二維界面上偶氮苯糖脂的光響應(yīng)行為

劉丹陽 王宛洛 徐首紅 劉洪來

二維界面上偶氮苯糖脂的光響應(yīng)行為

劉丹陽 王宛洛 徐首紅*劉洪來

(華東理工大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，結(jié)構(gòu)可控先進功能材料及其制備教育部重點實驗室，上海200237)

設(shè)計合成了含偶氮苯基團的糖脂Gal-azo-Cn，通過Langmuir Blodgett(LB)膜、原子力顯微鏡技術(shù)對該糖脂在氣液界面上的光異構(gòu)化行為進行研究。實驗表明，氣液界面上的純偶氮苯糖脂及與磷脂混合形成單分子膜的偶氮苯糖脂均具有反-順、順-反異構(gòu)化行為。紫外光引起的異構(gòu)化過程導(dǎo)致表面壓力上升，但是由于二維界面上膜壓的存在對其反-順異構(gòu)化行為有抑制作用，膜壓越大，壓力上升越小，黑暗環(huán)境中順-反異構(gòu)化過程則越快。對比純偶氮苯糖脂的界面異構(gòu)化行為，混合體系中磷脂分子與偶氮苯糖脂分子間的相互作用，對二維界面上糖脂的反-順異構(gòu)化有促進作用，提高了偶氮苯糖脂的反-順異構(gòu)化程度。磷脂-糖脂混合體系中，混合組分中含不飽和碳鏈的磷脂含量越高，膜的流動性越強，穩(wěn)定性越差，對偶氮苯糖脂異構(gòu)化行為的促進作用越弱。

LB技術(shù)；偶氮苯糖脂；光異構(gòu)化；單分子層膜

1 引言

近年來，在普通表面活性劑上修飾一定的環(huán)境響應(yīng)性基團使其具有特殊的結(jié)構(gòu)和功能，成為設(shè)計、合成新型表面活性劑的主要方法。環(huán)境刺激條件包括光1,2、pH3,4、溫度5,6等，其中光因簡便易得、操作方便安全而備受關(guān)注。

偶氮苯及其衍生物是一類典型的具有光致異構(gòu)化功能的分子，在光的誘導(dǎo)下可發(fā)生可逆的異構(gòu)化過程7。偶氮苯分子存在順式和反式兩種異構(gòu)體(如示意圖1)，在紫外光照射下，反式構(gòu)型的偶氮苯會轉(zhuǎn)變?yōu)轫樖綐?gòu)型；在可見光或熱作用下，順式構(gòu)型可恢復(fù)到反式構(gòu)型。兩種構(gòu)型的偶氮苯分子具有明顯不同的紫外可見吸收光譜。同時，兩者的立體結(jié)構(gòu)、偶極矩8等一些物理和化學(xué)性質(zhì)亦存在明顯差異。

近幾年偶氮苯廣泛應(yīng)用于光響應(yīng)材料9,10的設(shè)計和制備上，尤其應(yīng)用于醫(yī)藥、化工領(lǐng)域的功能性分子運輸載體的設(shè)計上。光控釋放也越來越被認(rèn)為是一種快速、簡便而又無污染的方式。在介孔SiO2顆粒的孔道中接枝偶氮苯基團，使之成為孔道的閥門，在UV照射下閥門打開，裝載在孔道中的藥物分子得以釋放11,12。此外，在脂質(zhì)體雙分子層膜中插入含偶氮苯基團的分子，在紫外光照射下，膜被打開微小通道，使囊泡中包裹的物質(zhì)放出13－19。這些研究發(fā)現(xiàn)偶氮苯衍生物的異構(gòu)化速率受到了周圍微環(huán)境的影響，特別是在二維有限空間里，分子間的相互作用力將直接決定異構(gòu)化的速度和程度。

