利用實(shí)驗(yàn)室開放項(xiàng)目做好“二維單分子膜實(shí)驗(yàn)”*

朱華澤 張 濤 李 敏

(西安科技大學(xué)理學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)中心 陜西 西安 710054)

利用實(shí)驗(yàn)室開放項(xiàng)目做好“二維單分子膜實(shí)驗(yàn)”*

朱華澤 張 濤 李 敏

(西安科技大學(xué)理學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)中心 陜西 西安 710054)

單分子膜及其相關(guān)技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，本文介紹了我校在本科生實(shí)驗(yàn)室開放項(xiàng)目中開設(shè)的“二維單分子膜實(shí)驗(yàn)”，并從力學(xué)和熱力學(xué)的角度對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做了舉例分析．對(duì)該實(shí)驗(yàn)在人才培養(yǎng)中的重要意義以及實(shí)驗(yàn)本身的進(jìn)一步延伸和拓展做了介紹．

單分子膜 實(shí)驗(yàn)素養(yǎng) 前沿技術(shù)

1 引言

各類實(shí)驗(yàn)室是高等學(xué)校辦學(xué)的三大支柱之一，不僅承擔(dān)著教學(xué)、科研重要職責(zé)，也是高校社會(huì)服務(wù)的重要窗口．近幾年來(lái)，為了培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力，提高實(shí)驗(yàn)室及實(shí)驗(yàn)設(shè)備的利用率，我校積極推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室開放的改革和實(shí)踐探索，利用實(shí)驗(yàn)室的資源優(yōu)勢(shì)，開設(shè)大量的實(shí)驗(yàn)室開放項(xiàng)目．我校的實(shí)驗(yàn)室開放項(xiàng)目是以正式建制的各類實(shí)驗(yàn)室為場(chǎng)所，在完成正常教學(xué)、科研任務(wù)的前提下，利用現(xiàn)有師資、儀器設(shè)備、環(huán)境條件等資源對(duì)本校學(xué)生的開放．開放形式分為教師課題引導(dǎo)型、實(shí)驗(yàn)室課題引導(dǎo)型和學(xué)生課題引導(dǎo)型．開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)施深化了學(xué)校的教育教學(xué)改革，豐富了校園文化科技氛圍，培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力，現(xiàn)已成為提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要手段[1,2]．

二維單分子膜實(shí)驗(yàn)是物理中傳統(tǒng)而經(jīng)典的“油膜法測(cè)分子直徑”實(shí)驗(yàn)的延伸和拓展[3, 4]．在高年級(jí)本科生中開設(shè)二維單分子膜的探究實(shí)驗(yàn)，不僅有助于學(xué)生了解前沿物理技術(shù)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；更有助于培養(yǎng)和提高學(xué)生的科學(xué)實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)，建立正確的科學(xué)思想和科學(xué)方法．

本文介紹了我校實(shí)驗(yàn)室開放項(xiàng)目中的“二維單分子膜實(shí)驗(yàn)”，并就實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)做了詳細(xì)的闡釋，對(duì)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步拓展提出了建議．

2 實(shí)驗(yàn)舉例

2.1 實(shí)驗(yàn)方法簡(jiǎn)介

磷脂分子(如本文選用的二棕櫚酰基磷脂酰膽堿，DPPC)是單分子膜實(shí)驗(yàn)理想的成膜分子，這類分子的特點(diǎn)是具有兩親性，即分子的一頭是親水基團(tuán)，另一頭是疏水的碳?xì)溟L(zhǎng)鏈．將磷脂分子的稀溶液滴加在水面上，分子的親水基團(tuán)伸向水里，疏水基團(tuán)朝向空氣而在水面上鋪展開來(lái)．待溶劑分子完全揮發(fā)后，即可在氣-液界面(如空氣-水界面)處形成一層二維單分子膜，如圖1所示．

圖1 LB膜分析儀原理圖

將DPPC溶解在氯仿中，使其摩爾濃度為1 mmol/L，密封后在冰箱中冷藏保存?zhèn)溆茫脽o(wú)水乙醇擦洗Langmuir槽和膜障(KSV Nima-KN2001型LB膜分析儀)，之后用3次蒸餾水沖洗后即可開始實(shí)驗(yàn)．亞相使用3次蒸餾水(可根據(jù)需要在亞相中添加各種鹽，也可以配制不同pH值的亞相)，用微量進(jìn)樣器精確吸取40μL的DPPC溶液，分散地滴加在亞相表面，靜置15 min以使氯仿完全揮發(fā)．之后以20 cm2/min的速度壓縮亞相表面，采用膜壓傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)并記錄單分子膜的膜壓(π)及其對(duì)應(yīng)的平均分子占有面積(A)值．制備Langmuir-Blodgett(LB)膜時(shí)，以新鮮解離的云母片作為基片．將單分子膜壓縮至15 mN/m后穩(wěn)定15 min，然后以1 mm/min的速率將界面處的單分子膜轉(zhuǎn)移至云母基片上．將制備好的LB膜放置于防塵罩中自然干燥1 h，之后利用原子力顯微鏡檢測(cè)LB膜的表面形貌特征．

