了侧倾-垂向双轴激励下的坐姿人体动力学特性。测取了8名被试者在单轴随机侧倾振动下的动力学响应,通过人椅交界面处的角加速度和力矩定义了视在惯量,识别了人体在侧倾方向上位于1 Hz和2.5 Hz方向的两阶共振。随后引入垂向振动,对侧倾-垂向双轴激励下的人体响应开展频响函数分析与偏相干分析,分析了人体垂向响应与侧倾响应的耦合关系。研究发现,侧倾振动在0~10 Hz测试频率范围内对人体动力学响应特性几乎没有影响,垂向振动在两阶侧倾共振频率附近对包括模态频率、视在惯量幅值等侧倾动力学特性几乎没有影响。最后,面向侧倾与垂向振动激励,建立了人体动力学模型并识别了其中的动力学参数,实现了单一模型对双轴激励下人体响应的预测。

可降解生物基含酯键环氧树脂的固化动力学研究

采用非等温差示扫描量热(DSC)法研究了可降解生物基含酯键环氧树脂固化动力学,分别建立了n级反应动力学模型、自催化模型以及结合n级反应和自催化模型的分段模型,并将模型预测值与实验数据进行了对比分析。结果表明,n级反应模型与实验曲线的偏差较大,自催化模型与实验曲线变化趋势基本一致,但仍然存在一定偏差,而结合两者的分段模型与实验曲线吻合较好,表明分段模型能更准确地描述该环氧树脂体系的固化反应过程,为其树脂基复合材料固化成型工艺条件优化提供理论指导。

页岩干酪根平均分子结构模型的构建方法

页岩中的主要有机成分是干酪根。一个真实的干酪根分子结构模型是利用分子动力学研究页岩有机质微观性质的基础。前人多建立二维干酪根模型,对三维干酪根结构模型的建立较少。因此,很有必要介绍一种建立页岩干酪根的三维分子结构模型的详细步骤。笔者等基于构建出的南堡页岩干酪根的二维分子结构模型,利用分子动力学模拟的手段,根据干酪根的密度.

心力衰竭心肌线粒体动力学及生物发生的相关研究进展

综述线粒体动力学及生物发生功能在心力衰竭方面的研究进展。慢性心力衰竭作为一种复杂的临床综合征,是多种心血管疾病的最终转归,相当一部分心力衰竭病人存在心肌功能失调的问题,心肌是高耗能、高耗氧的组织,线粒体作为细胞工作的“能量源泉”,其功能的正常发挥在其中发挥着重要作用,线粒体的生物发生及动力学决定着线粒体的数量及质量,因此线粒体的结构及功能受损后会直接影响心肌细胞的正常工作,导致心肌舒缩功能障碍,进而发展为心力衰竭。通过药物干预线粒体生物发生及其动力学可促进线粒体功能的自我修复及改善心力衰竭症状。

预测抓握力和振动传递的手-臂系统生物动力学模型

针对手-臂的振动问题,提出了一种手-臂混合模型来计算不同抓握力下叉车方向盘传递给手-臂的振动。该模型由肩膀、上臂、前臂和手组成,通过具有刚度和阻尼的关节连接。手部模型包含手掌和五个手指,每个手指的远端、近端和掌指端通过旋转关节相互连接,在手指关节上施加力矩来模拟抓握手柄时的主动肌肉力。通过调整模型材料参数以匹配手和手臂在抓握手柄时的接触压力和振动。将标定后的模型应用于某叉车方向盘对手臂系统振动传递率进行预测,结果表明所建立的考虑抓握力和手与手柄接触条件的模型能够预测车辆驾驶员手臂系统的振动传递。