示意圖1 偶氮苯光異構(gòu)化示意圖

Scheme 1 Schematic diagram for the photo-induced isomerization

偶氮苯基團的光異構(gòu)化響應(yīng)性具有可逆性，有望成為新型功能化材料的重要基團，將偶氮苯基團修飾在兩親性表面活性劑中，通過可控的光環(huán)境刺激，實現(xiàn)生物膜性能的光可控性，成為具有光敏性質(zhì)的生物膜。我們設(shè)計合成了一系列的含偶氮苯糖脂，用于制備多功能囊泡或膠束的自組裝，使自組裝體具有光敏感的特性。偶氮苯糖脂的疏水鏈段長度和磷脂分子的長度接近，有利于其穩(wěn)定的嵌插在磷脂分子層中。本文利用LB技術(shù)20,21、原子力顯微鏡(AFM)等方法，選擇了不同組合的磷脂膜以獲得不同的膜性質(zhì)，研究氣液界面上偶氮苯糖脂在磷脂單分子層中的光響應(yīng)行為，通過研究和討論有關(guān)二維界面上偶氮苯基團光異構(gòu)化的規(guī)律，進而為光刺激靶向載藥及可控釋藥提供研究基礎(chǔ)。

2 實驗方法

2.1 實驗樣品及儀器

實驗選用的偶氮苯糖脂22由半乳糖基團Gal、偶氮苯基團azo和不同長度的飽和烷基鏈構(gòu)成，簡稱Gal-azo-C7(Mw=458.55 g·mol－1)和Gal-azo-C10 (Mw=500.63 g·mol－1)，C7和C10表示其烷基鏈的碳鏈長度分別為7和10。示意圖2給出了它們的分子結(jié)構(gòu)示意圖。

脂膜混合物選用1-棕櫚酰基-2-硬脂?；蚜字?98%，HSPC，lipoid)，二油酰基卵磷脂(98%，DOPC，百靈威)以及膽固醇(98%，Chol，lipoid)。實驗儀器：D612型LB拉膜儀(NIMA，英國)；原子力顯微鏡(AFM，P47-PRO，NT-MDT，俄羅斯)；手持紫外燈(波長365 nm，上海禾汽)；手持藍(lán)光燈(波長470 nm，上海海之凝)。

示意圖2 Gal-azo-Cn的結(jié)構(gòu)示意圖

Scheme 2 Schematic diagram for the structure of Gal-azo-Cn (a)chemical structure of Gal-azo-C7;(b)chemical structure of Gal-azo-C10;(c)three-dimensional chemical structure of trans Gal-azo-C7; (d)three-dimensional chemical structure of cis Gal-azo-C7

2.2 π－A等溫線

將不同的偶氮苯糖脂、磷脂及膽固醇分別配制成5×10－4mol·L－1的氯仿溶液，避光靜置一夜后使用。

2.2.1 純偶氮苯糖脂π－A等溫線

用微量注射器將60 μL的樣品溶液均勻地滴加在水面上，等待15 min至有機溶劑揮發(fā)完畢，以5 mm·min－1的速率壓縮水槽表面并自動記錄。由于偶氮苯分子的光響應(yīng)性，測量π－A等溫線時，實驗全程處于黑暗環(huán)境中，用以和全程處于紫外環(huán)境中的結(jié)果進行對比。LB槽下相的恒溫水槽控制在(25±0.1)°C。

2.2.2 磷脂/偶氮苯糖脂混合物π－A等溫線

分別配制磷脂(HSPC、DOPC)、膽固醇、偶氮苯糖脂的5×10－4mol·L－1氯仿溶液，在黑暗避光環(huán)境中保存一夜后，按不同比例混合。Gal-Azo-Cn的添加量為0%、5%、10%，20%。將混合溶液放入超聲波儀，超聲30 min后，靜置6 h后使用。方法參照2.2.1節(jié)。

2.3 π－t等溫線

在π－A等溫線的基礎(chǔ)上，以5 mN·m－1為區(qū)間間隔選取表面壓力值從而獲得一個固定的水槽面積，所選壓力不得高于崩潰壓，讀取壓力下的推桿位置。再次實驗，滴加樣品，軟件中設(shè)置前面讀到的推桿位置，即設(shè)置目標(biāo)壓力。之后，固定推桿位置讓單分子層膜接受光的刺激，自動記錄表面壓力隨時間的變化。