實(shí)驗(yàn)操作中需要特別注意的是：實(shí)驗(yàn)前必須將水槽和膜障清洗干凈，以確保成膜分子覆蓋整個(gè)液面；成膜物質(zhì)的溶液濃度不宜過(guò)大，加樣時(shí)使用微量進(jìn)樣器，加樣量不宜過(guò)多，否則容易形成多層膜．建議正式實(shí)驗(yàn)前，對(duì)溶液濃度和加樣量做梯度預(yù)實(shí)驗(yàn)，找到最佳溶液濃度和加樣量后再進(jìn)行正式實(shí)驗(yàn)．

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.2.1 平均分子占有面積

DPPC分子鋪展在水面上引起水的表面張力改變，單分子膜的表面壓為純水的表面張力(γ0)與覆蓋了膜后的表面張力(γ)之差[5]，即

π=γ0-γ

(1)

將表面膜壓(π)及其對(duì)應(yīng)的平均分子占有面積(A)值導(dǎo)入進(jìn)Origin軟件，繪制出π-A等溫曲線(圖2)．正如三維空間中常用壓力-體積關(guān)系圖(p-V)曲線來(lái)表征物質(zhì)的狀態(tài)一樣，對(duì)于二維單分子膜常用對(duì)應(yīng)的表面膜壓-平均分子占有面積(π-A)等溫線來(lái)表征單分子膜的狀態(tài)．

圖2 表面壓(π)和靜態(tài)彈性模量)隨

磷脂分子平均分子面積(A)的變化關(guān)系

2.2.2 單分子膜的靜態(tài)彈性模量

處于空氣-水界面處的二維單分子膜的靜態(tài)彈性模量反映了成膜分子在空氣-水界面上達(dá)到物質(zhì)、能量交換平衡時(shí)抵抗表面形變的能力．其值可利用π-A曲線直接求得，即對(duì)單分子膜π-A曲線的每一點(diǎn)做微分(方程2)，便可以得到對(duì)應(yīng)于每一膜壓值的靜態(tài)彈性模量(圖2)[5, 6]，有

(2)

從圖2可以看出，二維單分子膜處于“氣態(tài)”時(shí)的靜態(tài)彈性模量接近于零；隨著表面壓的升高，彈性模量增大，在平均分子面積約為0.60 nm2時(shí)出現(xiàn)一個(gè)極大值，這對(duì)應(yīng)于單分子膜從液態(tài)擴(kuò)張膜向液態(tài)壓縮膜轉(zhuǎn)變的開始；值得注意的是在單分子膜發(fā)生相變的過(guò)程中，靜態(tài)彈性模量經(jīng)歷了先減小再增大的一個(gè)轉(zhuǎn)變過(guò)程；處在液態(tài)擴(kuò)張相的單分子膜，其靜態(tài)彈性模量隨著壓縮的進(jìn)行而再次增加；在壓縮的末尾階段，DPPC分子緊密排列，繼續(xù)壓縮最終導(dǎo)致單分子層發(fā)生褶皺，出現(xiàn)雙層膜和多層膜，同時(shí)靜態(tài)彈性模量迅速減小，當(dāng)其值減小為零時(shí)單分子層完全崩潰．

2.2.3 自由能分析

依據(jù)π-A等溫曲線，利用Gershfeld[7]和Goodrich[8]模型可分別計(jì)算出單分子模在壓縮中的亥姆赫茲自由能ΔF(π)和吉布斯自由能ΔG(π)

(3)

(4)

這兩種模型具有不同的基本假設(shè)，因而得到不同的分析結(jié)果．

對(duì)于亥姆赫茲自由能模型(Gershfeld模型)：在單分子膜壓縮實(shí)驗(yàn)中(等容、等溫、等壓條件下)參與氣-液界面形成的亥姆赫茲自由能等于整個(gè)系統(tǒng)所做的功

dF=dw=γdA

(5)

其中自變量為平均分子面積A，因變量為表面張力γ．Langmuir膜天平實(shí)驗(yàn)在熱力學(xué)上可以看做是形成氣-液界面；該氣-液界面可看做是由兩部分組成的，一部分是兩個(gè)滑障之間含有成膜分子的界面；另一部分則是位于滑障外側(cè)的純水界面(圖1)．計(jì)算出壓縮過(guò)程中這兩部分界面各自所做的功，則二者的和即為整個(gè)系統(tǒng)所做的功．在膜天平實(shí)驗(yàn)中，整個(gè)系統(tǒng)所做的功等于參與界面形成的自由能．

