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LB膜-石墨烯與磷脂之間的作用【下】

來源:上海謂載 瀏覽 836 次 發(fā)布時間:2022-07-25

GO在DODAB和DSEPC的單層上的吸附。雖然DODAB和DSEPC的兩個頭部基團具有相同的正電荷量,但其化學(xué)結(jié)構(gòu)卻大不相同。為了進一步表征DODAB、DSEPC和GO的正電荷頭基團之間的相互作用,在表面壓力20 mN/m下研究了GO對脂質(zhì)單層的吸附研究,如圖2所示。作為對照實驗,首先將DODAB或DSEPC的單層在純水亞相上壓縮至20 mN/m,然后根據(jù)經(jīng)過的時間監(jiān)測表面壓力(圖2a,b中的黑色曲線)和表面電位(圖2c,d中的黑色曲線)。正如預(yù)期的那樣,最初壓縮到20 mN/m的DODAB和DSEPC單分子膜在純水亞相上非常穩(wěn)定。在這兩種情況下,6000 s后表面壓力仍在18 mN/m左右(圖2a,b中的黑色曲線)。表面壓力在前1000秒內(nèi)迅速下降可能是由于壓縮后單分子膜松弛所致。還觀察到表面電位隨時間變化的類似穩(wěn)定現(xiàn)象,如圖2c,d所示。對于GO的吸附,在純水上將DODAB或DSEPC的單層最初壓縮至20 mN/m后,小心并緩慢地將600μL 1 mg/mL GO分散液注入水亞相中,使其達到0.02 mg/mL,然后監(jiān)測表面壓力(圖2a、b中的紅色曲線)或表面電位(圖2c、d中的紅色曲線)隨時間的變化。值得注意的是,在亞相注入GO達到0.02 mg/mL不會導(dǎo)致空氣中的表面壓力增加?6000 s的水界面。如圖2a,c所示,DODAB單層的表面壓力增加到21.3 mN/m,而表面電位在前500 s下降到幾乎0 mV。值得注意的是,圖2c中的DODAB(紅色)的表面電位曲線最初約為300 mV,然后小心緩慢地將GO注入亞相。表面壓力和表面電位的變化清楚地表明,DODAB的正銨基和GO的負羧基之間存在靜電相互作用。

圖2:(a)DODAB和(b)DSEPC單層的表面壓力與經(jīng)過時間。(c)DODAB和(d)DSEPC單層的表面電位與經(jīng)過時間的關(guān)系。黑色曲線:在純水亞相上將單層壓縮至20 mN/m的表面壓力。紅色曲線:將單層壓縮至20 mN/m后,小心地將600μL 1 mg/mL GO分散液緩慢注入單層下方的水亞相中,使GO達到0.02 mg/mL。


As GO是一個非常薄的層(~1 nm)具有較大的表面積,研究其與脂質(zhì)相互作用時的取向非常有趣。這里涉及兩種可能的方向:“邊緣入”和“面入”?!斑吶搿北硎綠O板材的表面垂直,而“面入”表示水平方向??罩杏^察?水/水界面可以提供一些見解。我們提出,由于銨基和羧基之間的靜電相互作用,GO片通過插入具有“邊緣”取向的羧基進入有序的DODAB單層,如圖3a所示。也有可能一些GO片在單層下方使用“面內(nèi)”方向與帶正電的頭群相互作用。GO納米片不太可能以“面內(nèi)”方向并入單層(圖3b)。首先,20 mN/m的DODAB單層足夠緊密,邊緣(約1 nm)比側(cè)面(高達數(shù)百納米)更容易擠壓。其次,帶負電的羧基主要存在于GO的邊緣,而不是側(cè)表面。表面電位的降低也歸因于這種靜電相互作用,因為帶負電荷的結(jié)合進入有序的DODAB單層,中和了DODAB的電荷,降低了界面處的偶極矩。

