摘要

我们利用表面敏感技术振动SUM频率产生光谱结合表面压力测量，对水中自组装的偶氮苯基光开关脂质单层进行了分子深入研究。光脂质可经历波长依赖的、光触发的顺/反和顺/反异构化，允许可逆控制表面压力和单层中脂质的分子顺序。如果光开关脂质与传统磷脂（如1,2-二棕榈酰-sn-甘油-3-磷酸胆碱（DPPC））嵌在一层中，我们表明，在偶氮苯基脂质的两种状态之间切换会影响DPPC的表面压力和分子顺序。值得注意的是，具有较高表面压力的状态（顺式状态）以较低的分子有序度为特征。这个违反直觉的结果可以通过注意到顺式状态的偶氮苯部分具有更高的偶极矩来理解，因此有利于与水的相互作用。该系统的表面自由能通过与界面上的脂质头基的静电相互作用而降低（表面压力增加），导致脂质尾与顺式偶氮苯形成环。这种光开关脂质尾部的紊乱扰乱了DPPC的顺序。

导言

偶氮苯基表面活性剂分子的自组装单分子膜是一种独特的光开关界面，在纳米技术中具有潜在的传感器应用前景。1-3波长约400 nm的光在顺式和反式状态之间切换表面活性剂可导致表面压力、表面电位、囊泡稳定性和临界胶束浓度的显着差异。2,4-7还表明，将偶氮苯基表面活性剂嵌入人工膜中，可以对机械敏感膜通道蛋白的活性进行外部光学控制。8因此，了解开关过程背后的分子细节对于开发人工门控机制也很重要，这可能最终用于生物学和医学应用。9尽管开关过程很重要，但在分子水平上缺乏对开关过程的详细理解。5.

图1：。顺式和反式构型的光开关脂质DT Azo-5P和d75 DPPC的分子结构。右上角的插图显示了CHCl3中DT Azo-5P的紫外/可见光谱(∼在370 nm（顺式）和450 nm（反式）下辐照约10 s后，使用7μM，1 cm反应杯）。

在此，我们研究了光开关脂质DT Azo-5P（图1）的单分子膜，该单分子膜是纯的，并与脂质1,2-二棕榈酰-sn-甘油-3-磷酸胆碱（DPPC）混合。如图1中的紫外/可见光谱所示，光活性脂质可分别在370 nm和450 nm的光照下从其反式状态切换到顺式状态并返回。我们将表面压力测量与无标签、宽带振动和频产生（VSFG）光谱相结合。这些技术使我们能够研究空气-水界面上的脂质分子单层。可以获得有关脂类与水分子相互作用的信息以及脂类的分子结构。在非线性光学技术VSFG中，红外（IR）光束和可见光（VIS）光束在界面处组合，产生具有两个入射光束和频率的信号。如果红外与分子振动共振，信号就会强烈增强。研究表明，这种通过分子振动的技术可以提供有关脂类分子构象和取向的信息。11-18和频产生在中心对称介质中是被禁止的，因为它是一个二阶非线性光学过程。19因此，该技术对中心对称材料（例如水表面）的最外表面分子层敏感。相反，缺少信号表明界面上的材料或分子基团是中心对称的。对于金表面偶氮苯功能化的自组装单分子膜，SFG在确定光异构化的截面和机理方面非常有用。得出的结论是，光异构化是由直接电子激发驱动的，类似于液相中的偶氮苯。3我们将表明，通过切换光脂，可以可逆地控制脂质的表面压力和分子顺序。在同时含有光脂和脂质DPPC的混合单分子膜中，我们可以通过光学切换偶氮苯基脂质来控制DPPC的顺序。这为体外控制脂质-脂质相互作用提供了一种新的手段。

