DNA引物抑制剂对Q355低碳钢在模拟海水中的腐蚀抑制性能及其作用机制

《Surfaces and Interfaces》：Inhibition properties and mechanism of DNA primer inhibitor for Q355 mild steel corrosion in simulated seawater

DNA聚合物作为新型防腐剂，通过基因合成技术制备并用于Q355钢在模拟海水中的腐蚀抑制研究。实验表明，4%浓度的DNA抑制剂可使钢的腐蚀率降低97.8%，其机理包括在钢表面形成致密保护膜、通过磷酸基团与铁原子化学吸附增强界面结合，以及分子动力学模拟证实DNA分子与Fe(110)晶面的特异性相互作用。表面粗糙度从196nm降至47.1nm，XPS分析显示Fe2?/Fe3?比例升高，证实抑制剂有效抑制了阳极溶解和阴极还原反应，同时过高浓度导致DNA分子团聚反而降低防护效果。研究为海水环境中钢筋混凝土结构防腐提供了新思路。

　　本研究探讨了一种基于生物序列合成的DNA引物抑制剂对Q355低碳钢在模拟海水环境中的腐蚀抑制效果及其作用机制。Q355低碳钢作为一种广泛应用的建筑材料，其在海洋环境中的耐腐蚀性能一直是工程领域关注的焦点。由于自然海水环境中含有多种腐蚀性物质，如氯离子、硫酸根离子、碳酸根离子、生物活性物质等，这些物质容易穿透混凝土保护层，直接作用于钢筋表面，引发快速腐蚀反应。因此，寻找一种高效、环保的腐蚀抑制剂对于提高建筑结构的耐久性和安全性具有重要意义。

### DNA引物抑制剂的合成与特性

DNA引物抑制剂是通过基因合成技术，基于特定生物核酸序列合成的材料。本研究中所使用的DNA引物序列是TCAGTCAG…TCAGTC，由50个脱氧核苷酸单体组成，具有单链螺旋结构。这种结构使其在金属表面具有良好的吸附性能，能够通过分子间的相互作用，如范德华力和氢键作用，形成一层保护膜，从而阻止腐蚀性离子与金属表面的接触。这种抑制剂的优势在于其来源于生物分子，具有天然的可降解性和低毒性的特点，符合绿色可持续发展的理念。

### 实验设计与测试方法

为了评估DNA引物抑制剂的腐蚀抑制效果，本研究采用了多种实验方法，包括质量损失测试、电化学测试（开路电位、电化学阻抗谱、动电位极化曲线）以及表面形貌分析（原子力显微镜和扫描电子显微镜）。此外，还利用X射线光电子能谱（XPS）和分子动力学模拟（MD）对DNA引物抑制剂的吸附行为和作用机制进行了深入分析。

在实验中，模拟海水溶液按照ASTM D1141-98标准配制，包含NaCl、MgCl?、Na?SO?、CaCl?和KCl等成分。为了研究DNA引物抑制剂的浓度对其抑制效果的影响，实验设置了2%、4%和8%三种不同浓度的DNA引物抑制剂，与未添加抑制剂的空白样品进行对比。实验结果表明，4%浓度的DNA引物抑制剂对Q355低碳钢的腐蚀抑制效果最佳，其抑制效率高达97.8%。

### 腐蚀抑制效果分析

通过质量损失测试，研究人员发现，在模拟海水环境中，加入4% DNA引物抑制剂的样品其质量损失最小，表明其对腐蚀的抑制效果最显著。电化学测试进一步验证了这一结论，结果显示，加入DNA引物抑制剂后，Q355低碳钢的自腐蚀电位显著提高，说明其表面形成了有效的保护层，降低了腐蚀反应的活性。此外，开路电位（OCP）曲线表明，DNA引物抑制剂的加入延缓了自腐蚀电位的下降过程，表明其能够有效延缓腐蚀膜的破坏，从而延长金属材料的使用寿命。