圖3.GO在空氣中并入DODAB(a,b)和DSEPC(c,d)單層時可能的方向示意圖?水界面。


如果GO通過與DODAB相同的方式與DSEPC單層結(jié)合,人們期望觀察到類似的表面壓力和表面電位現(xiàn)象。我們確實發(fā)現(xiàn),當將GO引入亞相時,DSEPC單層的表面電位下降到50 mV左右(圖2d,紅色曲線),表明DSEPC單層存在偶極矩變化。然而,在DSEPC實驗中觀察到表面壓力非但沒有增加,反而降低,如圖2b所示。因為DSEPC有很大一部分疏水尾錨定在空氣中?水界面,不太可能將DSEPC分子損失到亞相。值得注意的是,在空中?水界面DSEPC的頭基團為大塊sn甘油-3-乙基磷酸膽堿,帶有帶正電的膽堿基團和sn-甘油-3-乙基磷酸的強極性基團。當GO從亞相擴散到界面處的DSEPC單層時,帶負電的GO可能與DSEPC的帶正電的膽堿部分相互作用,但由于受到sn-甘油-3-乙基磷酸的屏蔽而沒有滲透到單層中,如圖3c,d所示。GO也可能與DSEPC單分子膜相互作用,在單分子膜下方具有“邊緣入”和“面入”方向,如圖3c所示。GO的靜電相互作用不僅中和了DSEPC中頭部基團的正電荷密度,而且導(dǎo)致DSEPC分子在界面上更緊密地堆積。該假設(shè)解釋了當GO從亞相擴散到DSEPC單層時,表面壓力和表面電勢的下降。


如果我們關(guān)于DODAB和DSEPC的GO-to單層的不同結(jié)合行為的假設(shè)是正確的,那么當初始表面壓力較低時,可以預(yù)期觀察到DODAB的表面壓力會有更大的增加。事實上,當GO與最初壓縮至15 mN/m的DODAB單層結(jié)合時,實驗中發(fā)現(xiàn)表面壓力增加約2.5 mN/m,如圖4a(粉紅色曲線)所示。另一方面,當DODAB單分子膜的表面壓力足夠高時,GO的任何邊緣都不能擠入緊密堆積的單分子膜中。如圖4a(黑色曲線)所示,當DODAB單層壓縮至25 mN/m時,亞相GO不會導(dǎo)致表面壓力增加。在DSEPC的情況下,當GO注入到亞相時,單層的表面壓力降低。總之,這些觀察結(jié)果驗證了圖3中提出的GO在界面處與DODAB和DSEPC單層結(jié)合的模型。

圖4.GO在不同表面壓力下對(a)DODAB和(b)DSEPC單層的吸附研究(表面壓力與經(jīng)過時間的關(guān)系)。首先將單層壓縮至純水亞相上的一定表面壓力,然后小心地將600μL 1 mg/mL GO分散液緩慢注入單層下方的水亞相。


朗繆爾原子力顯微鏡圖像?Blodgett(LB)薄膜。原子力顯微鏡(AFM)是一種在高分辨率下觀察LB膜形貌的強大、非破壞性方法。轉(zhuǎn)移到基板上的LB膜表面可以重復(fù)成像,而不會損壞樣品。在本研究中,首先從空氣中轉(zhuǎn)移表面壓力為20 mN/m的DODAB或DSEPC的Langmuir單層?純凈水或空氣?將水分散體界面轉(zhuǎn)移到新切割的云母基板上,然后在空氣中干燥并進行AFM成像。圖5a顯示了將5μL 0.02 mg/mL GO分散液涂在云母上并干燥后的GO納米片的形態(tài)。圖中的白色曲線顯示了白色虛線橫截面軌跡的提取輪廓。發(fā)現(xiàn)GO納米片高度均勻約為1 nm,長度分布較大。

圖5.新切割云母表面上的AFM圖像(比例尺=1μm):(a)干燥后的一滴GO分散液;(b)LB膜在空氣中不沉積脂質(zhì)的對照實驗?GO-水界面;(c)從空氣中轉(zhuǎn)移的DODAB LB膜?純水界面;(d)從空氣中轉(zhuǎn)移的DODAB LB膜?GO-水界面;(e)從空氣中轉(zhuǎn)移的DSEPC的LB膜?純水界面;(f)從空氣中轉(zhuǎn)移的DSEPC的LB膜?轉(zhuǎn)到水界面。所有脂質(zhì)LB膜在20 mN/m的恒定表面壓力下轉(zhuǎn)移。