氨基功能化硅酸盐固载磷钨酸催化制备生物柴油及动力学研究

以介孔硅酸盐(TUD-1)为载体,经氨基功能化、磷钨酸固载化制备介孔硅酸盐固载磷钨酸催化剂(TUD-1-NH_(2)-PW),并利用XPS、XRD、TGA-DTG、BET、正丁胺电位滴定法等技术手段与方式对催化剂的结构和酸性进行表征,同时考察该催化剂在催化棕榈酸与乙醇酯化制备生物柴油反应中的催化性能。研究结果表明,TUD-1-NH2-PW催化剂具有较好的催化酯化活性和稳定性。利用响应面分析法优化所得生物柴油的产率为96.86%,结果与模型预测值基本符合。优化条件下,合成生物柴油的反应级数为1.94,表观活化能为28.10 kJ/mol,动力学方程为:r=-dC_(A)/dt=3.82×10^(2)exp(-28.10/RT)C_(A)^(1.94)。

生物质添加对脱油沥青气化的影响及动力学研究

应用气化技术将脱油沥青(DOA)转化为合成气是一种环保、高效提升脱油沥青附加值的方法。但脱油沥青气化反应活性较低且气化炭黑生成量大,而生物质中的碱金属元素可以有效催化化石燃料的气化反应,故选用稻草秸秆(RS)与脱油沥青共气化以提升脱油沥青的气化反应速率。采用常压热重分析仪(TGA)考察了DOA和RS在不同掺混比(m_(DOA):m_(RS)分别为9:1,8:2,7:3,1:1,3:7)下共气化的反应特性,并与DOA单独气化的反应特性进行了对比。采用SEM-EDS对共气化产物进行微观形貌和元素分布表征,选择Coats-Redfern法配合Malek最概然机理函数计算共气化动力学相关参数及动力学方程。结果表明:RS主要通过灰分中含有的钾元素催化气化反应,共气化过程中钾由RS转移到DOA表面,在DOA表面通过扩张孔隙形成了新的孔隙,增加了气化反应活性位点;当DOA与RS的掺混比为3:7时,共气化的协同作用最明显,与DOA单独气化相比,活化能降低约94.7 kJ/mol。

生物钟调控的线粒体动力学在非酒精性脂肪性肝病中的作用

非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)是一种与代谢异常密切相关的疾病,是目前最常见的慢性肝病之一。线粒体是高度动态的细胞器,参与肝脏中的多种代谢和生物能量通路,通过线粒体动力学对环境变化做出高度动态反应。生物钟能够调控线粒体动力学,使其表现出节律性变化。当昼夜节律紊乱时,线粒体动力学失去节律性,使得线粒体不能对不同环境中不断变化的能量需求做出反应,导致NAFLD的发生发展。本文总结了生物钟调控的线粒体动力学在NAFLD病因学中的重要作用。

城市污泥干燥动力学特性及其与生物质共气化热电联产系统模拟

对城市污泥进行高效干燥预处理及气化资源化利用是实现城市绿色可持续发展的重要途径之一。首先,利用热重反应器研究了污泥的干燥动力学特性;其次,基于Fluent数值模拟软件明晰了高温低速烟气和低温高速烟气对污泥干燥过程的影响;最后通过Aspen Plus构建了新型的污泥与生物质共气化热电联产系统,并讨论了系统的热力性能。结果表明:污泥在热重反应器中的干燥过程分为升速阶段、第一降速阶段和第二降速阶段,以降速阶段为主;SW-60、SW-80的水分扩散系数范围分别为6.34×10^(-6)~3.72×10^(-5)m^(2)/s和3.69×10^(-5)~2.60×10^(-4)m^(2)/s;初始含水率的提高会增加污泥干燥活化能,SW-60、SW-80的干燥活化能分别为9.55 kJ/mol和28.25 kJ/mol;干燥床中高温低速烟气的干燥效率大约为低温高速烟气的2.67倍;在热电联产系统中,随着生物质掺混比例的增加,输入热量、空气流量、合成气低位热值、合成气产率和热电联产潜力均随之增加,然而电效率、热效率和系统效率会缓慢下降;当生物质掺混质量比为20%时,每千克30%含水率干污泥与生物质的共混物可以产生电能与热能潜力分别为0.61 k W·h和4.212 MJ。