实验

样品前面已经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实验中，将20层DT Azo-5P（或-3P和-9P）单分子膜从0.6 mM氯仿溶液中扩散到空气H2O（微孔，18 MΩ/cm-1）界面上，在自制的7×7 cm2槽中进行VSFG实验，并在6×23 cm2的商用金属朗缪尔槽（摩登7 Inc.，）中进行等温线测量。正常DPPC和d75 DPPC（图1）从Avanti极性脂质中获得，均溶于氯仿中，浓度约为0.7 mM。两种脂类的混合物是通过在表面摊铺之前混合每种化合物的溶液制成的。每个分子的面积由散布在水面上的0.5μL液滴的数量控制。使用中心波长为370和450 nm、功率分别为8.3和21 mW的二极管在光开关脂质的两种构象之间进行切换，如图1所示。我们将370 nm和450 nm辐照后的系统分别称为“顺式”和“反式”状态，尽管总是存在构象的混合物。由于顺式和反式之间的吸收差在370nm左右非常大，因此可以获得相对纯净的顺式状态。如果假设顺式状态在390 nm处的吸光度为零（图1），则该波长处的吸光度较小是由顺式状态中存在的反式状态引起的。由于390 nm处的吸光度是完全热平衡跨光谱的5%，我们得出结论，最多有5%的跨分子对整个吸收光谱有贡献。如果顺式状态在390 nm处有一个很小的吸收，则存在的反式分子分数甚至低于这5%。然而，450 nm处顺式构象和反式构象之间的吸收对比度并没有那么大，导致一些顺式分子出现在，我们这里称之为反式状态。反式状态将被顺式分子“污染”。由于反式状态对热有利，辐照平衡将更多地转移到反式状态，从而降低顺式污染。通过将完全热平衡反式态的UVvis吸收光谱与450 nm辐照半分钟后的光谱进行比较，可以从观察中提取顺式污染的量，即后一个光谱可以由完全热平衡反式光谱的0.75倍和顺式光谱的0.25倍构成。由此我们得出结论，反式状态中最多存在25%的顺式“污染”。如果样品保持在黑暗中，顺式状态的UV和SFG光谱在30分钟内不会发生变化：显然，从顺式到反式的热转变很慢。transcis和顺-反异构化的量子产率都与波长有关，通常达到数十%。（参见参考文献21）。

设置。表面压力测量。使用商用张力计（摩登7）以针为探针测量表面压力。在压缩等温线实验中，该层以∼7Å2/分子/分钟，带有两个移动屏障。在等温线实验中，用370 nm的光照射样品约60 s，然后将其摊铺在表面，制备出分子的顺式状态。

振动和频发生光谱学。使用可见光脉冲（12540 cm-1，∼20μJ，带宽17 cm-1，半最大全宽，fwhm），与宽带红外脉冲重叠（中心为2160或2960 cm-1，分别研究C-D和C-H拉伸模式，脉冲能量为∼5μJ，半高宽带宽为150 cm-1）。这些红外脉冲是由OPG/OPA（TOPAS，光转换）产生的，OPG/OPA由∼100 fs放大钛宝石激光系统（Legend，Coherent，Inc.）。窄带可见光脉冲提供了实验的光谱分辨率，而宽带红外脉冲允许同时检测多种振动模式。10,22为了校正红外功率的频率依赖性，VSFG光谱通过z切石英的参考光谱进行归一化。可见光和红外光束相对于表面法线的入射角分别为35
和40
。两条光束都聚焦到大约100μm的束腰。可见光束的注量足够低，可以避免偶氮苯部分的双光子异构化，这是通过比较辐照前后的光谱来检查的。VSFG光通过单色仪进行光谱分散，并通过电子倍增电荷耦合器件（EMCCD和或技术）进行检测。除非另有说明，否则在s极化VSFG、s极化VIS和p极化IR（SSP）条件下，纯DT Azo-5P实验在60 s内记录VSFG光谱，混合物在180 s内记录VSFG光谱。在我们交替使用顺式和反式状态的实验中，二极管从上方照射系统。二极管发出的光没有聚焦，几乎照射了整个槽，因此，由于脂质从照射区域外扩散到激光焦点而导致的信号失真不是一个重要因素。压力计和激光焦点均位于二极管照射区域内。我们始终照射至少100 s（分别对应于370和450 nm的1.5
1018和4.8
1018光子），以获得最大转化率，这从动力学研究中可以明显看出：照射超过100 s不会再改变压力和VSFG信号。