Photochromic kinetic spectra and intermediates of BR-D96N

BR-D96N is a kind of genetically site-specific mutant of bacteriorhodopsin (BR) with obvious photochromic effect. Compared to the wild type BR, the lifetime of M state of BR-D96N is prolonged to several minutes so that the photochromic kinetics and the intermediates formation can be studied by the conventional spectra analysis. In the experiment, the absorption spectra of the sample at different time after light illumination are measured with spectrophotometer. By fitting and analyzing the variation of the spectra, we suppose there-are three main states in the photochromic process, i.e. B state (light-adapted state), M state and D state (dark-adapted state). The absorption spectra of the B state, M state and D state are extracted from the experimental data based on this three-state model and the spectra at various time are fitted With the least square method. So, the variations of population percentages of the M state, B state and D state are obtained and the M state and B state lifetimes are estimated. In another,way, from measuring the absorption dynamics at 407 nm and 568 nm, the M state and B state lifetimes are also obtained by two exponential data fitting, which give coincident results with those of the spectra analysis.

二萜类生物碱和环糊精复合物的“软电离”质谱研究

随着基质辅助激光解吸／离(MALDI)和电喷雾电离(ESI)技术的发展，“软电离”质谱在一些新领域正在发挥着越来越大的作用。本论文运用这些新技术对二萜类生物碱、环糊精与氨基酸复合物和环糊精与肽复合物进行了系统地研究。具体研究结果如下：一、附子中二萜类生物碱的质谱研究使用基质辅助激光解吸飞行时间质谱仪(MALDI-TOF/MS)研究了附子提取物中C-19二萜类生物碱。实验结果表明：MALDI适合同时检测粗提物中多种生物碱，并且在分析速度和灵敏度方面明显优于其它方法。在附子甲醇提取物中检测到三类14种已知生物碱（单双酯型生物碱、阿替生型生物碱和脂类生物碱）和三种未知生物碱。同时还进行了生物碱萃取方法优化实验研究，并探讨了复方煎煮过程中成分-成分之间的相互作用。研究发现：生物碱的极性、碱性和毒性与生物碱C-8取代基相关，而且该基团在电离过程中容易形成中性碎片；在煎煮过程中甘草促进附子中剧毒的双酯型生物碱水解为低毒性的单酯型生物碱，从而证实了复方解毒机理。把电喷雾质谱(ESI-MS)和多级串联质谱（MS~n，n = 2-10）结合用以分析附子中脂类生物碱的成分。ESI-MS能够依据分子量的不同实现脂类生物碱的有效分离，并且Ms~n可以提供有关分子结构的信息。这样，就在附子乙醚提取物中确认出了12种已知脂类生物碱，并发现四种新的脂类生物碱。二、环糊精／氨基酸和环糊精／肽两种复合物的气相行为在10mM醋酸铵缓冲的环糊精(CD)／氨基酸(AAs)溶液的ESI-MS谱中，分别观察到α、β-CD与9种氨基酸复合物的正负离子；结合碰撞诱导解离(CID)技术确定了气相复合物的价键性质和结构。溶液中CD和AAs之间的疏才斜目互作用由于ESI过程中溶剂化作用的减弱而减弱，甚至完全消失，而分子之间的静电作用和氢键可能因此被加强。去质子化复合物的CID实验显示：当CD复合物从溶液相转入气相时，分子之间的主要作用力发生变化，静电相互作用成为主要作用力。研究还发现：β-CD／芳香氨基酸复合物的稳定性与氨基酸侧链和cD空腔之间的尺寸适合有关。因为CD／芳香氨基酸复合物与CD／其它氨基酸复合物的解离途径是不同的。由于芳香侧链被包结在CD空腔内，当CD／芳香氨 基酸复合物解离时，CD发生“爆裂”。为了进一步解释气相中CD和氨基酸的复合形式，引入氨基酸侧链极性表面积以评价氨基酸侧链对复合物稳定性的贡献。结果显示：氨基酸侧链羟基对复合物稳定性没有明显影响，这更加证明了在气-液两相中CD／芳香氨基酸复合物的结构是一致的。用ESI-MS和MS~n对α、β-CD与谷胱甘肽(GSH)及其修饰物进行研究，实验结果表明：两种环糊精均能催化GSH氧化反应。1:1和1:2CD/GSH复合物的CID揭示了分子之间具有较强的氢键作用。与GSH二聚体相比，1:2复合物作为催化氧化反应的中间体能够提供双分子GSH氧化反应的空间条件。此外，在1:1CD/GSH复合物的CID谱中观察到了GSH的氧化产物，说明在cID的离子富集和活化过程中会发生复合物离子-复合物离子之间的相互作用。这一结果不仅解释了CD催化反应的机理，同时揭示了气相复合物的化学性质。