光刺激步驟為，先將單分子層在黑暗環(huán)境中靜置10 min，再用紫外光燈保持距水表面5 cm的距離照射，持續(xù)時間為5 min。撤去紫外后，在黑暗環(huán)境中繼續(xù)靜置10 min，或撤去紫外后用可見光燈照射10 min。

2.4 單分子層膜微觀結(jié)構(gòu)

將云母片裁成4×40 mm大小的薄片。揭下云母片表層獲得干凈的表面，將云母固定在LB拉膜機并浸入到水面下。達(dá)到目標(biāo)壓力后，待壓力穩(wěn)定10 min后開始拉膜。將吸附單分子層的云母片剪成4 mm×4 mm大小，固定在原子力顯微鏡的測物臺上測量。

3 結(jié)果與討論

3.1 純偶氮苯糖脂π－A等溫線

實驗過程中，光環(huán)境選取了完全黑暗環(huán)境、可見光環(huán)境及紫外光環(huán)境。圖1為純Gal-azo-C7及Gal-azo-C10偶氮苯糖脂在不同光環(huán)境下的π－A等溫線。由于可見光環(huán)境和完全黑暗環(huán)境中，偶氮苯糖脂等溫線幾乎重疊，圖中就不給出可見光下的結(jié)果。如圖1(a)所示，黑暗環(huán)境中，Gal-azo-C10的崩潰壓比Gal-azo-C7的高，其崩潰壓分別為42.7和38 mN·m－1，Gal-azo-C10的等溫線略微偏陡，表明在整個壓力范圍里，其分子面積比Galazo-C7穩(wěn)定，顯然較長碳鏈的糖脂在界面上形成更穩(wěn)定、更致密的膜結(jié)構(gòu)。在紫外光環(huán)境中，Galazo-C10的崩潰壓略有降低，為40 mN·m－1，而Gal-azo-C7則無法達(dá)到崩潰壓，這是由于發(fā)生光異構(gòu)化后，偶氮苯糖脂分子順勢構(gòu)型較反式的親水性增強，對于Gal-azo-C7來說其本身碳鏈就短，當(dāng)壓力上升會迫使部分分子進入水相，因而順式Galazo-C7單分子層膜極其不穩(wěn)定。從Gal-azo-C10的π－A等溫線看，在拉膜過程中相同壓力下順式單分子面積比反式構(gòu)型有所增加，表明分子空間結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。

圖1 Gal-azo-C7及Gal-azo-C10在不同光環(huán)境下的π－A等溫線(a)及單分子膜的壓縮比曲線(b)Fig.1 π－Aisotherm(a)and compressibility curve(b)of Gal-azo-C7 and Gal-azo-C10 under different light situations

圖1 b是根據(jù)π－A等溫線計算得到的壓縮比(κ)，其中，κ=(－1/A)(dA/dπ)。文獻(xiàn)20,21,23－27報道，當(dāng)κ值處于0.02－0.06 m·mN－1間的是液態(tài)擴張膜，處于0.005－0.01 m·mN－1之間的是液態(tài)凝聚膜。計算結(jié)果表明Gal-azo-C10單分子層膜在反式、順式構(gòu)型下都呈現(xiàn)液態(tài)擴張膜的特性，表明異構(gòu)化后其膜的流動性、可壓縮性均沒有大的變化，但是從圖1(a)可知，異構(gòu)化后順式結(jié)構(gòu)分子所占面積較反式構(gòu)型的大，表明膜的致密度下降。然而，Galazo-C7反式構(gòu)型單分子層膜則呈現(xiàn)液態(tài)擴張膜的特性，光照異構(gòu)化后Gal-azo-C7分子親水性增加，使得膜不能穩(wěn)定存在。

圖2為Gal-azo-C7及Gal-azo-C10在固定界面面積下受紫外光刺激后的π－t等溫線。為獲得不同的固定界面面積，預(yù)設(shè)壓力選取20、25、30、35 mN·m－1附近，在達(dá)到所設(shè)定的壓力后固定槽面積并靜置5 min，再施加紫外照射5 min，最后靜置10 min。第一個靜置時間段內(nèi)，所有固定槽面積下膜的表面壓力都有所下降，固定槽面積越小，表面壓下降越快，可認(rèn)為在外壓下分子不斷地進行重排導(dǎo)致壓力下降，固定槽面積越小，分子重排過程越快。而在施加紫外光刺激后，Gal-azo-C7膜的表面壓力有不明顯的上升，并且設(shè)定壓力越高，表面壓增加的越少，這是因為Gal-azo-C7異構(gòu)化后分子的親水性增強，不能在氣液界面上穩(wěn)定存在。

