溫度、pH值對金屬離子與磷脂酰乙醇胺相互作用成膜的影響

常 曼，劉志存

(陜西師范大學(xué) 物理與信息技術(shù)學(xué)院生物物理與生物醫(yī)學(xué)工程研究室，西安 710062)

目前制備功能性優(yōu)質(zhì)的LB膜備受關(guān)注。LB膜中引入金屬離子使其具有特殊的磁性、導(dǎo)電性等物理性質(zhì)，LB膜在這些特性下將具有更廣泛的潛在應(yīng)用價值。因此，探索金屬離子與Langmuir膜和LB膜的作用機制，有利于制備高性能的材料膜，也將促進(jìn)生物膜的功能以及生物分子與界面作用的研究，有益于闡明生命過程中的物質(zhì)、能量和信息傳遞等過程［1］。

本文利用KSV Minitrough研究金屬離子與磷脂酰乙醇胺相互作用成膜條件，通過改變溫度、pH值找到一個合適的成膜環(huán)境，為以后的相關(guān)研究提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

1，2－二十四甘油酸－3－磷脂酰乙醇胺(DEPE)，乙醚，離子交換二次蒸餾水，氫氧化鈉－甘氨酸緩沖液，磷酸氫二鈉－檸檬酸緩沖液，親水性云母基片，離子化合物包括(NaCl、KCl、MgCl2)。

1.2 實驗儀器

實驗所用儀器為由芬蘭KSV公司生產(chǎn)的Mintrough小型膜分析儀器。膜天平測量范圍:0～1 mN/m;分辨率:4 μN/m;滑障壓縮速度:0.01 ～400 mm/min;水槽尺寸:364 mm×75 mm×5 mm;心深度:70 mm;亞相體積:0.16 L。

1.3 實驗方法

首先，將磷脂酰乙醇胺溶于乙醚溶液制成0.32 mg/mL的磷脂酰乙醇胺乙醚溶液，利用HS－4(B)型恒溫浴槽來控制亞相的溫度T。

其次，將150 μL的磷脂酰乙醇胺乙醚溶液用微量注射器均勻滴在不同亞相液面上，使其自動迅速鋪展15 min，待液面上的乙醚溶液完全揮發(fā)后，以10 mm/min的速度壓膜。膜表面壓用Minitrough吊片式天平檢測，測量精度為0.1 mN/m。壓膜開始后計算機自動記錄π－A曲線。不同實驗情況下的亞相、溫度、最大膜壓以及加入磷脂酰乙醇胺乙醚溶液的體積見表1。

表1 實驗選用的亞相及操作條件

2 結(jié)果

2.1 單分子膜的相變理論

在二維空間，即表面上，成膜分子也可以形成與三維空間類似的氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)。若成膜分子所占的面積A很大(＞4 000埃2/分子)，表面壓π很小(＜0.1 mN/m)，這時π－A的關(guān)系很像三維空間中理想氣體的p－V關(guān)系，可由式(1)來表示。

式中:k為玻耳茲曼常數(shù);T為熱力學(xué)溫度。這種膜叫理想氣態(tài)膜。隨著π的增大，氣態(tài)膜繼續(xù)壓縮，膜的壓縮率變小，膜壓隨膜面積的減小而顯著上升，此時分子膜則進(jìn)入液態(tài)擴張態(tài)，成為液態(tài)擴張膜。將液態(tài)膜再進(jìn)一步壓縮，表面膜進(jìn)入另一種狀態(tài)，稱為轉(zhuǎn)變膜或中間膜［2］。對轉(zhuǎn)變膜進(jìn)一步壓縮可以依次得到液態(tài)凝聚膜、固態(tài)凝聚膜。對固態(tài)凝聚膜進(jìn)一步壓縮，最終將會導(dǎo)致單分子膜的破裂和或雙分子層或多分子層的形成，這時可以觀察到繼續(xù)壓縮分子膜時，膜的表面壓不變甚至降低，此時表面壓的恒定值或最大值稱為單分子膜的崩潰壓。

2.2 不同亞相表面所得π－A曲線

由圖1～2可以看出:當(dāng)溫度在25.0℃附近時，分子極限面積A0變小，相變點的變化較明顯，曲線也會外擴;當(dāng)溫度升到14.0℃、38.0℃附近時相變延遲，固相部分減小，相變變化不明顯。

