金属材料在海洋环境下服役时表面会产生海洋生物污损，严重影响材料的服役寿命，必须对其进行定期清理。以30Cr3高强钢表面海洋生物膜层为清洗对象，采用纳秒脉冲激光清洗海洋生物膜层，对比分析海洋生物膜层激光清洗前后的宏观形貌、微观形貌、元素组成与表面粗糙度，通过高速摄像设备观察清洗过程中的脱附行为，探究不同激光能量密度对海洋生物膜层激光清洗质量与脱附行为的影响。结果表明：黄海海域中浸泡的高强钢表面海洋生物膜层包含主要由有机成分构成的胞外聚合物（EPS）层和主要由石灰质构成的表面硬质附着物两种组分，在不损伤基材的前提下，纳秒脉冲激光清洗高强钢表面海洋生物膜层的效果随激光能量密度的增大而增强，采用9.95 J/cm²的激光能量密度清洗效果最佳，清洗后表面无海洋生物膜层成分残留，表面粗糙度S_a=17.31 μm，较清洗前下降约47.8%，其中，EPS层主要通过烧蚀分解去除，而表面硬质附着物主要通过热弹性振动从表面剥落去除。

小窝蛋白-1(CAV-1)在动脉粥样硬化等心血管疾病的发生发展中发挥关键作用。 为了解槲皮素与CAV-1的相互作用, 在模拟生理环境和不同温度条件下, 采用多光谱法、 同源模建、 分子对接模拟和生物膜(BLI)技术进行研究。 荧光猝灭数据结果显示, 猝灭速率常数Kq值远大于2.0×1010 L·mol-1·s-1, 且猝灭常数KSV随温度升高而降低, 证明槲皮素和CAV-1相互作用的猝灭过程为静态猝灭; 而热力学参数, 焓变ΔH＜0、 熵变ΔS＜0且ΔG＜0, 表明二者的结合过程是自发、 焓驱动的, 其相互作用的主要类型为范德华力和氢键作用。 通过对槲皮素与CAV-1相互作用的同步荧光光谱和三维荧光光谱分析, 随着槲皮素的加入, CAV-1的荧光强度逐渐降低, 证明二者之间发生了相互作用。 进一步分析发现, 同步荧光光谱中槲皮素使CAV-1中的芳香族氨基酸残基的最大发射波长发生了轻微红移, 周围的微环境极性增强, 亲水性增加, 表明槲皮素的加入使CAV-1的蛋白质构象发生了改变。 紫外-可见光谱结果显示, CAV-1与槲皮素之间形成了一个基态复合物, 进一步证实了CAV-1与槲皮素之间的静态猝灭机制。 采用同源模建技术建立CAV-1的X射线晶体结构模板。 分子对接模拟结果显示两者结合力为-7.372 kcal·mol-1。 对接结果表明槲皮素结合点位于由GLU20, ASP70, VAL16和ARG19等氨基酸形成的活性口袋中, 与GLN21, VAL16和ARG19位点产生范德华力作用, 与GLU20, ASP70位点存在氢键作用力。 各种作用力影响了CAV-1的微环境变化, 导致其荧光猝灭, 是参与复合物形成的关键因素。 最后, 利用BLI技术对槲皮素和CAV-1的结合进行定量研究, 研究结果显示, 二者具有良好的的结合活性, 结合解离平衡常数KD值为2.50×10-5 mol·L-1; 其响应信号值随槲皮素浓度的升高而增强, 表明CAV-1与槲皮素之间存在特异性结合。 该研究有助于了解槲皮素与CAV-1的相互作用机制, 为槲皮素治疗动脉粥样硬化的作用靶点研究提供参考。Multi-Spectroscopy Methods

目的：探讨以甲苯胺蓝O(toluidine blue O, TBO)为光敏剂的光动力疗法(photodynamic therapy, PDT)抑制大鼠混合菌生物膜内主要致龋菌作用的影响。方法：以变形链球菌、血链球菌、嗜酸性乳杆菌和粘性放线菌为实验菌株, 建立牙菌斑生物膜模型。实验分为5组, 将40只大鼠随机分配, 8只大鼠为一组:A组用生理盐水处理, 作为阴性对照; B组用洗必泰处理, 作为阳性对照组; C组单纯激光组, 选择波长为630 nm, 应用输出强度为105 mW/cm2, 照射时间为9 min。D组单纯光敏剂组, 光敏剂浓度100 mg/L避光孵育5 min。E组TBO-PDT组, 光敏剂浓度为100 mg/L然后避光孵育5 min后, 应用波长为630 nm, 输出强度为105 mW/cm2进行激光照射。每只大鼠口腔分为4个区, 均选择每区内最后2个磨牙, 每只大鼠共计8个样本牙。平板菌落计数观察牙菌斑生物膜活性, 组织病理切片观察PDT对实验动物口腔软组织的影响。扫描电镜观察PDT作用前后牙齿表面形态的变化。结果: 与生理盐水处理组, 洗必泰处理组相比, TBO-PDT处理组牙菌斑内致龋菌存活的数量( CFU/mL)明显减少(P<0.05),其抑菌率为89.07%; 而C组与D组无明显抑菌效果。扫描电镜显示TBO-PDT组的磨牙表面比较光滑, 脱矿孔表浅。病理切片示TBO-PDT组牙周组织无明显损伤。结论：实验表明光动力疗法有明显的防龋效果, 且对牙体硬组织及牙周组织无明显损伤。