圖2 Gal-azo-C7(a)及Gal-azo-C10(b)在不同壓力下受紫外刺激的π－t等溫線Fig.2 π－t isotherm of Gal-azo-C7(a)and Gal-azo-C10(b)with the irradiation of UV-light under different pressures

對比圖2(a)和(b)發(fā)現(xiàn)，Gal-azo-C10單分子膜在各個恒定膜面積下，受紫外光刺激后壓力增加的更多，均有顯著上升，可能是因為異構(gòu)化后分子占據(jù)更大的面積，在達(dá)到壓力的極值后開始緩慢下降。壓力最高點表明偶氮苯分子達(dá)到反式-順式的構(gòu)型轉(zhuǎn)化平衡。Gal-azo-C10在照射紫外后的壓力上升值Δπ10和隨后黑暗環(huán)境中壓力的下降Δπ20列于表1。發(fā)現(xiàn)在界面設(shè)定壓力較低的情況下，膜的表面壓力上升較大。如在外壓達(dá)到20 mN·m－1時的恒定膜面積下，受紫外光照射后壓力上升了12.85 mN·m－1，且隨著界面壓力上升到35 mN· m－1，紫外光引起的壓力上升僅有7.51 mN·m－1。結(jié)果表明界面壓力的存在對反-順異構(gòu)化有抑制作用，更有利于維持反式構(gòu)型的存在。

撤去紫外光后，膜的表面壓力開始下降，表明沒有紫外光時，順式構(gòu)型立即開始回轉(zhuǎn)為熱力學(xué)較為穩(wěn)定的反式構(gòu)型，導(dǎo)致壓力有所下降。據(jù)文獻(xiàn)28報道，溶液中的偶氮苯基團在紫外光照射后變成順式構(gòu)型，其順式構(gòu)型在黑暗環(huán)境中需要12 h以上能自行逆轉(zhuǎn)為反式構(gòu)型，而我們發(fā)現(xiàn)，偶氮苯糖脂單分子膜在汽液界面上的順式構(gòu)型必須靠外界紫外刺激來維持，撤去紫外，由于界面上壓力的存在，二維界面上的構(gòu)型回轉(zhuǎn)比溶液中的要快得多。

表1 固定膜面積下Gal-azo-C10反-順構(gòu)型轉(zhuǎn)變的表面壓的變化Table 1 Change of surface pressure caused by the isomerization of Gal-azo-C10 at fixed membrane area

由于Gal-azo-C7在紫外光照射后其膜的不穩(wěn)定性，以下實驗選取Gal-azo-C10為研究對象。

經(jīng)過對政策實行的理論考察，并在相關(guān)學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，計劃生育政策的實行模式可以概括為三種： 動員模式、強制模式、交換模式。 需要說明的是，三種實行模式雖說都有自己發(fā)展的邏輯路徑，但是由于計劃生育政策的不變性，三種實行模式并不是完全相互獨立的，而是交叉重疊的。

3.2 磷脂/偶氮苯糖脂混合單分子層膜

3.2.1 偶氮苯糖脂含量的影響

選取HSPC與膽固醇1:1(摩爾比，下同)的混合磷脂溶液，按照摩爾比為5%、10%、20%，加入Gal-azo-C10，測量含不同比例偶氮苯糖脂的混合脂質(zhì)的π－A等溫線，如圖3所示。不添加偶氮苯糖脂的脂質(zhì)在圖3中表示為0%，我們可以發(fā)現(xiàn)加入偶氮苯糖脂后混合脂質(zhì)膜的崩潰壓基本不變，當(dāng)糖脂的加入量增加到20%時，崩潰壓才有所降低，表明此時膜的穩(wěn)定性略有變差，混合膜的等溫線均向左側(cè)移動，起始分子面積有大幅度降低，平均分子面積減少，表明膜的致密度增加。

