化學波在一維BZ凝膠體系中的單向傳遞

羅海南，鹿存存，王臣龍

(1 中國礦業大學化工學院，江蘇　徐州　221116；2 棗莊學院，山東　棗莊　277100)

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化學波在一維BZ凝膠體系中的單向傳遞

羅海南1,2，鹿存存1，王臣龍1

(1 中國礦業大學化工學院，江蘇徐州221116；2 棗莊學院，山東棗莊277100)

研究了化學波在一維BZ凝膠中單向傳遞, 觀察到了化學波傳遞時空斑圖, 其傳播距離呈現周期性變化。考察了實驗參數改變對化學脈沖波動力學行為的影響，一維化學脈沖波的時空演化有助于理解生化體系中信息的傳遞和調制。

BZ凝膠；化學波；反應-擴散

激發介質中傳遞的化學波可以幫助我們理解生命體系中信號的傳遞和調制[1],比如神經脈沖波的傳遞[2-3]， 就是通過一維體系中相關反應物的擴散來達到信號傳遞的目的。基于一維反應-擴散過程，還能開發出新奇的人工信號處理方式，比如化學二極管[4-5]，邏輯門[6]和化學濾波器[7]等。近年來許多科學家都將非線性反應-擴散化學體系作為研究信息傳導或處理的模型，在實驗和理論上加以研究。其中Belousov-Zhabotinsky (BZ)反應具有極其豐富的時空動力學行為而作為研究反應-擴散行為的實驗模型[8-9]，能夠在很大程度上模擬生化體系中信號傳遞和處理能力，其在二維介質中的螺旋波[10]和三維介質中卷波[11]的已被廣泛研究。

而實驗方面對狹窄空間反應-擴散系統中產生的各種非線性時空斑圖的研究也引起了日益關注。特別是一維反應-擴散時空動力學行為的研究逐步開展起來。Tóth等報道了玻璃毛細管中均相體系傳遞的化學波在毛細管內徑小于某一臨界值時，化學波只能在狹窄管道中傳播而無法傳遞到外部均相溶液中，認為毛細管中傳遞的化學波具有信息處理能力[12-13]。Kitahata等在圓錐管中研究了化學波的傳遞，并探討了玻璃管表面效應對傳播距離的影響[14]。其它狹窄空間體系，如一維BZ反應耦合凝膠體系[15]和微乳液體系[16]等都逐漸開展起來。

本論文將典型的BZ反應催化劑接枝共聚于凝膠分子鏈上，合成于一維玻璃毛細管中，耦合BZ反應底物 得到開放且無對流的一維單向反應-擴散耦合體系，化學物質在嫁接了催化劑的凝膠分子鏈空間網格中反應-擴散，能夠形成類似于神經信號傳遞的化學波，單向傳遞并且傳播距離周期性變化。重點考察了各種反應底物和實驗條件對化學脈沖波動力學行為的影響，更好地幫助我們理解生化反應-擴散體系中信息的傳遞和處理過程.

1　實　驗

1.1BZ凝膠的制備

1.2化學波傳播觀察

將純化后的一端開口的位于毛細管中的BZ凝膠浸入20 mL BZ反應液中，維持反應溫度為22 ℃。 BZ凝膠中時空動力學行為的監測通過搭建的CCD時空采集系統進行采集, 如圖1所示。視頻采集照相機(CCD)與電腦相連，以LED同軸光源作為背景光，通過對反應過程中圖像的處理得到相應空時演化圖，改變反應物濃度和實驗條件以考查各種參數下一維BZ凝膠中單向脈沖化學波的時空動力學行為。

圖1　化學波圖像采集裝置

2　結果與討論

2.1一維BZ凝膠中單向傳遞的化學脈沖波

圖3　一維BZ凝膠中單向傳遞的化學脈沖波

如圖3所示，處于毛細管中的BZ凝膠右端密閉，左端開放與BZ反應溶液接觸，反應物(無催化劑)只能從左端向右單向擴散。經過大概5 min誘導期，右端激發出現向左單向傳遞的化學脈沖波。隨著反應-擴散的逐步深入，化學脈沖波傳播距離也逐漸變大。通過沿凝膠中心軸水平方向做時空演化圖可以看出(如圖4所示)， 向左單向傳遞的化學脈沖波傳播距離還呈現出周期性變化趨勢，這是因為化學脈沖波的傳遞主要依靠中間產物HBrO2擴散來實現，根據FKN機理[9]可知：

(1)

(2)

(3)