研究了厌氧-缺氧-好氧移动床生物膜(MBBR)工艺对校园污水的处理效果, 采用三维荧光光谱和紫外光谱分析了污水处理过程中溶解性有机物(DOM)的降解特性及其组成特征。 结果表明, MBBR对校园污水具有较好的去除效果, COD, NH3-N, TN, TP和DOC的去除率分别达到83.0%, 70.9%, 52.4%, 59.2%和62.2%。 三维荧光光谱显示有3个明显的特征荧光峰, 其中心位置分别在Ex/Em=230 nm/325 nm(T峰)、 Ex/Em=280 nm/350 nm(S峰)、 Ex/Em=350 nm/440 nm(R峰)附近, 污水中荧光类溶解性有机物主要包括类色氨酸(Trp)、 类溶解性微生物代谢产物(SMP)和类腐殖酸(HA)。 DOM特征荧光峰的中心位置及荧光强度随处理流程而变, 说明污水中DOM的组成和相对含量经MBBR处理后发生变化。 其中, 类色氨酸、 类溶解性微生物代谢产物荧光特征峰近乎消失, 表明MBBR对这两类有机物质去除效果显著; 溶解性微生物代谢产物荧光强度在厌氧池、 缺氧池、 好氧池分别为进水的37.1%, 20.3%, 13.1%, 表明MBBR的各生化阶段, 微生物均能很好的降解SMP; 但类腐殖酸(R峰)荧光强度降低较小, 微生物对类腐殖酸总的去除效果不明显。 在MBBR工艺流程中, DOM腐殖化指数HIX、 荧光指数FI、 生物源指数BIX均逐渐增大, 微生物对有机污染物降解起到了关键作用。 其中, HIX值在缺氧池、 好氧池、 出水中增大到4以上, 经MBBR处理后, DOM腐殖化程度和成熟度逐渐增加; 缺氧池、 好氧池及出水的荧光FI值接近1.9(分别为1.899, 1.881, 1.887), 说明其中类腐殖质有机物主要源于微生物代谢活动; 缺氧池、 好氧池及出水中DOM的 BIX值约为1.0(依次为0.985, 1.018, 0.979), 说明缺氧池、 好氧池及出水中DOM也主要源于微生物代谢或死亡。 污水的紫外特征值E250/E365随工艺流程逐渐减小、 SUVA254不断增大, 表明经MBBR处理后, 污水中DOM类型和含量均发生了较大变化, 有机物的共轭不饱和双键或芳香性基团增多, 聚合度、 腐殖化程度、 分子质量增大。

目的: 体外构建符合人体生理环境的龋齿模型, 探讨光动力疗法(Photodynamic therapy, PDT)防龋过程中, PDT对口腔生物膜中致龋菌变形链球菌以及远缘链球菌的作用; 分析PDT防龋不同剂量的光敏剂以及激光能量对龋齿菌斑抑菌效果的影响, 为防龋的临床实践提供实验依据。方法: 通过体外远缘链球菌和变形链球菌体外抑菌实验, 选择合适的光敏剂和激光剂量; 选用变形链球菌以及远缘链球菌在体外构建符合人体生理环境的龋齿模型, 并对人工龋模型中口腔生物膜生长曲线进行检测, 以及釉质块表面显微硬度测定; 检测HMME-PDT对细菌生长活力以及产酸的影响, 采用显微硬度分析龋齿表面硬度变化, 探讨PDT防龋的作用机制。结果: 通过在体外对变形链球菌以及远缘链球菌的培养实验, 选定HMME-PDT防龋的最佳HMME剂量为50 μg/ml, 激光光照剂量为78 J/cm2; 将牙釉质与致龋菌的共培养成功构建人工龋模型, 人工龋齿组釉质表面显微硬度显著低于致龋前, 差异有统计学意义(P＜0.05); 口腔生物膜内致龋菌的生成曲线在第3天达到平台期; PDT防龋可有效的抑制人工龋口腔生物膜中远缘链球菌以及变形链球菌的生长活力和产酸能力, 相比于阴性对照组, 差异有统计学意义(P＜0.05), 从而维持人工龋釉质块表面显微硬度, 并显著高于其他组, 差异有统计学意义(P＜0.05); 在大鼠龋齿模型中, PDT治疗能够显著改善大鼠牙龈上皮组织, 骨组织等的异常。结论: 选择合适的光敏剂剂量以及最佳的激光光照剂量, 可有效的抑制人工龋口腔生物膜中远缘链球菌以及变形链球菌的生长活力, 抑制其产酸能力, 从而防止釉质的表面显微硬度进一步被破坏, HMME-PDT在龋齿的治疗中有着重要的临床价值。