圖3 添加了不同比例Gal-azo-C10的混合脂質(zhì)的π－A等溫線(a)及其壓縮比(b)Fig.3 π－Aisotherm(a)and compressibility curve(b)of mixed lipids containing different percentage of Gal-azo-C10

為分析膜的相態(tài)計算了壓縮率，結(jié)果如圖3b所示，根據(jù)文獻(xiàn)參數(shù)比較分析，這些膜均為液態(tài)凝聚膜，和純磷脂膜相比，混合膜的壓縮率有一定程度下降，由原來的液相擴張膜變成了液相凝聚膜，說明分子的可流動性、膜的可壓縮性比純磷脂膜低。

圖4為添加20%Gal-azo-C10的混合膜在一定外壓下的π－t等溫線。脂質(zhì)組分為HSPC:Chol= 1:1，壓力選取20、25、35 mN·m－1，達(dá)到所設(shè)定壓力后靜置10 min，后照射紫外10 min，撤去紫外，再靜置10 min。圖2中的紫外照射時間是5 min，而這里因為含偶氮苯糖脂的混合膜在5 min之內(nèi)壓力的上升還沒有停止，所以選擇照射10 min，體現(xiàn)了在磷脂膜中的偶氮苯糖脂的異構(gòu)化速度較為緩慢。由圖4可見，在第一個靜置時間段內(nèi)，各壓力下的膜的表面壓都有所下降，這是外壓導(dǎo)致的分子重排過程，對比偶氮苯單分子膜(見圖2)，壓力下降更快，表明分子間有相互作用存在。施加紫外光照射后，由于膜中的偶氮苯糖脂發(fā)生了光異構(gòu)化，膜的表面壓力快速上升，但上升速度比純偶氮苯糖脂小。受紫外光照射達(dá)到壓力極值后，混合膜的表面壓力呈現(xiàn)緩慢下降趨勢，下降速度比純Gal-azo-C10分子膜表面壓力下降速度更慢，壓力變化的數(shù)值整理于表2中。由于設(shè)定壓力未達(dá)到整個膜的崩潰壓，因此界面膜的分子之間存在一定的間距，當(dāng)偶氮苯糖脂分子發(fā)生順反異構(gòu)后其所占用的空間會增加，導(dǎo)致膜壓力上升，膜壓的增加會抑制偶氮苯糖脂的異構(gòu)化，導(dǎo)致其異構(gòu)化不完全。在磷脂混合膜中磷脂及膽固醇分子所占用的空間不會發(fā)生變化，它們受到順式偶氮苯糖脂的擠壓之后會發(fā)生位移，導(dǎo)致在整個過程中壓力上升與下降的速度均比純偶氮苯糖脂膜小，異構(gòu)化過程變慢。

圖4 添加20%的Gal-azoC10混合磷脂在不同壓力下的π－t等溫線Fig.4 π－t isotherm of mixed lipids containing 20% Gal-azo-C10 under different pressures

表2 固定膜面積下含20%摩爾分?jǐn)?shù)Gal-azo-C10混合脂質(zhì)膜在反-順-反構(gòu)型轉(zhuǎn)變的表面壓變化Table 2 Change of surface pressure caused by the isomerization of mixed lipids containing 20%Gal-azo-C10 at fixed membrane area

同時，保持前2步處理方式不變，在撤去紫外光照射后用470 nm的可見光照射10 min。由圖4中虛線可見，可見光照射后，混合膜的表面壓力出現(xiàn)急速下降，并達(dá)到平衡，壓力的下降是由于偶氮苯糖脂分子的構(gòu)型發(fā)生了反轉(zhuǎn)，表明逆異構(gòu)化比黑暗環(huán)境中更快完成。實驗結(jié)果表明混合磷脂單分子膜中的偶氮苯糖脂對紫外光及可見光都有非常敏感的瞬時響應(yīng)性。