耐热树脂的增强与增韧研究

耐热树脂或称特种工程塑料主要包括聚芳飒类、聚醚酮类、聚芳酷、液晶类、聚酞亚胺和聚苯硫醚等。长春应化所已获得有关聚芳醚酮（PEK-C），聚芳醚砜（PES-C）和聚酞亚胺（PEI）等特种工程塑料的专利12项。在特种工程塑料中，PEK-C，PES-C和PEI有着最高的机械强度（室温下的拉伸强度在100MPa以上）。PES-C和PEI的耐热等级最高（热变形温度分别为225℃和220-260℃）。PE工有极好的阻燃性（氧指数为47）和耐磨性。而PEK-C的加工性好、韧性高、耐磨损和抗电击穿等性质突出，其综合物性与英国ICI公司的聚醚醚酮（PEEK）相近，是良好的高性能复合材料基体树脂。具有优异综合物性的PEK-C、PES-C、PEI及其改性系列材料在机械、电子电气、军工、医疗及食品等许多领域有着广泛的应用前景。近年来，长春应化所在酞侧基聚芳醚酮和聚芳醚矾的结构一加工一物性关系及开发应用等方面作了大量的研究工作，主要涉及此两种聚合物的粘弹性、屈服行为、断裂行为、转变与松弛以及复合与共混等方面内容。这些研究工作表明，酞侧基聚芳醚酮和聚芳醚矾经过共混和复合改性能够具有更优异的使用性能，而且这些研究中的一些方法同样可以应用于其它耐热树脂的改性。高分子材料科学的发展趋势就是在更深层次上把握材料的结构特点及其与宏观物性间的相互关耽达到高分子分子设计和材料设计的目标，实现高性能化和高功能化使现有的高分子材料找到更广泛而合理的应用。工程塑料的高性能化是高分子材料科学近年来发展的一个主要方向。为满足航天航空、电子信息、汽车工业家用电器以及机械等多方面技术领域的需要，要求材料的机械性能、耐热性、耐腐蚀性和长期使用性等性能进一步提高。在现有工程塑料品种的基础上通过共混增韧、复合增强等改性方法使其成为高性能的结构材料，是高分子材料私｝学的前沿课题及重要任务。本文采用熔融加工的方法制备了PEK-C和PES-C耐热树脂的共混与复合材料，利用热分析、力学性能检测、微观形貌观察、加工性能检测等手段研究了共混物及复合材料的结构与性能。通过对PEK-C和PES-C的冲击断裂过程的研究，我们发现，两种材料在裂纹起始扩展时所能承受的最大应力值相同，但PES-C的裂纹引发（ti）和扩展（tp）所需时间仅是PEK-C的一半，此即PES-C的冲击强度（I）和断裂韧性（KIC）较低的原因。因此，如能延长裂纹引发和扩展的时间，也就是说如能扩大断裂过程区，抑制裂纹的早期形成就能达到增韧的目的。在PES-C的增韧研究方面，我们可以借鉴通用塑料的增韧方法，即在高聚物基体中，以适当的手段掺加第二相粒子，通过粒子的变形和引发基体在粒子周围产生剪切屈服或银纹化等作用机理，实现增韧目的。所不同的是，对PES-C类耐热树脂来说，实现增韧的同时应保持材料原有的高强度和高耐热性等优良险质。另一方面，由于耐热树脂的加工温度极高，适合于通用塑料的偶联剂等界面改性技术已不再适用于特种工程塑料。针对PES-C的增韧方法和机理的研究工作可归纳为以下三个方面：①刚性有机粒子（PPS，LCP等）增韧；②柔性有机粒子（UHMWPE）增韧；③刚性无机粒子（硅灰石）增韧。物理老化或结构松弛效应使得高聚物材料的结构和宏观物性随时间而发生变化。随时间的增长，PES-C和PES-C／PPS共混物的拉伸强度增加、冲击韧性减小，而且这种变化趋势表现出物理老化过程的自衰减特性。研究结果表明，PES-C／pps共棍物的结构松弛速率比PES-C慢。具有良好界面相互作用的PES一C／PPS共混物材料的强度和韧性始终高于PES-C纯组份聚合物。因此说，pES-C／PPS共混物不仅具有良好的短期性能，而且在高温下长期使用过程中，其力学性能将始终优于纯组份聚合物。我们研究了热固性聚酞亚胺预聚物（P01）增容聚芳醚酮／聚苯硫醚共混物的热学性能、力学性能、形态结构及加工性，对POI在聚芳醚酮／聚苯硫醚共混物中所起的增容作用机理进行了初步探讨。实验发现，PEK-C／PPS共混物在保持PEK一C原有的高强度和高模量的同时，加工流动性和韧性得到一定程度的改善。PEK-C／ppS／Pm三元共混物中，少量的POI能够控制PPS分散相的相区尺寸，防止分散相粒子的自凝聚，起到了增容剂的作用。热固性高聚物预聚体可用于增容热塑性高聚物共混体系，这种增容方法有其特殊性和新颖性，增容后的聚芳醚酮／聚苯硫醚共棍物的力学性能得以改善。利用纤维可以作为结晶性高聚物的异相成核剂的特性，将合适的结晶性高聚物与非晶高聚物共混，可以在在一定程度上改善非晶高聚物与纤维间的界面粘结，提高纤维增强效率。这种方法对PEK-C类耐热树脂尤为重要。通过与即S共混，玻纤增强PEK-C复合材料中纤维与基体间的界面粘结以及纤维的长径比明显增加，因而复合材料的强度和模量显著提高，而且加工流动性也得到一定程度的改善。从考虑综合物性的角度出发，利用结晶性高聚物改善纤维与非晶树脂基体间的界面粘结时，结晶性高聚物的用量存在一个最佳值。与PEEK／GF复合材料相比，PEK-C／PPS／GF复合材料在加工能耗、价格等方面存在很大优势，可以预期这一高性能复合材料可应用于制造高强度、高耐热、耐腐蚀、耐磨损、耐疲劳的往复运动部件、振动或转动等机械零部件。