电化学阻抗谱（EIS）分析显示，加入DNA引物抑制剂的样品在高频区域表现出更高的阻抗值，表明其在金属表面形成了更稳定的保护膜。同时，随着浸泡时间的延长，样品的阻抗值逐渐下降，但加入4% DNA引物抑制剂的样品表现出更稳定的阻抗特性，说明其在长时间浸泡过程中仍能保持较高的保护性能。动电位极化曲线（PDP）测试进一步表明，DNA引物抑制剂显著降低了腐蚀电流密度，同时提高了腐蚀电位，这表明其能够有效抑制金属的阳极和阴极反应，从而减缓腐蚀速率。

### 表面形貌分析

通过扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）分析，研究人员观察到加入DNA引物抑制剂后，Q355低碳钢表面的粗糙度显著降低。未添加抑制剂的样品表面出现了明显的点蚀现象，而加入4% DNA引物抑制剂的样品表面则相对光滑，腐蚀产物较少。这一结果表明，DNA引物抑制剂能够在金属表面形成一层致密的保护膜，从而有效阻止腐蚀性物质的渗透和反应。

### XPS分析与分子动力学模拟

X射线光电子能谱（XPS）分析显示，DNA引物抑制剂能够吸附在Q355低碳钢表面，并参与形成氧化铁和氢氧化铁等腐蚀产物的生成。通过对Fe 2p谱的分析，研究人员发现，加入DNA引物抑制剂后，Fe2?与Fe3?的比例有所增加，这表明DNA分子能够降低金属表面的氧化程度，从而提高其耐腐蚀性能。

分子动力学模拟进一步揭示了DNA引物抑制剂与铁表面之间的相互作用机制。模拟结果表明，DNA分子在铁表面具有较强的吸附能力，能够通过化学键和物理吸附方式与金属表面结合。这种吸附作用不仅增强了保护膜的稳定性，还减少了腐蚀性离子与金属表面的接触，从而降低了腐蚀反应的速率。同时，模拟还显示，当DNA引物抑制剂的浓度超过4%时，其吸附能力出现下降，可能与分子间的聚集现象有关，这可能导致保护膜的形成受到阻碍。

### 抑制机制探讨

从实验结果来看，DNA引物抑制剂的作用机制主要体现在以下几个方面：

1. **形成保护膜**：DNA引物分子能够通过吸附作用在金属表面形成一层致密的保护膜，有效阻挡腐蚀性离子的渗透，从而降低腐蚀反应的速率。
2. **降低腐蚀电流密度**：DNA引物抑制剂能够显著降低腐蚀电流密度，表明其能够有效抑制金属的阳极溶解过程。
3. **提高自腐蚀电位**：加入DNA引物抑制剂后，金属的自腐蚀电位显著提高，这表明其能够有效延缓腐蚀反应的发生。
4. **减少腐蚀产物生成**：DNA引物抑制剂能够显著减少金属表面的腐蚀产物生成，提高其表面的光滑度和完整性。

### 结论

本研究开发了一种新型的DNA引物抑制剂，并通过多种实验方法验证了其在模拟海水环境中的腐蚀抑制效果。实验结果表明，4%浓度的DNA引物抑制剂对Q355低碳钢的腐蚀抑制效果最佳，其抑制效率高达97.8%。该抑制剂不仅能够显著降低腐蚀速率，还能有效提高自腐蚀电位，减少腐蚀产物的生成，并改善金属表面的粗糙度。此外，XPS分析和分子动力学模拟进一步揭示了DNA引物抑制剂在金属表面的吸附行为和作用机制，表明其能够通过化学吸附和物理吸附方式在金属表面形成稳定的保护膜，从而阻止腐蚀性离子的侵蚀。

综上所述，DNA引物抑制剂作为一种新型的绿色材料，在海洋环境中的腐蚀防护方面具有显著的优势。其合成过程基于生物分子，具有良好的生物相容性和环境友好性，同时能够通过多种作用机制有效抑制金属的腐蚀反应。因此，该抑制剂在未来的建筑和海洋工程中具有广阔的应用前景。