3.2.2 膜流動性的影響

為了研究膜流動性對插入其間的偶氮苯糖脂異構(gòu)化的影響，在磷脂組成中添加了含不飽和脂肪酸的DOPC，與HSPC按照不同比例配制成3種的混合磷脂溶液，獲得不同性質(zhì)的混合磷脂膜，其磷脂總摩爾數(shù)與膽固醇保持1:1的比例，配比如表3所示。

文獻(xiàn)報道29，由于DOPC中的不飽和碳?xì)滏I存在，會影響生物膜發(fā)生相分離，并會導(dǎo)致其膜的流動性增強。在Lipid1、2、3中添加20%的Galazo-C10，在黑暗環(huán)境和紫外環(huán)境中分別做π－A等溫線分析并計算其壓縮比，并得到壓縮比曲線，如圖5所示。

由圖5(a)可以看出，添加越多含不飽和脂肪酸DOPC的混合脂質(zhì)膜的π－A等溫線越向左移動，起始面積變小，且表面壓力維持很低的數(shù)值，只有含DOPC較少的Lipid1具有崩潰壓?？赡苁怯捎贒OPC的不飽和鍵尾鏈和糖脂尾鏈間的范德華吸引力作用，形成了更為緊密結(jié)構(gòu)的單分子膜，考察了紫外環(huán)境下Lipid1的π－A等溫線，由于偶氮苯基團異構(gòu)化為彎折的順式構(gòu)型使得混合脂質(zhì)膜的起始面積變大，但是崩潰壓比完全黑暗環(huán)境中有所下降。觀察圖5(b)可以看出Lipid1在黑暗環(huán)境中較為接近液態(tài)凝聚膜，隨著DOPC量的增多，混合脂質(zhì)膜Lipid2轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)擴張膜，其整體流動性和可壓縮性都相對增大。相同壓力下，DOPC含量較高的混合脂質(zhì)膜平均單分子面積小，流動性略強，當(dāng)磷脂的組成全部是DOPC時，起始分子面積大大降低，無法達(dá)到有效的崩潰壓，混合脂膜穩(wěn)定性極低。

表3 各混合磷脂膜的摩爾組成Table 3 Molar composition of mixed lipid membrane

圖5 添加20%Gal-azo-C10的不同DOPC含量的混合脂質(zhì)膜的π－A等溫線(a)及壓縮比曲線(b)Fig.5 π－Aisotherm(a)and compressibility curves(b)of mixed lipids containing 20%Gal-azo-C10 with different DOPC fractions

表4 膜壓為32 mN·m－1時各膜對應(yīng)的單分子面積Table 4 Single molecule area of mixed lipids at 32 mN·m－1

當(dāng)偶氮苯糖脂與磷脂混合呈理想混合狀態(tài)時，利用純偶氮笨糖脂、純磷脂的單分子面積，算出偶氮笨糖脂含量為20%時的理想單分子面積理論值。表4為表面壓為32 mN·m－1時各膜的理論和實際單分子的面積，比較可知加入DOPC前混合膜的實際面積小于理論面積，即Gal-azo-C10與混合磷脂膜之間是吸引的相互作用，但是加入DOPC后，其實際面積大于混合面積，即混合膜之間是較弱的相互排斥的作用。

圖6為添加DOPC的脂質(zhì)組分(含20%Gal-azo-C10)混合磷脂的π－t等溫線，對比組分為HSPC: Chol=1:1的混合磷脂膜(圖4)，加入大量DOPC到達(dá)指定壓力后穩(wěn)定過程中壓力下降極快，進一步說明含DOPC的脂質(zhì)膜很不穩(wěn)定。且脂質(zhì)體膜的不穩(wěn)定導(dǎo)致Lipid1中的Gal-azo-C10盡管發(fā)生順反異構(gòu)，但是其壓力升高略小(4.85 mN·m－1)，Lipid2及Lipid3脂質(zhì)膜的膜壓達(dá)不到32 mN·m－1，Lipid2在壓力最高點17.8 mN·m－1穩(wěn)定10 min過程中壓力急劇降低，紫外光照射后膜壓略有增加。由此說明，DOPC的加入使得混合脂質(zhì)膜的穩(wěn)定性大大降低，偶氮苯糖脂仍可以發(fā)生順反異構(gòu)。由表4可知，DOPC的少量加入使得混合脂質(zhì)與偶氮苯糖脂之間的相互作用從較強的吸引力轉(zhuǎn)變?yōu)檩^弱的排斥力，該排斥力導(dǎo)致了流動性的增加，降低了偶氮苯糖脂的異構(gòu)化程度，但是相對于純偶氮苯糖脂膜其異構(gòu)化程度還是大大增加的。

