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水面上單分子層膜通過(guò)磷脂光控開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)可逆光學(xué)控制：摘要、介紹、實(shí)驗(yàn)
來(lái)源：上海謂載 瀏覽 918 次 發(fā)布時(shí)間:2022-06-23
摘要
我們利用表面敏感技術(shù)振動(dòng)SUM頻率產(chǎn)生光譜結(jié)合表面壓力測(cè)量，對(duì)水中自組裝的偶氮苯基光開(kāi)關(guān)脂質(zhì)單層進(jìn)行了分子深入研究。光脂質(zhì)可經(jīng)歷波長(zhǎng)依賴的、光觸發(fā)的順/反和順/反異構(gòu)化，允許可逆控制表面壓力和單層中脂質(zhì)的分子順序。如果光開(kāi)關(guān)脂質(zhì)與傳統(tǒng)磷脂（如1,2-二棕櫚酰-sn-甘油-3-磷酸膽堿（DPPC））嵌在一層中，我們表明，在偶氮苯基脂質(zhì)的兩種狀態(tài)之間切換會(huì)影響DPPC的表面壓力和分子順序。值得注意的是，具有較高表面壓力的狀態(tài)（順式狀態(tài)）以較低的分子有序度為特征。這個(gè)違反直覺(jué)的結(jié)果可以通過(guò)注意到順式狀態(tài)的偶氮苯部分具有更高的偶極矩來(lái)理解，因此有利于與水的相互作用。該系統(tǒng)的表面自由能通過(guò)與界面上的脂質(zhì)頭基的靜電相互作用而降低（表面壓力增加），導(dǎo)致脂質(zhì)尾與順式偶氮苯形成環(huán)。這種光開(kāi)關(guān)脂質(zhì)尾部的紊亂擾亂了DPPC的順序。
導(dǎo)言
偶氮苯基表面活性劑分子的自組裝單分子膜是一種獨(dú)特的光開(kāi)關(guān)界面，在納米技術(shù)中具有潛在的傳感器應(yīng)用前景。1-3波長(zhǎng)約400 nm的光在順式和反式狀態(tài)之間切換表面活性劑可導(dǎo)致表面壓力、表面電位、囊泡穩(wěn)定性和臨界膠束濃度的顯著差異。2,4-7還表明，將偶氮苯基表面活性劑嵌入人工膜中，可以對(duì)機(jī)械敏感膜通道蛋白的活性進(jìn)行外部光學(xué)控制。8因此，了解開(kāi)關(guān)過(guò)程背后的分子細(xì)節(jié)對(duì)于開(kāi)發(fā)人工門控機(jī)制也很重要，這可能最終用于生物學(xué)和醫(yī)學(xué)應(yīng)用。9盡管開(kāi)關(guān)過(guò)程很重要，但在分子水平上缺乏對(duì)開(kāi)關(guān)過(guò)程的詳細(xì)理解。5.