目的: 探讨不同光敏剂浓度和不同光照时间的HMME-PDT对大鼠口腔混合菌菌斑生物膜的抑制效果, 确定最佳光敏剂参数和时间参数, 并在此基础上探讨HMME-PDT在抑制混合菌菌斑生物膜的优势, 为PDT应用于龋病的预防提供理论与实验依据。方法: 以 Wistar 大鼠构建混合菌致龋模型。将其随机分组: A组为生理盐水阴性处理组, B组为氟化钠阳性对照组, 其余组别根据光敏剂浓度的不同, 分为C1组20 mg/L, D1组30 mg/L, E1组40 mg/L, F1组50 mg/L, G1组60 mg/L, 避光孵育5 min后, 波长为532 nm的半导体激光器照射90 s, 光斑半径为0.5 cm, 功率密度为0.14 W/cm2。根据照射时间的不同, 分为C2组30 s, D2组60 s, E2组90 s, F2组120 s, G2组150 s, 光敏剂浓度40 mg/L避光孵育5 min后用波长为532 nm的半导体激光器照射, 光斑半径为0.5 cm, 功率密度为0.14 W/cm2照射。实验处理后取样, 通过平板菌落计数法观察各组对大鼠口腔混合菌生物膜的抑制作用, 原子吸收分光光度计测定光动力疗法作用后大鼠口腔混合菌生物膜的钙离子溶出量, 评价HMME-PDT对大鼠口腔混合菌菌斑生物膜的抑制作用。结果: 1.不同光敏剂浓度下HMME-PDT对大鼠口腔混合菌菌斑生物膜抑菌效果的影响。平板菌落计数结果显示: 不同光敏剂浓度的各组抑菌率随光敏剂浓度的增加而增高。与阴性对照组及阳性对照组相比E1组有明显差异。2.不同光照时间下HMME-PDT对大鼠口腔混合菌菌斑生物膜抑菌效果的影响。平板菌落计数结果显示: 不同光照时间的各组抑菌率随时间的增加而增高。与阴性对照组及阳性对照组相比E2组有明显差异。3.原子吸收分光光度计测定钙离子溶出量结果显示, 在48小时内, 各组钙离子溶出量(μg/ml)随时间的延长而增加。与阴性对照组相比PDT组各时间点的钙离子溶出量均显著减小(P＜0.05)。与阳性对照组相比PDT各组均能使钙离子溶出量减小(P＜0.05), 其中E1组与E2组改变最明显。结论: HMME-PDT对大鼠口腔混合菌生物膜有明显抑制作用, 实验证实HMME-PDT最佳光敏剂浓度为40 mg/L, 最佳光照时间为90 s。光动力疗法能有效抑制大鼠口腔混合菌菌斑生物膜中的致龋菌, 可减少早期龋病的钙离子溶出量, 不但阻止了釉质继续脱矿, 而且促进了釉质的再矿化。PDT在龋病的预防中具有广阔的临床应用前景。

为了探究不同环境因素对人体生物膜结构的影响, 建立了由磷脂酰胆碱分子构筑的脂质体泡囊模型。对该生物溶致液晶体系在各类外界激励下的响应进行研究。首先, 观测了温度、电场、磁场不同激励作用下液晶相态的变化, 并对结构的损伤破坏临界条件进行测定。其次, 通过引入乙醇、石油醚等化学物质, 研究了生物膜在体液环境变化前后的结构与性质差异。实验结果表明, 生物膜层相的维持温区在-17.3 ℃~94.8 ℃, 高温损伤临界值在45 ℃左右; 人体电磁场短时间接触限值(4 h以内)分别为20 kV/m和40 mT; 乙醇与石油醚在体液中的浓度临界值均在630 mg/100 mL以下。可见, 生物膜结构只能在特定温区内维持完整; 一定强度稳恒电磁场能使膜结构发生变形; 无机盐离子有利于温度变化时生物膜的维持, 但加剧电磁场下损伤; 乙醇与石油醚能抑制膜结构形成, 影响生物膜的稳定性。