圖6 添加20%Gal-azo-C10的不同DOPC含量的混合磷脂膜在不同壓力下的π－t等溫線Fig.6 π－t isotherm of 20%Gal-azo-C10-containing mixed lipid with different DOPC fractions under different membrane pressures

3.3 光響應(yīng)過程解析

結(jié)合純偶氮苯糖脂和含偶氮苯糖脂混合磷脂膜的π－A等溫線，進一步分析討論設(shè)定壓力對異構(gòu)化程度的影響，表4為整理的含與不含糖脂脂質(zhì)膜在反-順-反構(gòu)型轉(zhuǎn)變過程中的表面壓變化的對比結(jié)果。由于表面壓力的上升是由偶氮苯糖脂分子構(gòu)型轉(zhuǎn)變引起的，我們考察了偶氮苯糖脂含量和壓力的變化比率的關(guān)系。

選擇偶氮苯糖脂分子的摩爾分?jǐn)?shù)含量20%的混合膜系統(tǒng)來考察，因為混合膜的膜壓變化是由20%的偶氮苯糖脂貢獻(xiàn)的，理論上，混合膜的壓力變化和純偶氮苯糖脂膜的壓力變化之比Δπ1/Δπ10應(yīng)該為20%，從表5中結(jié)果可以看出，在各個壓力下該比值都明顯超過Gal-azo-C10的摩爾含量20%，表明糖脂、磷脂混合系統(tǒng)中，分子之間的作用力可能有利于偶氮苯糖脂異構(gòu)化的發(fā)生。該作用力應(yīng)該是Gal-azo-C10順式分子與磷脂分子的疏水部分間的疏水作用力，當(dāng)Gal-azo-C10發(fā)生反-順異構(gòu)化之后，由于糖脂的偶氮苯部分的疏水性降低，會引起一定的糖脂、磷脂間吸引力的降低，使膜表面的壓力變得更大，壓力的增加比率因而大于Gal-azo-C10分子所占的摩爾比例。

最后用AFM驗證了在二維界面上偶氮苯糖脂在黑暗條件下的構(gòu)型回轉(zhuǎn)，含Gal-azo-C10為20%

表5 在固定膜面積下光異構(gòu)化對純糖脂膜與混合糖脂膜表面壓力影響的比較Table 5 Comparison of surface pressure change caused by the isomerization of Gal-azo-C10 in both pure glycolipid and mixed lipid at fixed membrane area

圖7 含Gal-azo-C10為20%摩爾分?jǐn)?shù)的混合脂質(zhì)單分子層在30 mN·m－1下接受紫外光后表面形貌及橫截面高度圖Fig.7 Morphology and height map of cross section of 20%Gal-azo-C10-containing mixed lipid under