圖1：。順式和反式構(gòu)型的光開(kāi)關(guān)脂質(zhì)DT Azo-5P和d75 DPPC的分子結(jié)構(gòu)。右上角的插圖顯示了CHCl3中DT Azo-5P的紫外/可見(jiàn)光譜(～在370 nm（順式）和450 nm（反式）下輻照約10 s后，使用7μM，1 cm反應(yīng)杯）。
在此，我們研究了光開(kāi)關(guān)脂質(zhì)DT Azo-5P（圖1）的單分子膜，該單分子膜是純的，并與脂質(zhì)1,2-二棕櫚酰-sn-甘油-3-磷酸膽堿（DPPC）混合。如圖1中的紫外/可見(jiàn)光譜所示，光活性脂質(zhì)可分別在370 nm和450 nm的光照下從其反式狀態(tài)切換到順式狀態(tài)并返回。我們將表面壓力測(cè)量與無(wú)標(biāo)簽、寬帶振動(dòng)和頻產(chǎn)生（VSFG）光譜相結(jié)合。這些技術(shù)使我們能夠研究空氣-水界面上的脂質(zhì)分子單層?？梢垣@得有關(guān)脂類與水分子相互作用的信息以及脂類的分子結(jié)構(gòu)。在非線性光學(xué)技術(shù)VSFG中，紅外（IR）光束和可見(jiàn)光（VIS）光束在界面處組合，產(chǎn)生具有兩個(gè)入射光束和頻率的信號(hào)。如果紅外與分子振動(dòng)共振，信號(hào)就會(huì)強(qiáng)烈增強(qiáng)。研究表明，這種通過(guò)分子振動(dòng)的技術(shù)可以提供有關(guān)脂類分子構(gòu)象和取向的信息。11-18和頻產(chǎn)生在中心對(duì)稱介質(zhì)中是被禁止的，因?yàn)樗且粋€(gè)二階非線性光學(xué)過(guò)程。19因此，該技術(shù)對(duì)中心對(duì)稱材料（例如水表面）的最外表面分子層敏感。相反，缺少信號(hào)表明界面上的材料或分子基團(tuán)是中心對(duì)稱的。對(duì)于金表面偶氮苯功能化的自組裝單分子膜，SFG在確定光異構(gòu)化的截面和機(jī)理方面非常有用。得出的結(jié)論是，光異構(gòu)化是由直接電子激發(fā)驅(qū)動(dòng)的，類似于液相中的偶氮苯。3我們將表明，通過(guò)切換光脂，可以可逆地控制脂質(zhì)的表面壓力和分子順序。在同時(shí)含有光脂和脂質(zhì)DPPC的混合單分子膜中，我們可以通過(guò)光學(xué)切換偶氮苯基脂質(zhì)來(lái)控制DPPC的順序。這為體外控制脂質(zhì)-脂質(zhì)相互作用提供了一種新的手段。
實(shí)驗(yàn)
樣品前面已經(jīng)描述了含偶氮苯的二烷基磷酸酯DT Azo-3P、DT Azo-5P和DT Azo-9P的合成。在VSFG實(shí)驗(yàn)中，將20層DT Azo-5P（或-3P和-9P）單分子膜從0.6 mM氯仿溶液中擴(kuò)散到空氣H2O（微孔，18 MΩ/cm-1）界面上，在自制的7×7 cm2槽中進(jìn)行VSFG實(shí)驗(yàn)，并在6×23 cm2的商用金屬朗繆爾槽（Kibron Inc.，芬蘭）中進(jìn)行等溫線測(cè)量。正常DPPC和d75 DPPC（圖1）從Avanti極性脂質(zhì)中獲得，均溶于氯仿中，濃度約為0.7 mM。兩種脂類的混合物是通過(guò)在表面攤鋪之前混合每種化合物的溶液制成的。每個(gè)分子的面積由散布在水面上的0.5μL液滴的數(shù)量控制。使用中心波長(zhǎng)為370和450 nm、功率分別為8.3和21 mW的二極管在光開(kāi)關(guān)脂質(zhì)的兩種構(gòu)象之間進(jìn)行切換，如圖1所示。我們將370 nm和450 nm輻照后的系統(tǒng)分別稱為“順式”和“反式”狀態(tài)，盡管總是存在構(gòu)象的混合物。由于順式和反式之間的吸收差在370nm左右非常大，因此可以獲得相對(duì)純凈的順式狀態(tài)。如果假設(shè)順式狀態(tài)在390 nm處的吸光度為零（圖1），則該波長(zhǎng)處的吸光度較小是由順式狀態(tài)中存在的反式狀態(tài)引起的。