微区无损分析可提供物质组成元素的原位分布信息, 以揭示物质形成条件、 元素动态分布过程与相互作用机理、 生物代谢作用等。 文章报道了实验室型微区X射线荧光(μXRF)光谱仪的研发和元素生物地球化学动态分布过程研究结果。 μXRF光谱仪采用15 μm光斑的聚束毛细管X射线透镜为激发源, 选用分辨率为135 eV的硅漂移探测器(SDD), 样品和探测器间角度可调, 使之可进行异型样品如地质样品的原位分析, 利用五轴自控实现样品时空四维元素分布测定。 利用该μXRF光谱仪测定了矿物-生物膜间的元素迁移和玉米种发芽过程中的元素分布, 发现(1)生物膜可吸附、 富集毒性元素铅, 是重金属的重要汇集地, 最大富集系数1.7。 (2)生物膜是金属从固态矿物相经水相进入生态系统的重要途径。 (3)在玉米种子中, 可检测到K, Ca, Mn, Fe, Cu, Zn和Pb。 Zn主要在胚乳中分布, 胚中有少量Zn存在; 在胚乳和胚中存在微量Fe; 胚乳中存在微量Pb, 胚中未观测到Pb。 (4)经含Pb溶液浸泡发芽后, K在玉米种中胚和胚乳中部分富集, Fe分布在种皮和胚乳中, Cu和Zn主要在胚乳中分布; Pb主要在胚根、 胚轴和胚芽中分布, 且Pb在新生根中高度富集。 研究表明, 在种子萌发阶段, Pb等毒性元素可被植物滞留于根部, 制约了其向地上部的转移, 从而揭示了植物对毒性元素的耐受机制。

目的: 探讨450 nm-470 nm可见光(蓝光)是否具有杀灭浮游状态和生物膜内铜绿假单胞菌的作用。方法: 分别采用不同能量密度的蓝光照射浮游状态铜绿假单胞菌, 与红光对照组、空白对照组相比, 将照射后细菌采用平板涂板法评价蓝光杀菌效果; 制作铜绿假单胞菌生物膜模型, 16 J/cm2能量密度蓝光照射后通过激光共聚焦显微镜和扫描电子显微镜观察生物膜内细菌存活情况以及生物膜结构变化。结果: 与空白对照组相比, 2 J/cm2及以上能量密度组蓝光照射后, 细菌数目明显减少, 杀菌率明显增加(P<0.05), 并呈剂量效应关系; 16 J/cm2能量密度光照后生物膜内细菌死亡数较空白对照组明显增加且生物膜结构变稀疏。结论: 450 nm-470 nm可见光(蓝光)具有高效杀灭浮游状态和生物膜内铜绿假单胞菌的作用。

目的:体外观察不同光敏剂浓度和不同激光能量密度的TBO-PDT抑制离体牙根管内粪肠球菌的效果, 确定最佳光敏剂参数和激光参数, 并在此基础上探讨TBO-PDT在抑制离体牙根管内粪肠球菌上的作用优势, 为PDT应用于根管消毒的临床实践提供理论与实验依据。方法:对离体牙进行根管预备, 接种粪肠球菌, 厌氧培养21 d后建立粪肠球菌感染根管模型。将其随机分组:A组为阴性对照组, 以生理盐水冲洗根管;B组为阳性对照组, 以5.25%NaClO冲洗根管;其余组别根据光敏剂浓度的不同, 分为C1组80 μg/mL、D1组90 μg/mL、E1组100 μg/mL、F1组110 μg/mL、G1组120 μg/mL, 避光孵育5 min后用波长为630 nm功率密度为90 mW/cm2半导体激光在根管内上下提拉螺旋照射90 s;根据光照时间的不同, 分为C2组30 s、D2组60 s、E2组90 s、F2组120 s、G2组150 s, 光敏剂浓度为100 μg/mL避光孵育5 min后,用波长为630 nm功率密度为90 mW半导体激光在根管内上下提拉螺旋照射各实验组牙标本, 实验处理前后即刻取样, 厌氧培养24 h, 计数平板菌落, 明确实验处理前后根管内粪肠球菌的数量变化。结果:(1)不同光敏剂浓度下TBO-PDT对根管内粪肠球菌抑菌效果的影响。平板菌落计数结果显示:不同光敏剂浓度的各组抑菌率随光敏剂浓度的增加而增高。与阴性对照组相比, C1组、D1组、E1组、F1组和G1组的抑菌率显著提高, 而F1组和G1组两组间抑菌率没有明显差异。(2)不同光照时间对TBO-PDT抑制实验根管内以生物膜形式存在的粪肠球菌的抑菌效果。平板菌落计数结果显示:不同光照时间的各组抑菌率随光照时间延长而增高。与阴性对照组相比, 其中C2组、D2组、E2组、F2组和G2组的抑菌率明显升高, 而F2组和G2组两组间抑菌率没有明显差异。结论:TBO-PDT对以生物膜形式存在的粪肠球菌有明显的抑制作用, 实验证实TBO-PDT最佳光敏剂浓度为110 μg/mL, 最佳光照时间为120 s。