化学波在一维BZ凝胶体系中的单向传递

罗海南，鹿存存，王臣龙

(1 中国矿业大学化工学院，江苏　徐州　221116；2 枣庄学院，山东　枣庄　277100)



化学波在一维BZ凝胶体系中的单向传递

罗海南1,2，鹿存存1，王臣龙1

(1 中国矿业大学化工学院，江苏徐州221116；2 枣庄学院，山东枣庄277100)

研究了化学波在一维BZ凝胶中单向传递, 观察到了化学波传递时空斑图, 其传播距离呈现周期性变化。考察了实验参数改变对化学脉冲波动力学行为的影响，一维化学脉冲波的时空演化有助于理解生化体系中信息的传递和调制。

BZ凝胶；化学波；反应-扩散

激发介质中传递的化学波可以帮助我们理解生命体系中信号的传递和调制[1],比如神经脉冲波的传递[2-3]， 就是通过一维体系中相关反应物的扩散来达到信号传递的目的。基于一维反应-扩散过程，还能开发出新奇的人工信号处理方式，比如化学二极管[4-5]，逻辑门[6]和化学滤波器[7]等。近年来许多科学家都将非线性反应-扩散化学体系作为研究信息传导或处理的模型，在实验和理论上加以研究。其中Belousov-Zhabotinsky (BZ)反应具有极其丰富的时空动力学行为而作为研究反应-扩散行为的实验模型[8-9]，能够在很大程度上模拟生化体系中信号传递和处理能力，其在二维介质中的螺旋波[10]和三维介质中卷波[11]的已被广泛研究。

而实验方面对狭窄空间反应-扩散系统中产生的各种非线性时空斑图的研究也引起了日益关注。特别是一维反应-扩散时空动力学行为的研究逐步开展起来。Tóth等报道了玻璃毛细管中均相体系传递的化学波在毛细管内径小于某一临界值时，化学波只能在狭窄管道中传播而无法传递到外部均相溶液中，认为毛细管中传递的化学波具有信息处理能力[12-13]。Kitahata等在圆锥管中研究了化学波的传递，并探讨了玻璃管表面效应对传播距离的影响[14]。其它狭窄空间体系，如一维BZ反应耦合凝胶体系[15]和微乳液体系[16]等都逐渐开展起来。

本论文将典型的BZ反应催化剂接枝共聚于凝胶分子链上，合成于一维玻璃毛细管中，耦合BZ反应底物 得到开放且无对流的一维单向反应-扩散耦合体系，化学物质在嫁接了催化剂的凝胶分子链空间网格中反应-扩散，能够形成类似于神经信号传递的化学波，单向传递并且传播距离周期性变化。重点考察了各种反应底物和实验条件对化学脉冲波动力学行为的影响，更好地帮助我们理解生化反应-扩散体系中信息的传递和处理过程.

1　实　验

1.1BZ凝胶的制备

1.2化学波传播观察

将纯化后的一端开口的位于毛细管中的BZ凝胶浸入20 mL BZ反应液中，维持反应温度为22 ℃。 BZ凝胶中时空动力学行为的监测通过搭建的CCD时空采集系统进行采集, 如图1所示。视频采集照相机(CCD)与电脑相连，以LED同轴光源作为背景光，通过对反应过程中图像的处理得到相应空时演化图，改变反应物浓度和实验条件以考查各种参数下一维BZ凝胶中单向脉冲化学波的时空动力学行为。

图1　化学波图像采集装置

2　结果与讨论

2.1一维BZ凝胶中单向传递的化学脉冲波

图3　一维BZ凝胶中单向传递的化学脉冲波

如图3所示，处于毛细管中的BZ凝胶右端密闭，左端开放与BZ反应溶液接触，反应物(无催化剂)只能从左端向右单向扩散。经过大概5 min诱导期，右端激发出现向左单向传递的化学脉冲波。随着反应-扩散的逐步深入，化学脉冲波传播距离也逐渐变大。通过沿凝胶中心轴水平方向做时空演化图可以看出(如图4所示)， 向左单向传递的化学脉冲波传播距离还呈现出周期性变化趋势，这是因为化学脉冲波的传递主要依靠中间产物HBrO2扩散来实现，根据FKN机理[9]可知：

