温度、pH值对金属离子与磷脂酰乙醇胺相互作用成膜的影响

常 曼，刘志存

(陕西师范大学 物理与信息技术学院生物物理与生物医学工程研究室，西安 710062)

目前制备功能性优质的LB膜备受关注。LB膜中引入金属离子使其具有特殊的磁性、导电性等物理性质，LB膜在这些特性下将具有更广泛的潜在应用价值。因此，探索金属离子与Langmuir膜和LB膜的作用机制，有利于制备高性能的材料膜，也将促进生物膜的功能以及生物分子与界面作用的研究，有益于阐明生命过程中的物质、能量和信息传递等过程［1］。

本文利用KSV Minitrough研究金属离子与磷脂酰乙醇胺相互作用成膜条件，通过改变温度、pH值找到一个合适的成膜环境，为以后的相关研究提供一定的参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

1，2－二十四甘油酸－3－磷脂酰乙醇胺(DEPE)，乙醚，离子交换二次蒸馏水，氢氧化钠－甘氨酸缓冲液，磷酸氢二钠－柠檬酸缓冲液，亲水性云母基片，离子化合物包括(NaCl、KCl、MgCl2)。

1.2 实验仪器

实验所用仪器为由芬兰KSV公司生产的Mintrough小型膜分析仪器。膜天平测量范围:0～1 mN/m;分辨率:4 μN/m;滑障压缩速度:0.01 ～400 mm/min;水槽尺寸:364 mm×75 mm×5 mm;心深度:70 mm;亚相体积:0.16 L。

1.3 实验方法

首先，将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)型恒温浴槽来控制亚相的温度T。

其次，将150 μL的磷脂酰乙醇胺乙醚溶液用微量注射器均匀滴在不同亚相液面上，使其自动迅速铺展15 min，待液面上的乙醚溶液完全挥发后，以10 mm/min的速度压膜。膜表面压用Minitrough吊片式天平检测，测量精度为0.1 mN/m。压膜开始后计算机自动记录π－A曲线。不同实验情况下的亚相、温度、最大膜压以及加入磷脂酰乙醇胺乙醚溶液的体积见表1。

表1 实验选用的亚相及操作条件

2 结果

2.1 单分子膜的相变理论

在二维空间，即表面上，成膜分子也可以形成与三维空间类似的气态、液态和固态。若成膜分子所占的面积A很大(＞4 000埃2/分子)，表面压π很小(＜0.1 mN/m)，这时π－A的关系很像三维空间中理想气体的p－V关系，可由式(1)来表示。

式中:k为玻耳兹曼常数;T为热力学温度。这种膜叫理想气态膜。随着π的增大，气态膜继续压缩，膜的压缩率变小，膜压随膜面积的减小而显著上升，此时分子膜则进入液态扩张态，成为液态扩张膜。将液态膜再进一步压缩，表面膜进入另一种状态，称为转变膜或中间膜［2］。对转变膜进一步压缩可以依次得到液态凝聚膜、固态凝聚膜。对固态凝聚膜进一步压缩，最终将会导致单分子膜的破裂和或双分子层或多分子层的形成，这时可以观察到继续压缩分子膜时，膜的表面压不变甚至降低，此时表面压的恒定值或最大值称为单分子膜的崩溃压。

2.2 不同亚相表面所得π－A曲线

由图1～2可以看出:当温度在25.0℃附近时，分子极限面积A0变小，相变点的变化较明显，曲线也会外扩;当温度升到14.0℃、38.0℃附近时相变延迟，固相部分减小，相变变化不明显。

产生这种变化趋势的原因:首先，由于离子与极性头基间有静电作用，加强了两膜分子间之间结合能力，使膜分子间排列更紧密［3］，分子极限面积会变小，相变会提前，曲线会外扩，当亚相中加入离子后，温度升高时，PE分子、金属离子运动加剧，动能增大，离子与极性头基相互作用力会减弱，所以磷脂分子就不易形成紧密、规则的有序单分子层;其次，温度较低时，磷脂处于凝聚状态，分子、离子的运动状态不易改变，分子不易压缩，分子间的作用、分子极性头基与离子间的相互作用都将延缓;最后，从热力学角度来讲，描述热力学系统有序程度中最有效的热力学函数是熵(ds)，熵的变化主要由外界能量或物质交换引起的熵变(des)与系统内部不可逆过程引起的熵变(dis)两部分组成，des一般使熵减少，有序度增大，dis一般使熵增大，有序度减小，当温度逐渐升高时，dis增大，分子有序度减小，亚相离子的有序度也减小［4］，表现在π－A曲线上随着温度的增加离子与磷脂酰乙醇胺分子相互作用后所成的膜相变依次滞后。

由图3～4可以看出:当pH值为6.8左右时，崩塌压最高，相变较明显，分子极限面积较小;在酸性或者碱性条件下，相变延迟，崩塌压降低，碱性破坏性更强，曲线不完整。

产生这种变化趋势可能的原因:首先，磷脂分子是同时带有正、负电荷的双亲性分子，2个脂肪酸链为疏水基团，磷酸和乙醇胺头部基团为亲水基，其极性头部在中性环境时带正电荷，而电荷属性是随pH值的变化而不断改变的，当pH值增大时，磷脂分子更紧密，并生成能量较低的晶格结构，从而减小了重组的驱动力［5］，增加了单分子膜的粘度，进而减慢了结构转移的速度及与离子相互作用的速度，使磷脂分子膜的相变延迟。当pH值在6.8附近时，膜的可压缩性以及与离子作用力最强，稳定性最高。其次，pH值为酸性或碱性时PE分子成为半解离PE(－1/2)和PE(－1～1/2)的解离状态［6］，相邻分子形成的分子间氢键数减少，与离子间相互作用力减弱，因而会导致PE单分子膜相变滞后。

3 结束语

综上所述，亚相中加入离子后要形成致密单分子膜与亚相温度、pH值有密切的关系，温度、pH值的改变都会影响成膜质量。温度在25.0℃附近、pH值在6.8左右时所成膜较好。本文通过研究温度、pH值对亚相中加入离子的PE单分子膜的影响，揭示和分析了合适的成膜环境，对探生物膜的结构和功能具有一定的作用和意义。

［1］薛萍，欧阳健明，郑文杰.膜/水界面的配位化学［J］.广东工业大学学报，2002(2):64－67.

［2］袁春波，付德刚，丁德胜，等.磷脂酸 Langmuir-Blodgett膜分子结构的原子力显微术研究［J］.中国科学:B 辑，1997，27(2):152－157.

［3］蓝永康，刘志存，孙润广.离子与单分子膜间静电相互作用对膜结构及稳定性的影响［D］.西安:陕西师范大学，2009.

［4］秦允豪.热学［M］.北京:高等教育出版社，2000:318－319.

［5］郝长春.孙润广.物理因素对磷脂酰胆碱单分子层影响的研究［J］.原子与分子物理学报，2007，24(5):935－936.

［6］孙润广，张静.液晶态磷脂酰乙醇胺脂质体和膜结构的研究［J］.高等学校化学学报，2003，24(7):1256－1261.