Modelling and measurement of diffusion to and across bio-membranes and interfaces

生物膜和界面扩散的建模和测量

基本信息

  • 批准号:
    2446244
  • 负责人:
  • 金额:
    --
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    英国
  • 项目类别:
    Studentship
  • 财政年份:
    2020
  • 资助国家:
    英国
  • 起止时间:
    2020 至 无数据
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Background Syngenta Group is the world's largest Agroscience company. Core to the biological effects of the products they sell is understanding and predicting the movement of chemicals across bio-membranes such as leaf surfaces and how this competes with available loss mechanisms. This is envisaged to become increasingly important as precision applications grow. The project will bring together the two key areas of measuring and modelling the desired and undesired processes to develop scientific insight and methodologies for quantitatively describing, simulating, and predicting transport under realistic conditions.The Compton Group have extensive expertise in the modelling of interfacial processes allowing for coupled mass transport, adsorption/desorption and homo- and heterogeneous chemical kinetics both in nano-scale and macro-scale experiments. Moreover, the Compton group are experts in using electrochemistry and fluorescence spectroscopy to study interfacial processes. All three methodologies will be used in the project.Project The bio-membranes studied will be based on a model 'waxy layer'. Model active ingredients (Ai's) that are electroactive and/or fluorescent will be used from two possible starting points, namely from a nano-particle in an aqueous solution or from a saturated aqueous solution. In the first case how the nano-particle moves to the waxy layer, dissolves and is then transported across the membrane will be studied and modelled. This project will study the impact of parameters such as the size and shape of the particle, the role of poly-dispersity, the particle's diffusion coefficient, the rate of dissolution at the particle/solution interface (with the limits of kinetic vs solubility control), the diffusion coefficient and solution chemistry of the released molecule, and the rate of interfacial uptake of the released molecule (with limits between kinetic and thermodynamic control). Simulation will be performed via student coded finite difference methods and COMSOL. Electrochemical methods will be used to study the detection and loss of single nano-particles in the vicinity of a model leaf via so-called 'nano-impact' experiments, which will characterise the diffusion of the particles, noting that the finite size of the particles leads to hindered diffusion near interfaces. Second a fluorescence microscope will allow fluorescent nano-particles arriving at interfaces to be monitored simultaneously with monitoring the uptake of fluorescent molecules by the model 'waxy layer' to give insight into the interfacial dynamics at the water/waxy layer interface system developed by Syngenta to mimic leaf surfaces.For the second case the same type of study will be performed but crystallisation of the Ai system will compete with the uptake across the membrane. With successful description of these two cases, two directions of increasing complexity would be followed. First is repeating the analysis with a second model Ai system to allow investigation of the mixed system when both Ai's are present, addressing the question as to if this leads to differential uptake and how to describe this. Second is analysis of the impact of the addition of a formulation additive, thought to disrupt the characteristics of the waxy layer, and investigating if this alters the dissolution/precipitation of the model Ai as well as the uptake. In all cases theory would synergise with experiments. Alignment The proposed project requires the application of fundamental physics and chemistry in the area of biological systems. This project falls within the EPSRC 'Biophysics and Soft Matter Physics' research area within the 'Physical Sciences' theme. The fundamental information and capability generated is potentially transformative in the area of chemical uptake and transport in plants, an area at the very heart of Syngenta's interests.
背景先正达集团是世界上最大的农业科学公司。他们销售的产品的生物效应的核心是了解和预测化学物质在叶表面等生物膜上的移动,以及这如何与现有的损失机制竞争。随着精密应用的增长,这一点预计将变得越来越重要。该项目将把测量和模拟所需和不所需过程的两个关键领域结合起来,以开发科学见解和方法来定量描述、模拟和预测现实条件下的传输。康普顿集团在纳米级和宏观级实验中允许耦合质量传输、吸附/解吸以及同质和非均相化学动力学的界面过程建模方面拥有丰富的专业知识。此外,康普顿团队是使用电化学和荧光光谱来研究界面过程的专家。这三种方法都将用于该项目。该项目所研究的生物膜将基于一种“蜡质层”模型。电活性和/或荧光的模型活性成分(AI)将从两个可能的起点使用,即从水溶液中的纳米颗粒或从饱和水溶液中使用。在第一种情况下,将研究纳米粒子如何移动到蜡状层,溶解,然后通过膜传输。本项目将研究各种参数的影响,如颗粒的大小和形状、多分散性的作用、颗粒的扩散系数、颗粒/溶液界面的溶解速度(受动力学和溶解度控制的限制)、释放分子的扩散系数和溶液化学、以及释放分子的界面吸收速率(受动力学和热力学控制的限制)。模拟将通过学生编码的有限差分法和COMSOL进行。我们将利用电化学方法,通过所谓的“纳米撞击”实验,研究单个纳米粒子在模型树叶附近的探测和损失,这将表征粒子的扩散,指出粒子的有限大小导致界面附近的扩散受阻。其次,荧光显微镜将允许监测到达界面的荧光纳米颗粒,同时监测模型‘蜡层’对荧光分子的吸收,以深入了解先正达开发的模拟树叶表面的水/蜡层界面系统的界面动力学。对于第二种情况,将进行相同类型的研究,但AI系统的结晶将与跨膜吸收竞争。成功地描述了这两个案例后,将遵循两个日益复杂的方向。首先是用第二个模型人工智能系统重复分析,以便在两个人工智能系统都存在的情况下对混合系统进行研究,解决这是否会导致不同摄取以及如何描述这一问题。第二是分析添加配方添加剂的影响,认为这会破坏蜡质层的特性,并调查这是否会改变模型Ai的溶解/沉淀以及吸收。在所有情况下,理论都将与实验协同。对齐拟议的项目需要在生物系统领域应用基础物理和化学。这个项目属于EPSRC的“生物物理学和软物质物理”研究领域,属于“物理科学”主题。所产生的基本信息和能力在植物中的化学品吸收和运输领域具有潜在的变革性,这是先正达利益的核心领域。

项目成果

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知道了