直接甲醇燃料电池阳极催化剂及甲醇氧化稀土助催化剂剂研究

燃料电池以其高效、环境友好的发电方式，被誉为21世纪的能源技术。其中，直接甲醇燃料电池（DMFC）更以燃料甲醇来源丰富，价格低廉，储存、携带方便而成为近年的研究热点。但是，DMFC在其实用化之前还需要解决一些重要问题，其中的关键之一就是高性能的贵金属催化剂的研究。我们知道，甲醇的电化学活性要低于氢气三个数量级；而且甲醇在R表面进行电化学氧化时，其中间解离吸附产物会造成贵金属催化剂中毒，显著降低了催化剂的活性。因此，要使DMFC具有相当高的电流密度和运行稳定性，就需要对贵金属催化剂制备进行不断的研究和改进。在本文的工作中，主要从Pt/C催化剂的制备方法、新型碳纳米管载体、稀土助催化剂等三个方面进行了研究和探索，取得的具体结果如下：1．Pt／C催化剂制备方法的研究与改进（1）在本组已有的研究结果基础上，对预沉积还原法进行了一些改进，采用原子吸收光谱（AAS）进行表征，发现Pt的利用率得到了明显的提高。采用X射线衍射。（RD）、透射电子显微镜（TEM）和BET表征铂的粒径、晶态结构和催化剂特性，分析表明，经过改进的预沉积还原法制备的催化剂仍然具有良好的分散性、较小的粒径、较低的晶态结构和良好的催化剂特性，电化学测试证明其性能要优于同等的E-TEK催化剂。（2）借鉴冶金学中的相关技术，提出了一种新的Pt/C催化剂制备方法一程序升温焙烧法。该方法的具体步骤增强了金属催化剂粒子和碳载体之间的相互作用力，提高了碳载体的导电性，并且形成了部分有利于催化反应进行的活性晶态结构。得到的R／C催化剂获得了近似E-TEK催化剂的催化活性，在具体方法上仍有改进的潜力。采用了同（1）的催化剂表征方法。2．甲醇电化学氧化稀土助催化剂研究在直接甲醇燃料电池Pt/C催化剂的研究过程中，一个重要的方面就是助催化剂的研究，并且已经得到了较好的结果。本工作选用了稀土元素为研究对象，因为稀土元素属于过渡金属，具有丰富的d电子轨道，易于和金属形成强的类化学键的吸附作用，并且能够和有机小分子形成多种配位化合物。经过初步的工作，发现了有些稀土离子如Sm3+能够在Pt表面吸附并且对甲醇电化学氧化具有较稳定的促进作用，采用循环伏安法，计时电流，交流阻抗等电化学方法进行了表征。根据实验结果，对其反应机理进行了初步的探讨。3．碳纳米管（CNTs）作为贵金属催化剂载体的研究碳纳米管（CNTs）由于其结构上的特殊性（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级）而表现出典型的一维量子材料，同时具有较高的机械强度和超常的电学性能，能够为化学反应提供纳米级的反应场所，因此受到了化学界包括电化学研究人员的极大关注。已经在作为贵金属催化剂载体方面进行了一些研究，本工作的主要内容就是针对Pt/CNTs催化剂对碳纳米管的要求，对其预处理方法进行了改进，采用了如（1）中的催化剂表征方法和（2）中的相关电化学方法进行测定，发现碳纳米管作为贵金属催化剂载体时，对它的纯化处理方法的不同明显地影响了其载体性质和催化剂的活性。

