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LB膜-石墨烯与磷脂之间的作用【下】

来源:上海谓载 浏览 99 次 发布时间:2022-07-25

GO在DODAB和DSEPC的单层上的吸附。虽然DODAB和DSEPC的两个头部基团具有相同的正电荷量,但其化学结构却大不相同。为了进一步表征DODAB、DSEPC和GO的正电荷头基团之间的相互作用,在表面压力20 mN/m下研究了GO对脂质单层的吸附研究,如图2所示。作为对照实验,首先将DODAB或DSEPC的单层在纯水亚相上压缩至20 mN/m,然后根据经过的时间监测表面压力(图2a,b中的黑色曲线)和表面电位(图2c,d中的黑色曲线)。正如预期的那样,最初压缩到20 mN/m的DODAB和DSEPC单分子膜在纯水亚相上非常稳定。在这两种情况下,6000 s后表面压力仍在18 mN/m左右(图2a,b中的黑色曲线)。表面压力在前1000秒内迅速下降可能是由于压缩后单分子膜松弛所致。还观察到表面电位随时间变化的类似稳定现象,如图2c,d所示。对于GO的吸附,在纯水上将DODAB或DSEPC的单层最初压缩至20 mN/m后,小心并缓慢地将600μL 1 mg/mL GO分散液注入水亚相中,使其达到0.02 mg/mL,然后监测表面压力(图2a、b中的红色曲线)或表面电位(图2c、d中的红色曲线)随时间的变化。值得注意的是,在亚相注入GO达到0.02 mg/mL不会导致空气中的表面压力增加−6000 s的水界面。如图2a,c所示,DODAB单层的表面压力增加到21.3 mN/m,而表面电位在前500 s下降到几乎0 mV。值得注意的是,图2c中的DODAB(红色)的表面电位曲线最初约为300 mV,然后小心缓慢地将GO注入亚相。表面压力和表面电位的变化清楚地表明,DODAB的正铵基和GO的负羧基之间存在静电相互作用。

图2:(a)DODAB和(b)DSEPC单层的表面压力与经过时间。(c)DODAB和(d)DSEPC单层的表面电位与经过时间的关系。黑色曲线:在纯水亚相上将单层压缩至20 mN/m的表面压力。红色曲线:将单层压缩至20 mN/m后,小心地将600μL 1 mg/mL GO分散液缓慢注入单层下方的水亚相中,使GO达到0.02 mg/mL。


As GO是一个非常薄的层(∼1 nm)具有较大的表面积,研究其与脂质相互作用时的取向非常有趣。这里涉及两种可能的方向:“边缘入”和“面入”。“边入”表示GO板材的表面垂直,而“面入”表示水平方向。空中观察−水/水界面可以提供一些见解。我们提出,由于铵基和羧基之间的静电相互作用,GO片通过插入具有“边缘”取向的羧基进入有序的DODAB单层,如图3a所示。也有可能一些GO片在单层下方使用“面内”方向与带正电的头群相互作用。GO纳米片不太可能以“面内”方向并入单层(图3b)。首先,20 mN/m的DODAB单层足够紧密,边缘(约1 nm)比侧面(高达数百纳米)更容易挤压。其次,带负电的羧基主要存在于GO的边缘,而不是侧表面。表面电位的降低也归因于这种静电相互作用,因为带负电荷的结合进入有序的DODAB单层,中和了DODAB的电荷,降低了界面处的偶极矩。

图3.GO在空气中并入DODAB(a,b)和DSEPC(c,d)单层时可能的方向示意图−水界面。


如果GO通过与DODAB相同的方式与DSEPC单层结合,人们期望观察到类似的表面压力和表面电位现象。我们确实发现,当将GO引入亚相时,DSEPC单层的表面电位下降到50 mV左右(图2d,红色曲线),表明DSEPC单层存在偶极矩变化。然而,在DSEPC实验中观察到表面压力非但没有增加,反而降低,如图2b所示。因为DSEPC有很大一部分疏水尾锚定在空气中−水界面,不太可能将DSEPC分子损失到亚相。值得注意的是,在空中−水界面DSEPC的头基团为大块sn甘油-3-乙基磷酸胆碱,带有带正电的胆碱基团和sn-甘油-3-乙基磷酸的强极性基团。当GO从亚相扩散到界面处的DSEPC单层时,带负电的GO可能与DSEPC的带正电的胆碱部分相互作用,但由于受到sn-甘油-3-乙基磷酸的屏蔽而没有渗透到单层中,如图3c,d所示。GO也可能与DSEPC单分子膜相互作用,在单分子膜下方具有“边缘入”和“面入”方向,如图3c所示。GO的静电相互作用不仅中和了DSEPC中头部基团的正电荷密度,而且导致DSEPC分子在界面上更紧密地堆积。该假设解释了当GO从亚相扩散到DSEPC单层时,表面压力和表面电势的下降。


如果我们关于DODAB和DSEPC的GO-to单层的不同结合行为的假设是正确的,那么当初始表面压力较低时,可以预期观察到DODAB的表面压力会有更大的增加。事实上,当GO与最初压缩至15 mN/m的DODAB单层结合时,实验中发现表面压力增加约2.5 mN/m,如图4a(粉红色曲线)所示。另一方面,当DODAB单分子膜的表面压力足够高时,GO的任何边缘都不能挤入紧密堆积的单分子膜中。如图4a(黑色曲线)所示,当DODAB单层压缩至25 mN/m时,亚相GO不会导致表面压力增加。在DSEPC的情况下,当GO注入到亚相时,单层的表面压力降低。总之,这些观察结果验证了图3中提出的GO在界面处与DODAB和DSEPC单层结合的模型。