(1)

(2)

(3)

通过反应(1)的进行，抑制剂Br-被大量消耗，当Br-浓度低于某一临界值时，自催化反应过程(2)开始占据主导地位，产生大量自催化剂HBrO2，推动化学脉冲波向前传递。在反应过程C中，Br-再次大量产生，HBrO2受到抑制，化学脉冲波消失。 BZ反应周而复始，自催化剂HBrO2浓度也随之周期性涨落，化学脉冲波也就周期性产生，通过耦合扩散过程，出现了传播距离周期性变化的化学脉冲波，此过程持续时间可以超过24 h。

图4　一维BZ凝胶中单向传递的化学脉冲波的时空图

2.2实验条件对化学波传播的影响

一维BZ响应性凝胶体系中化学脉冲波动力学行为受BZ反应溶液组成影响显著。从图5可以看出, 逐渐增大NaBrO3浓度，脉冲化学波波速逐渐增大。这是因为NaBrO3浓度增大有利于FKN机理中反应(1)过程进行， 此过程中大量消耗了Br-，体系抑制性下降，同时NaBrO3浓度增大还促进了自催化反应过程(2)，使活性中间物HBrO2浓度上升，体系激发性也因此上升，促进了化学脉冲波频率增大，波速上升。

图5　一维BZ凝胶体系中化学波波速随NaBrO3浓度变化情况

图6　一维BZ凝胶体系中化学脉冲波波速随HNO3浓度变化情况

图7　一维BZ凝胶体系中化学脉冲波波速随MA浓度变化情况

从图6可以看出, 逐渐增大HNO3浓度也促进了脉冲化学波波速增大。这是因为HNO3浓度增大，体系pH下降，有利于Br-消耗和HBrO2产生。从图7可以看出，增大MA浓度不利于化学脉冲波的传递，使波速下降。由FKN机理过程C可知，随着MA浓度的增大，有利于抑制剂Br-的生成，体系激发性下降，抑制了化学波的传递。

温度对化学脉冲波的影响具有双重效应，如图8所示，在较低温度区间范围内，随着温度的增大，一维凝胶化学脉冲波的波速逐渐上升，到24 ℃以后继续升温波速又逐渐下降。其原因一方面，由Arrenius方程可知，随着温度升高，化学反应速率增大，化学波波速增大。另外一方面，BZ凝胶具有温度响应性，温度升高使凝胶分子链氢键遭到破坏，分子链亲水性下降，凝胶分子链收缩，抑制了化学反应物质在凝胶空间网格中的扩散，这就导致了化学脉冲波波速随温度的升高而下降了，所以温度对一维BZ凝胶中化学脉冲波的波速的影响存在正负两个影响因素。在开始阶段温度升高的过程中，聚合物的空间网格效应不占据主导地位，化学反应速率增大促进了化学波速的增大。继续升温聚合物的空间网格效应突增，超过BZ凝胶的最低临界相转变温度转折点后(LCST)，对波速的抑制效应占主导地位，所以化学脉冲波波速下降了。

图8　一维BZ响应性凝胶体系中化学脉冲波波速随温度浓度变化情况

3　结　论

通过构建一维非线性反应-扩散耦合凝胶体系，形成单向周期性传递化学脉冲波，其时空动力学行为受反应底物浓度NaBrO3，H+，MA和温度的影响，通过改变实验参数可以调制周期性传递化学脉冲波时空动力学行为，从而改变耦合体系信息传递能力。这对于解释一维耦合体系中非线性反应-扩散动

力学现象有重要意义, 有助于我们理解生化体系中信息的形成和传递。

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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

罗海南(1979-)，男，教师，主要从事应用化学。

O643

A

1001-9677(2016)05-0131-03