Flat Surface Plasmon Polariton Bands in Bragg Grating Waveguide for Slow Light

The formations of the surface plasmonpolariton (SPP) bands in metal/air/metal (MAM) sub-wavelength plasmonic grating waveguide (PGW) are proposed. The band gaps originating from the highly localized resonances inside the grooves can be simply estimated from the round trip phase condition. Due to the overlap of the localized SPPs between the neighboring grooves, a Bloch mode forms in the bandgap and can be engineered to build a very flat dispersion for slow light. A chirped PGW with groove depth varying is also demonstrated to trap light, which is validated by finite-difference time-domain (FDTD) simulations with both continuous and pulse excitations.

Hybrid waveguide-plasmon resonances in gold pillar arrays on top of a dielectric waveguide

We propose a hybrid waveguide-plasmon system consisting of gold pillar arrays on top of a dielectric waveguide. The formation of extraordinary transmissions induced by the hybrid waveguide-plasmon resonances is investigated by rigorous coupled-wave analysis. The characteristics of the hybrid resonances can be predicted by introducing the photonic crystal slab theory. Extremely narrow absorption peaks and the electromagnetically induced transparency-like optical property are demonstrated in our hybrid system. (C) 2010 Optical Society of America

Broadband short-range surface plasmon structures for absorption enhancement in organic photovoltaics

We theoretically demonstrate a polarization-independent nanopatterned ultra-thin metallic structure supporting short-range surface plasmon polariton (SRSPP) modes to improve the performance of organic solar cells. The physical mechanism and the mode distribution of the SRSPP excited in the cell device were analyzed, and reveal that the SRSPP-assisted broadband absorption enhancement peak could be tuned by tailoring the parameters of the nanopatterned metallic structure. Three-dimensional finite-difference time domain calculations show that this plasmonic structure can enhance the optical absorption of polymer-based photovoltaics by 39% to 112%, depending on the nature of the active layer (corresponding to an enhancement in short-circuit current density by 47% to 130%). These results are promising for the design of organic photovoltaics with enhanced performance.

Spatial Mode Selection by the Phase Modulation of Subwavelength Plasmonic Grating

The extraordinary transmission of the subwavelength gold grating has been investigated by the rigorous coupled-wave analysis and verified by the metal-insulator-metal plasmonic waveguide method. The physical mechanisms of the extraordinary transmission are characterized as the excitation of the surface plasmon polariton modes. The subwavelength grating integrated with the distributed Bragg reflector is proposed to modulate the phase to realize spatial mode selection, which is prospected to be applied for transverse mode selection in the vertical cavity surface-emitting laser.