產(chǎn)生這種變化趨勢的原因:首先，由于離子與極性頭基間有靜電作用，加強了兩膜分子間之間結(jié)合能力，使膜分子間排列更緊密［3］，分子極限面積會變小，相變會提前，曲線會外擴，當(dāng)亞相中加入離子后，溫度升高時，PE分子、金屬離子運動加劇，動能增大，離子與極性頭基相互作用力會減弱，所以磷脂分子就不易形成緊密、規(guī)則的有序單分子層;其次，溫度較低時，磷脂處于凝聚狀態(tài)，分子、離子的運動狀態(tài)不易改變，分子不易壓縮，分子間的作用、分子極性頭基與離子間的相互作用都將延緩;最后，從熱力學(xué)角度來講，描述熱力學(xué)系統(tǒng)有序程度中最有效的熱力學(xué)函數(shù)是熵(ds)，熵的變化主要由外界能量或物質(zhì)交換引起的熵變(des)與系統(tǒng)內(nèi)部不可逆過程引起的熵變(dis)兩部分組成，des一般使熵減少，有序度增大，dis一般使熵增大，有序度減小，當(dāng)溫度逐漸升高時，dis增大，分子有序度減小，亞相離子的有序度也減小［4］，表現(xiàn)在π－A曲線上隨著溫度的增加離子與磷脂酰乙醇胺分子相互作用后所成的膜相變依次滯后。

由圖3～4可以看出:當(dāng)pH值為6.8左右時，崩塌壓最高，相變較明顯，分子極限面積較小;在酸性或者堿性條件下，相變延遲，崩塌壓降低，堿性破壞性更強，曲線不完整。

產(chǎn)生這種變化趨勢可能的原因:首先，磷脂分子是同時帶有正、負(fù)電荷的雙親性分子，2個脂肪酸鏈為疏水基團(tuán)，磷酸和乙醇胺頭部基團(tuán)為親水基，其極性頭部在中性環(huán)境時帶正電荷，而電荷屬性是隨pH值的變化而不斷改變的，當(dāng)pH值增大時，磷脂分子更緊密，并生成能量較低的晶格結(jié)構(gòu)，從而減小了重組的驅(qū)動力［5］，增加了單分子膜的粘度，進(jìn)而減慢了結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移的速度及與離子相互作用的速度，使磷脂分子膜的相變延遲。當(dāng)pH值在6.8附近時，膜的可壓縮性以及與離子作用力最強，穩(wěn)定性最高。其次，pH值為酸性或堿性時PE分子成為半解離PE(－1/2)和PE(－1～1/2)的解離狀態(tài)［6］，相鄰分子形成的分子間氫鍵數(shù)減少，與離子間相互作用力減弱，因而會導(dǎo)致PE單分子膜相變滯后。

3 結(jié)束語

綜上所述，亞相中加入離子后要形成致密單分子膜與亞相溫度、pH值有密切的關(guān)系，溫度、pH值的改變都會影響成膜質(zhì)量。溫度在25.0℃附近、pH值在6.8左右時所成膜較好。本文通過研究溫度、pH值對亞相中加入離子的PE單分子膜的影響，揭示和分析了合適的成膜環(huán)境，對探生物膜的結(jié)構(gòu)和功能具有一定的作用和意義。

［1］薛萍，歐陽健明，鄭文杰.膜/水界面的配位化學(xué)［J］.廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2002(2):64－67.

［2］袁春波，付德剛，丁德勝，等.磷脂酸 Langmuir-Blodgett膜分子結(jié)構(gòu)的原子力顯微術(shù)研究［J］.中國科學(xué):B 輯，1997，27(2):152－157.

［3］藍(lán)永康，劉志存，孫潤廣.離子與單分子膜間靜電相互作用對膜結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性的影響［D］.西安:陜西師范大學(xué)，2009.

［4］秦允豪.熱學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，2000:318－319.

［5］郝長春.孫潤廣.物理因素對磷脂酰膽堿單分子層影響的研究［J］.原子與分子物理學(xué)報，2007，24(5):935－936.

［6］孫潤廣，張靜.液晶態(tài)磷脂酰乙醇胺脂質(zhì)體和膜結(jié)構(gòu)的研究［J］.高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報，2003，24(7):1256－1261.