這證實了圍棋確實是單層的。16,34,35圖5c和5e顯示了以20 mN/m的速度從空氣中轉(zhuǎn)移的DODAB和DSEPC的LB膜的AFM圖像?分別為純水界面。在這兩種情況下,薄膜相當均勻,表明形成了均勻的單層。36有一些深度為0.4的小孔?0.5 nm,可以假設(shè)為DODAB或DSEPC的單個分子層的高度。為了研究在空氣中形成的DODAB和DSEPC LB膜的形貌?GO分散界面,在相同條件(面積、壓縮速度和提升率)下進行LB膜的控制實驗,而不在空氣中擴散DODAB或DSEPC?GO色散界面。如圖5b所示,觀察到幾乎裸露的云母表面,表明GO分散子相的GO納米片不可能轉(zhuǎn)移到云母表面。這可能是由于帶負電的GO納米片和帶負電的云母表面之間存在不利的相互作用。當DODAB或DSEPC LB膜以20 mN/m的速度從空氣中轉(zhuǎn)移時?如圖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納米片。LB膜中GO的高度也約為1 nm。GO的存在證實了GO納米片確實吸附或結(jié)合到DODAB或DSEPC的單層中。值得注意的是,脂質(zhì)DODAB和DSEPC直接沉積在GO分散體的亞相上,以獲得用于AFM成像的LB膜。關(guān)于GO與脂質(zhì)單層結(jié)合時的方向(圖5d,f),AFM成像在LB膜上僅觀察到GO的“面內(nèi)”方向。即使可以想象,當DODAB或DSEPC沉積在空氣中時,GO的方向應(yīng)該存在一些“邊緣”?對于水分散體界面,原子力顯微鏡無法觀察到這種方向。這是因為在轉(zhuǎn)移過程中,圍棋的方向很容易改變。當轉(zhuǎn)移到云母表面時,“邊緣”取向不太可能仍然“站立”在其尺寸為1 nm的邊緣上,而不“躺著”在其大平面上。因此,在AFM圖像中觀察到GO的“面內(nèi)”取向并入或吸附在單層結(jié)構(gòu)中。


結(jié)論


在本研究中,朗繆爾單層技術(shù)作為二維方法應(yīng)用于空氣中?水/水界面,以了解GO和脂質(zhì)模型之間相互作用的性質(zhì)和方向。為了使可能的相互作用合理化,我們特意選擇了五種具有相同18碳烷基鏈但不同電荷頭基團的脂質(zhì)。實驗結(jié)果表明,這些脂質(zhì)和GO之間的相互作用明顯受靜電相互作用的控制。當這些脂質(zhì)在空氣中傳播時?GO分散界面,GO可以結(jié)合或吸附到帶正電的脂質(zhì)DODAB和DSEPC的單層中,增加平均分子面積。然而,由于沒有有利的靜電相互作用,帶中性電荷的頭基(磷酸膽堿)或帶負電荷的頭基(磷酸和羧基)的單分子膜不吸附GO。由于生物系統(tǒng)中的磷脂帶負電荷或中性電荷,細胞可能將GO攝取到膜中不應(yīng)是由于GO和磷脂之間的直接靜電相互作用,而是通過膜的生物活性。


當將GO注入DODAB和DSEPC正電荷單層下方的子相時,發(fā)現(xiàn)了不同的表面壓力觀察結(jié)果。GO可以以20mN/m的速度插入到DODAB的單層中,從而增加表面壓力。然而,由于乙基磷酸基團的屏蔽作用,即使在低得多的表面壓力下,GO也不能擴散以與DSEPC單層結(jié)合。提出了GO與DODAB和DSEPC單分子膜結(jié)合時的取向模型,以解釋GO在空氣中的不同吸附行為?水界面。當GO納米片插入到DODAB的單層中時,提出了“邊緣入”方向而不是“面入”方向來描述GO納米片的方向。