图4.GO在不同表面压力下对(a)DODAB和(b)DSEPC单层的吸附研究(表面压力与经过时间的关系)。首先将单层压缩至纯水亚相上的一定表面压力,然后小心地将600μL 1 mg/mL GO分散液缓慢注入单层下方的水亚相。


朗缪尔原子力显微镜图像−Blodgett(LB)薄膜。原子力显微镜(AFM)是一种在高分辨率下观察LB膜形貌的强大、非破坏性方法。转移到基板上的LB膜表面可以重复成像,而不会损坏样品。在本研究中,首先从空气中转移表面压力为20 mN/m的DODAB或DSEPC的Langmuir单层−纯净水或空气−将水分散体界面转移到新切割的云母基板上,然后在空气中干燥并进行AFM成像。图5a显示了将5μL 0.02 mg/mL GO分散液涂在云母上并干燥后的GO纳米片的形态。图中的白色曲线显示了白色虚线横截面轨迹的提取轮廓。发现GO纳米片高度均匀约为1 nm,长度分布较大。

图5.新切割云母表面上的AFM图像(比例尺=1μm):(a)干燥后的一滴GO分散液;(b)LB膜在空气中不沉积脂质的对照实验−GO-水界面;(c)从空气中转移的DODAB LB膜−纯水界面;(d)从空气中转移的DODAB LB膜−GO-水界面;(e)从空气中转移的DSEPC的LB膜−纯水界面;(f)从空气中转移的DSEPC的LB膜−转到水界面。所有脂质LB膜在20 mN/m的恒定表面压力下转移。


这证实了围棋确实是单层的。16,34,35图5c和5e显示了以20 mN/m的速度从空气中转移的DODAB和DSEPC的LB膜的AFM图像−分别为纯水界面。在这两种情况下,薄膜相当均匀,表明形成了均匀的单层。36有一些深度为0.4的小孔−0.5 nm,可以假设为DODAB或DSEPC的单个分子层的高度。为了研究在空气中形成的DODAB和DSEPC LB膜的形貌−GO分散界面,在相同条件(面积、压缩速度和提升率)下进行LB膜的控制实验,而不在空气中扩散DODAB或DSEPC−GO色散界面。如图5b所示,观察到几乎裸露的云母表面,表明GO分散子相的GO纳米片不可能转移到云母表面。这可能是由于带负电的GO纳米片和带负电的云母表面之间存在不利的相互作用。当DODAB或DSEPC LB膜以20 mN/m的速度从空气中转移时−如图5d和5f所示,在DODAB或DSEPC的LB膜中可以清楚地找到GO分散界面和GO纳米片。LB膜中GO的高度也约为1 nm。GO的存在证实了GO纳米片确实吸附或结合到DODAB或DSEPC的单层中。值得注意的是,脂质DODAB和DSEPC直接沉积在GO分散体的亚相上,以获得用于AFM成像的LB膜。关于GO与脂质单层结合时的方向(图5d,f),AFM成像在LB膜上仅观察到GO的“面内”方向。即使可以想象,当DODAB或DSEPC沉积在空气中时,GO的方向应该存在一些“边缘”−对于水分散体界面,原子力显微镜无法观察到这种方向。这是因为在转移过程中,围棋的方向很容易改变。当转移到云母表面时,“边缘”取向不太可能仍然“站立”在其尺寸为1 nm的边缘上,而不“躺着”在其大平面上。因此,在AFM图像中观察到GO的“面内”取向并入或吸附在单层结构中。


结论


在本研究中,朗缪尔单层技术作为二维方法应用于空气中−水/水界面,以了解GO和脂质模型之间相互作用的性质和方向。为了使可能的相互作用合理化,我们特意选择了五种具有相同18碳烷基链但不同电荷头基团的脂质。实验结果表明,这些脂质和GO之间的相互作用明显受静电相互作用的控制。当这些脂质在空气中传播时−GO分散界面,GO可以结合或吸附到带正电的脂质DODAB和DSEPC的单层中,增加平均分子面积。然而,由于没有有利的静电相互作用,带中性电荷的头基(磷酸胆碱)或带负电荷的头基(磷酸和羧基)的单分子膜不吸附GO。由于生物系统中的磷脂带负电荷或中性电荷,细胞可能将GO摄取到膜中不应是由于GO和磷脂之间的直接静电相互作用,而是通过膜的生物活性。


当将GO注入DODAB和DSEPC正电荷单层下方的子相时,发现了不同的表面压力观察结果。GO可以以20mN/m的速度插入到DODAB的单层中,从而增加表面压力。然而,由于乙基磷酸基团的屏蔽作用,即使在低得多的表面压力下,GO也不能扩散以与DSEPC单层结合。提出了GO与DODAB和DSEPC单分子膜结合时的取向模型,以解释GO在空气中的不同吸附行为−水界面。当GO纳米片插入到DODAB的单层中时,提出了“边缘入”方向而不是“面入”方向来描述GO纳米片的方向。