摘要

我們利用表面敏感技術振動SUM頻率產生光譜結合表面壓力測量，對水中自組裝的偶氮苯基光開關脂質單層進行了分子深入研究。光脂質可經歷波長依賴的、光觸發(fā)的順/反和順/反異構化，允許可逆控制表面壓力和單層中脂質的分子順序。如果光開關脂質與傳統(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，在偶氮苯基脂質的兩種狀態(tài)之間切換會影響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。這個違反直覺的結果可以通過注意到順式狀態(tài)的偶氮苯部分具有更高的偶極矩來理解，因此有利于與水的相互作用。該系統(tǒng)的表面自由能通過與界面上的脂質頭基的靜電相互作用而降低（表面壓力增加），導致脂質尾與順式偶氮苯形成環(huán)。這種光開關脂質尾部的紊亂擾亂了DPPC的順序。

導言

偶氮苯基表面活性劑分子的自組裝單分子膜是一種獨特的光開關界面，在納米技術中具有潛在的傳感器應用前景。1-3波長約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，可以對機械敏感膜通道蛋白的活性進行外部光學控制。8因此，了解開關過程背后的分子細節(jié)對于開發(fā)人工門控機制也很重要，這可能最終用于生物學和醫(yī)學應用。9盡管開關過程很重要，但在分子水平上缺乏對開關過程的詳細理解。5.

圖1：。順式和反式構型的光開關脂質DT Azo-5P和d75 DPPC的分子結構。右上角的插圖顯示了CHCl3中DT Azo-5P的紫外/可見光譜(～在370 nm（順式）和450 nm（反式）下輻照約10 s后，使用7μM，1 cm反應杯）。

在此，我們研究了光開關脂質DT Azo-5P（圖1）的單分子膜，該單分子膜是純的，并與脂質1,2-二棕櫚酰-sn-甘油-3-磷酸膽堿（DPPC）混合。如圖1中的紫外/可見光譜所示，光活性脂質可分別在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。我們將表面壓力測量與無標簽、寬帶振動和頻產生（VSFG）光譜相結合。這些技術使我們能夠研究空氣-水界面上的脂質分子單層。可以獲得有關脂類與水分子相互作用的信息以及脂類的分子結構。在非線性光學技術VSFG中，紅外（IR）光束和可見光（VIS）光束在界面處組合，產生具有兩個入射光束和頻率的信號。如果紅外與分子振動共振，信號就會強烈增強。研究表明，這種通過分子振動的技術可以提供有關脂類分子構象和取向的信息。11-18和頻產生在中心對稱介質中是被禁止的，因為它是一個二階非線性光學過程。19因此，該技術對中心對稱材料（例如水表面）的最外表面分子層敏感。相反，缺少信號表明界面上的材料或分子基團是中心對稱的。對于金表面偶氮苯功能化的自組裝單分子膜，SFG在確定光異構化的截面和機理方面非常有用。得出的結論是，光異構化是由直接電子激發(fā)驅動的，類似于液相中的偶氮苯。3我們將表明，通過切換光脂，可以可逆地控制脂質的表面壓力和分子順序。在同時含有光脂和脂質DPPC的混合單分子膜中，我們可以通過光學切換偶氮苯基脂質來控制DPPC的順序。這為體外控制脂質-脂質相互作用提供了一種新的手段。

實驗

樣品前面已經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實驗中，將20層DT Azo-5P（或-3P和-9P）單分子膜從0.6 mM氯仿溶液中擴散到空氣H2O（微孔，18 MΩ/cm-1）界面上，在自制的7×7 cm2槽中進行VSFG實驗，并在6×23 cm2的商用金屬朗繆爾槽（Kibron Inc.，芬蘭）中進行等溫線測量。正常DPPC和d75 DPPC（圖1）從Avanti極性脂質中獲得，均溶于氯仿中，濃度約為0.7 mM。兩種脂類的混合物是通過在表面攤鋪之前混合每種化合物的溶液制成的。每個分子的面積由散布在水面上的0.5μL液滴的數量控制。使用中心波長為370和450 nm、功率分別為8.3和21 mW的二極管在光開關脂質的兩種構象之間進行切換，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，因此可以獲得相對純凈的順式狀態(tài)。如果假設順式狀態(tài)在390 nm處的吸光度為零（圖1），則該波長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%，我們得出結論，最多有5%的跨分子對整個吸收光譜有貢獻。如果順式狀態(tài)在390 nm處有一個很小的吸收，則存在的反式分子分數甚至低于這5%。然而，450 nm處順式構象和反式構象之間的吸收對比度并沒有那么大，導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)對熱有利，輻照平衡將更多地轉移到反式狀態(tài)，從而降低順式污染。通過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行比較，可以從觀察中提取順式污染的量，即后一個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倍構成。由此我們得出結論，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分鐘內不會發(fā)生變化：顯然，從順式到反式的熱轉變很慢。transcis和順-反異構化的量子產率都與波長有關，通常達到數十%。（參見參考文獻21）。

設置。表面壓力測量。使用商用張力計（芬蘭Kibron）以針為探針測量表面壓力。在壓縮等溫線實驗中，該層以～7?2/分子/分鐘，帶有兩個移動屏障。在等溫線實驗中，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)。

振動和頻發(fā)生光譜學。使用可見光脈沖（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，光轉換）產生的，OPG/OPA由～100 fs放大鈦寶石激光系統(tǒng)（Legend，Coherent，Inc.）。窄帶可見光脈沖提供了實驗的光譜分辨率，而寬帶紅外脈沖允許同時檢測多種振動模式。10,22為了校正紅外功率的頻率依賴性，VSFG光譜通過z切石英的參考光譜進行歸一化。可見光和紅外光束相對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。可見光束的注量足夠低，可以避免偶氮苯部分的雙光子異構化，這是通過比較輻照前后的光譜來檢查的。VSFG光通過單色儀進行光譜分散，并通過電子倍增電荷耦合器件（EMCCD和或技術）進行檢測。除非另有說明，否則在s極化VSFG、s極化VIS和p極化IR（SSP）條件下，純DT Azo-5P實驗在60 s內記錄VSFG光譜，混合物在180 s內記錄VSFG光譜。在我們交替使用順式和反式狀態(tài)的實驗中，二極管從上方照射系統(tǒng)。二極管發(fā)出的光沒有聚焦，幾乎照射了整個槽，因此，由于脂質從照射區(qū)域外擴散到激光焦點而導致的信號失真不是一個重要因素。壓力計和激光焦點均位于二極管照射區(qū)域內。我們始終照射至少100 s（分別對應于370和450 nm的1.5
1018和4.8
1018光子），以獲得最大轉化率，這從動力學研究中可以明顯看出：照射超過100 s不會再改變壓力和VSFG信號。