磷脂单分子层相状态与分子畴结构的AFM观测

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1、维普资讯http://www.cqvip.com科学通报第39卷第l6期CHINESESCIENCEBULLETIN1994年8月6一f磷脂单分子层相状态与分子畴结构的AFM观测n-／7／杨晓敏肖东肖守军陆祖宏韦钰(东南大学国家教委丹子与生物丹子电子学开放实骚室．南京210018)r、、缈磷层、，、Langmuir·Blodgett膜技术是一种受到人们广泛重视的分子有序化和定向化方法．利用该技术可在液面获得二维紧密排列的单分子层，并可将其转移至固体表面实现多层组装以构成各类分子器件．液界面上单分子层的结晶过程和相

2、行为，包括相分离、相转变等已被Mohawld等人_l用荧光显微镜和Mobius等人用Brewster角显微镜观察过．然而，对它们转移至固体表面上状况的研究却几乎未见报道．特别是用这两种分析手段根本无法观察到单分子层中尺寸小于1／trn的特征结构．在近期研究中，Chi等人首次用AFM观察了硬脂酸LB膜中的分子畴(domain)结构，他们发现在用荧光显微镜观察分子畴结构时，荧光探剂的加入对分子畴的微观形态有不容忽视的影响．本文正是从这一背景出发以磷脂分子DPPC作为模型材料．用高分辨率AFM直接观察不同压力下转移至固

3、体表面单分子层的相状态和研究相变的分子机制．实验中首次观察到磷脂分子所固有的对映手性(chira1)分子畴结构，并初步分析影响分子畴形态因素和它的摩擦力特征．1实验部分磷脂分子DPPC(Ldjpalmitoylphatidylcholine)购自Sigma公司．纯度达99％以上．基片用云母．表面具亲水特性．分散用溶剂为氯仿．亚相为2次蒸馏水，pH=67．将100浓度为066×10mol／L的溶液用微量注射器均匀滴于亚相表面，让其自动迅速铺开，待15min后溶剂挥发完，即控制挡板以=3．96／分子·min速度压膜．

4、膜表面压由Wilhelmy吊片式膜天平监测，测量精度0lmNfm．磷脂分子的成膜特性与成膜温度有很大关系，本实验成膜温度控制在l9℃．采用垂直提拉法将单分子膜从液面上转移至固体表面．所用AFM仪器是美国DI公司NanoScopeIIIAFM系统．在室温和大气环境下进行实验观察．用200脚长siN微悬臂，力的弹性常数是0．12N~a所有图象在恒力模式下获取．成像力控制在1旷N量级．2结果与讨论图1是磷脂单分子座在不同表面压下的AFM图象，其中(a)一(d)4幅照片分别对应表1993．12-07收穑．1994-03．

5、12收修改穑·国家自然科学基金资助项目维普资讯http://www.cqvip.com第l6期科学通报面压SP=1．2．3raN／m和20mN／m．表面压低于lmN／m时，液面上磷脂分子的烃链自由弯曲运动，取向性呈无序随机．整个单分子层完全处于液相．故转移到固体表面上的磷脂分子均匀的分布于基底表面，从AFM观察到的是较均匀的区域．当压力达到lmN／m时，局域内少量磷脂分子开始结晶．图l(a)中亮区域即为分子的结晶区，粒径约30一lOOnm．这些微小的结晶区即为分子畴的成核初期阶段．观察发现分子畴随表面压增加而增大

6、，这是它不断吸附周围相邻分子有规则的排列结果．当压力达到2mN／m时，分子畴已在整个膜表面比较均匀地分布，粒径变到400—800nlt1．图l(b)的三维横截面测量表明：分子畴高出村底约2．4nm，该值与Helml~所推算出的磷脂单分子层厚度完全吻合．这说明磷脂分子的烃链已呈直伸形状，分子的取向趋于一致．当压力继续升高时，单分子层进入．曲线中“平台区域．这时磷脂分子处于LC_LE两相(液相凝集态一液相扩张态)共存的分相状态，表明单分子层已由液相转变为两相共存区．从图1(c】的小范围成像中可清楚看到分相区二个明显的

7、结构特征，其一是区域中成大块团状结构为LC相的分子畴，而在它周围存在的稠状物是LE相；其次是LE相中富聚着大量的小晶粒体(grain)．多数粒径在200—500nm之间．我们认为分相中存在的大块LC结晶区是由液相中初期较小的分子畴逐步生长而成．这是因为液相的无序性导致分子畴中磷脂分子排列也各不相同，某些分子畴太不规则以致不能进一步排成规则的晶体，而只能以分散的小集聚体形式存图I单分子层在不同表面压下典型分子畴形貌图(a)sPt1mN,'lL范围I5x15；(b)SP=2mN，叽范围5×5：{曲SP=4mN'r~范

8、围30x30胂ffd)SP=：0mNm范围5x5维普资讯http://www.cqvip.com科学通报第3q卷在．相反，那些有规则的则能继续排列、扩展，并最终成为LC相．两相高度差测量表明，LC相略高于LE相约0．5iLrla，说明成像中AFM针尖在局部已刺入LE相．此后，随表面压的继续增大，液相扩张态的面积迅速减小．当表面压达到4mN／m以土时，单分子层已完全进入固相