30 mN·m－1with the irradiation of UV light

The morphology when the vertical height was 0－0.7 nm:sample standing in dark for 0 min(a),5 min(b),10 min(c-1)and 15 min(d-1)after UV irradiation;the morphology when the vertical height was 0－3 nm:sample standing in dark for 10 min(c-2)and 15 min(d-2)after UV irradiation; the change in cross section height between standing in dark for 0 min and 15 min after UV irradiation.的HSPC:Chol=1:1的糖脂-磷脂混合脂質(zhì)在紫外環(huán)境下以30 mN·m－1壓力將混合脂質(zhì)膜轉(zhuǎn)移至干凈的云母表面，用AFM掃描膜表面形貌，并且通過不同時間間隔的多次掃描得到黑暗環(huán)境下膜表面形貌隨時間的變化，如圖7所示。圖7(a)為紫外環(huán)境下的混合脂質(zhì)膜表面形貌圖，此時，偶氮苯糖脂分子均以順式構(gòu)型存在，因順式Gal-azo-C10近乎呈L型，其分子的高度與HSPC及膽固醇分子高度不同，呈L型的Gal-azo-C10可能更低，因而在云母片上呈現(xiàn)不平整的表面形貌。在黑暗環(huán)境中靜置，每隔5 min在原位進行掃描，其AFM形貌圖得到如圖7(b,c-1,d-1)所示結(jié)果，圖7(c-2,d-2)是為了看清楚形貌，調(diào)整了縱向尺度。圖7(e)為圖6 (a,d)中直線位置的橫截面圖，顯而易見，隨著時間的推移，膜的表面變得越來越平整，表明在15 min之內(nèi)混合膜中大部分偶氮苯分子的構(gòu)型發(fā)生了回轉(zhuǎn)，而溶液中的偶氮苯基團需要更長的時間才能完成逆異構(gòu)化過程。

4 結(jié)論

偶氮苯糖脂的單分子膜，及添加偶氮苯糖脂的混合磷脂單分子膜在氣液界面上由于膜壓的存在，對偶氮苯糖脂的反-順異構(gòu)化行為有抑制作用，膜壓越高，反-順異構(gòu)化的程度越低；壓力越大，黑暗環(huán)境中構(gòu)型的回轉(zhuǎn)也越快。紫外光刺激下異構(gòu)化過程使得表面壓力上升，對比純偶氮苯糖脂的界面異構(gòu)化行為，混合體系中由于分子間的相互作用的存在，對偶氮苯糖脂的反-順異構(gòu)化有促進作用，提高了偶氮苯糖脂的反-順異構(gòu)化程度。且混合體系中含不飽和碳鏈的磷脂含量越高，膜的流動性越強，穩(wěn)定性越差，對偶氮苯糖脂異構(gòu)化的行為的促進作用越弱。界面上偶氮苯基團的光異構(gòu)化行為的研究結(jié)果將對含偶氮苯智能材料的設(shè)計和制備提供可靠的理論依據(jù)。

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Photo-Responsivity of Azobenzene-Containing Glycolipid within Liquid-Gas Interface

LIU Dan-Yang WANG Wan-Luo XU Shou-Hong*LIU Hong-Lai
(Key Laboratory for Advanced Materials&Institute of Fine Chemicals of the Education Ministry of China,School of Chemistry and Molecular Engineering,East China University of Science and Technology,Shanghai 200237,P.R.China)

Azobenzene-containing glycolipid,Gal-azo-Cn,was synthesized and its photoisomerization behavior within the liquid-gas interfaces was investigated by Langmuir Blodgett(LB)filmmeasurements and atomic force microscopy.Theresultsshowedthat Gal-azo-Cncouldundergotrans-cisandcis-transisomerizationinbothpure glycolipidandphospholipid-mixedfilms.UV-light inducedisomerizationincreasedthesurfacepressure.However, the membrane pressure within the liquid-gas interface could hinder the trans-cis isomerization.The high membrane pressure prevented the increase of surface pressure,weakening the trans-cis isomerization.In contrast,the cis-trans isomerization sped up in the dark.Compared with the isomerization behavior of pure glycolipid,the interaction between phospholipid and glycolipid could promote the trans-cis isomerization within theliquid-gasinterface.Inthemixedsystem,theincreaseinphospholipidcontainingunsaturatedcarbonchains increased the fluidity of the membrane but decreased its stability,which weaken the promotion effect of isomerization.

LB technology;Azobenzene-containing glycolipid;Photoisomerization;Monomolecular film

O647

Liu,D.;Wang,S.;Xu,S.;Liu,H.Langmuir 2016,

10.1021/ acs.langmuir.6b03051

doi:10.3866/PKU.WHXB201612153

Received:October 24,2016;Revised:December 15,2016;Published online:December 15,2016.

*Corresponding author.Email:xushouhong@ecust.edu.cn;Tel:+86-21-64251942.

The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(21276074,91334203)and Fundamental Research Funds for the Central Universities,China.國家自然科學(xué)基金(21276074,91334203)以及中央高校基本科研基金資助項目