由于390 nm處的吸光度是完全熱平衡跨光譜的5%，我們得出結(jié)論，最多有5%的跨分子對(duì)整個(gè)吸收光譜有貢獻(xiàn)。如果順式狀態(tài)在390 nm處有一個(gè)很小的吸收，則存在的反式分子分?jǐn)?shù)甚至低于這5%。然而，450 nm處順式構(gòu)象和反式構(gòu)象之間的吸收對(duì)比度并沒(méi)有那么大，導(dǎo)致一些順式分子出現(xiàn)在，我們這里稱之為反式狀態(tài)。反式狀態(tài)將被順式分子“污染”。由于反式狀態(tài)對(duì)熱有利，輻照平衡將更多地轉(zhuǎn)移到反式狀態(tài)，從而降低順式污染。通過(guò)將完全熱平衡反式態(tài)的UVvis吸收光譜與450 nm輻照半分鐘后的光譜進(jìn)行比較，可以從觀察中提取順式污染的量，即后一個(gè)光譜可以由完全熱平衡反式光譜的0.75倍和順式光譜的0.25倍構(gòu)成。由此我們得出結(jié)論，反式狀態(tài)中最多存在25%的順式“污染”。如果樣品保持在黑暗中，順式狀態(tài)的UV和SFG光譜在30分鐘內(nèi)不會(huì)發(fā)生變化：顯然，從順式到反式的熱轉(zhuǎn)變很慢。transcis和順-反異構(gòu)化的量子產(chǎn)率都與波長(zhǎng)有關(guān)，通常達(dá)到數(shù)十%。（參見(jiàn)參考文獻(xiàn)21）。
設(shè)置。表面壓力測(cè)量。使用商用張力計(jì)（芬蘭Kibron）以針為探針測(cè)量表面壓力。在壓縮等溫線實(shí)驗(yàn)中，該層以～7?2/分子/分鐘，帶有兩個(gè)移動(dòng)屏障。在等溫線實(shí)驗(yàn)中，用370 nm的光照射樣品約60 s，然后將其攤鋪在表面，制備出分子的順式狀態(tài)。
振動(dòng)和頻發(fā)生光譜學(xué)。使用可見(jiàn)光脈沖（12540 cm-1，～20μJ，帶寬17 cm-1，半最大全寬，fwhm），與寬帶紅外脈沖重疊（中心為2160或2960 cm-1，分別研究C-D和C-H拉伸模式，脈沖能量為～5μJ，半高寬帶寬為150 cm-1）。這些紅外脈沖是由OPG/OPA（TOPAS，光轉(zhuǎn)換）產(chǎn)生的，OPG/OPA由～100 fs放大鈦寶石激光系統(tǒng)（Legend，Coherent，Inc.）。窄帶可見(jiàn)光脈沖提供了實(shí)驗(yàn)的光譜分辨率，而寬帶紅外脈沖允許同時(shí)檢測(cè)多種振動(dòng)模式。10,22為了校正紅外功率的頻率依賴性，VSFG光譜通過(guò)z切石英的參考光譜進(jìn)行歸一化?？梢?jiàn)光和紅外光束相對(duì)于表面法線的入射角分別為35和40。兩條光束都聚焦到大約100μm的束腰?？梢?jiàn)光束的注量足夠低，可以避免偶氮苯部分的雙光子異構(gòu)化，這是通過(guò)比較輻照前后的光譜來(lái)檢查的。VSFG光通過(guò)單色儀進(jìn)行光譜分散，并通過(guò)電子倍增電荷耦合器件（EMCCD和或技術(shù)）進(jìn)行檢測(cè)。除非另有說(shuō)明，否則在s極化VSFG、s極化VIS和p極化IR（SSP）條件下，純DT Azo-5P實(shí)驗(yàn)在60 s內(nèi)記錄VSFG光譜，混合物在180 s內(nèi)記錄VSFG光譜。在我們交替使用順式和反式狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)中，二極管從上方照射系統(tǒng)。二極管發(fā)出的光沒(méi)有聚焦，幾乎照射了整個(gè)槽，因此，由于脂質(zhì)從照射區(qū)域外擴(kuò)散到激光焦點(diǎn)而導(dǎo)致的信號(hào)失真不是一個(gè)重要因素。壓力計(jì)和激光焦點(diǎn)均位于二極管照射區(qū)域內(nèi)。我們始終照射至少100 s（分別對(duì)應(yīng)于370和450 nm的1.51018和4.81018光子），以獲得最大轉(zhuǎn)化率，這從動(dòng)力學(xué)研究中可以明顯看出：照射超過(guò)100 s不會(huì)再改變壓力和VSFG信號(hào)。