通過反應(1)的進行，抑制劑Br-被大量消耗，當Br-濃度低于某一臨界值時，自催化反應過程(2)開始占據主導地位，產生大量自催化劑HBrO2，推動化學脈沖波向前傳遞。在反應過程C中，Br-再次大量產生，HBrO2受到抑制，化學脈沖波消失。 BZ反應周而復始，自催化劑HBrO2濃度也隨之周期性漲落，化學脈沖波也就周期性產生，通過耦合擴散過程，出現了傳播距離周期性變化的化學脈沖波，此過程持續時間可以超過24 h。

圖4　一維BZ凝膠中單向傳遞的化學脈沖波的時空圖

2.2實驗條件對化學波傳播的影響

一維BZ響應性凝膠體系中化學脈沖波動力學行為受BZ反應溶液組成影響顯著。從圖5可以看出, 逐漸增大NaBrO3濃度，脈沖化學波波速逐漸增大。這是因為NaBrO3濃度增大有利于FKN機理中反應(1)過程進行， 此過程中大量消耗了Br-，體系抑制性下降，同時NaBrO3濃度增大還促進了自催化反應過程(2)，使活性中間物HBrO2濃度上升，體系激發性也因此上升，促進了化學脈沖波頻率增大，波速上升。

圖5　一維BZ凝膠體系中化學波波速隨NaBrO3濃度變化情況

圖6　一維BZ凝膠體系中化學脈沖波波速隨HNO3濃度變化情況

圖7　一維BZ凝膠體系中化學脈沖波波速隨MA濃度變化情況

從圖6可以看出, 逐漸增大HNO3濃度也促進了脈沖化學波波速增大。這是因為HNO3濃度增大，體系pH下降，有利于Br-消耗和HBrO2產生。從圖7可以看出，增大MA濃度不利于化學脈沖波的傳遞，使波速下降。由FKN機理過程C可知，隨著MA濃度的增大，有利于抑制劑Br-的生成，體系激發性下降，抑制了化學波的傳遞。

溫度對化學脈沖波的影響具有雙重效應，如圖8所示，在較低溫度區間范圍內，隨著溫度的增大，一維凝膠化學脈沖波的波速逐漸上升，到24 ℃以后繼續升溫波速又逐漸下降。其原因一方面，由Arrenius方程可知，隨著溫度升高，化學反應速率增大，化學波波速增大。另外一方面，BZ凝膠具有溫度響應性，溫度升高使凝膠分子鏈氫鍵遭到破壞，分子鏈親水性下降，凝膠分子鏈收縮，抑制了化學反應物質在凝膠空間網格中的擴散，這就導致了化學脈沖波波速隨溫度的升高而下降了，所以溫度對一維BZ凝膠中化學脈沖波的波速的影響存在正負兩個影響因素。在開始階段溫度升高的過程中，聚合物的空間網格效應不占據主導地位，化學反應速率增大促進了化學波速的增大。繼續升溫聚合物的空間網格效應突增，超過BZ凝膠的最低臨界相轉變溫度轉折點后(LCST)，對波速的抑制效應占主導地位，所以化學脈沖波波速下降了。

圖8　一維BZ響應性凝膠體系中化學脈沖波波速隨溫度濃度變化情況

3　結　論

通過構建一維非線性反應-擴散耦合凝膠體系，形成單向周期性傳遞化學脈沖波，其時空動力學行為受反應底物濃度NaBrO3，H+，MA和溫度的影響，通過改變實驗參數可以調制周期性傳遞化學脈沖波時空動力學行為，從而改變耦合體系信息傳遞能力。這對于解釋一維耦合體系中非線性反應-擴散動

力學現象有重要意義, 有助于我們理解生化體系中信息的形成和傳遞。

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Chemical Pulse Waves Propagating Uniaxially in the One-dimensional BZ Gel System

LUOHai-nan1,2,LUCun-cun1,WANGChen-long1

(1 College of Chemical Engineering, China University of Mining and Technology, Jiangsu Xuzhou 221116;2 Zaozhuang University, Shandong Zaozhuang 277100, China)

The spatio-temporal pattern during the reaction-diffusion course was reported in the one-dimensional BZ gel, in which the unidirectional propagation chemical pulse waves were observed and their propagation distance displayed periodical variation. The influence of experimental parameters to the dynamic of chemical pulse waves was investigated. The study of spatio-temporal pattern in the one-dimensional BZ gel is helpful to understand the message propagation and modulation in biochemical systems.

BZ gel; chemical pulse wave; reaction-diffusion

羅海南(1979-)，男，教師，主要從事應用化學。

O643

A

1001-9677(2016)05-0131-03