把單分子膜從Ai壓縮至Af(Ai>Af)的過(guò)程中，在兩滑障間形成氣-液界面系統(tǒng)所做的功為

(6)

負(fù)號(hào)表示壓縮膜的過(guò)程不是自發(fā)的，也就是說(shuō)要有外力(滑障)通過(guò)壓縮單分子膜對(duì)其做正功．外力對(duì)系統(tǒng)做的正功等于系統(tǒng)對(duì)外做的負(fù)功．在壓縮滑障間單分子膜的同時(shí)，系統(tǒng)消耗能量(做正功)并在滑障外側(cè)生成新的氣-液界面，該正功可表示為

(7)

其中γ0(A)是指氣-液界面上沒(méi)有成膜分子時(shí)的表面張力．式(5)與式(6)之和即為整個(gè)系統(tǒng)做的功，也等于壓縮中參與氣-液界面形成的自由能

(8)

由式(1)、(5)、(7)，得

(9)

這就是利用亥姆赫茲模型計(jì)算自由能的基礎(chǔ)，其優(yōu)點(diǎn)在于與膜天平操作是一致的，即通過(guò)滑障的移動(dòng)(自變量)來(lái)改變并測(cè)量表面壓(因變量)．

與亥姆赫茲自由能模型不同，在吉布斯自由能模型(Goodrich模型)中是以液面的表面張力γ作為自變量、以平均分子面積作為應(yīng)變量來(lái)定義單分子膜熱力學(xué)特征量的，即：dG=-Adγ，讀者可參考亥姆赫茲自由能的推導(dǎo)過(guò)程自行推導(dǎo)吉布斯自由能的計(jì)算公式．需要注意的是在吉布斯自由能模型中，膜障外是純水界面，因而在壓膜的過(guò)程中表面張力固定不變，在形成滑障外氣-液界面的過(guò)程中系統(tǒng)沒(méi)有做功，盡管在物理上看起來(lái)是站不住腳的，但這是吉布斯模型中所用假設(shè)的數(shù)學(xué)結(jié)果．

從圖3可以看出：在壓縮過(guò)程中，當(dāng)單分子膜的表面壓開始升高時(shí)，參與形成氣-液界面上二維單分子膜的亥姆赫茲自由能或吉布斯自由能開始增加，但由于Gershfeld模型和Goodrich模型所選自變量不同，所以在壓縮過(guò)程中兩種自由能的增長(zhǎng)速率和所能達(dá)到的最大值均不同．不難發(fā)現(xiàn)，利用Goodrich模型計(jì)算出的自由能遠(yuǎn)大于利用Gershfeld模型計(jì)算出的自由能，這體現(xiàn)了兩種模型所隱含的基本假設(shè)的不同．

圖3 單分子膜在壓縮中的自由能

2.2.4 單分子膜的顯微觀察

用AFM觀察DPPC單分子膜聚集行為是研究分子間相互作用、表征單分子膜表面形貌結(jié)構(gòu)的有效途徑．圖4給出了表面壓為15 mN/m時(shí)轉(zhuǎn)移到云母片上的DPPC單分子膜的表面形貌．從圖4(a)中可以看出，在低表面壓下DPPC分子形成了較小的單分子微區(qū)，各微區(qū)的邊緣呈樹枝狀結(jié)構(gòu)，并將各微區(qū)連通，其三維圖像如圖4(c)所示．圖4(b)給出了圖4(a)中畫線處的剖面圖，箭頭標(biāo)記處的相對(duì)高度約為1.588 nm．

圖4 DPPC單分子膜的AFM圖像.掃描范圍10μm,標(biāo)尺2μm

3 討論

二維單分子膜超薄有序，能在分子水平上對(duì)薄膜的結(jié)構(gòu)以及物理、化學(xué)性能加以控制，實(shí)現(xiàn)成膜分子在膜層內(nèi)二維有序排列與組合，組建超分子結(jié)構(gòu)以及超微復(fù)合材料，觀察一般環(huán)境下無(wú)法進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)和物理現(xiàn)象[5]．將單分子膜轉(zhuǎn)移到固體基片上，在仿生膜材料、傳感器、分子自組裝等研究中具有重要的應(yīng)用．利用Langmuir-Blodgett膜分析儀可以很容易地將空氣-水界面處的單分子膜轉(zhuǎn)移的固體基片上并開展進(jìn)一步研究，比如利用電鏡或者原子力顯微鏡對(duì)單分子膜的表面形貌進(jìn)行表征，利用紅外光譜和拉曼光譜研究單分子膜的頭尾基團(tuán)取向和膜的有序性，還可以利用X射線衍射分析單分子膜中分子的有序性、膜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和單分子膜的不同相態(tài)等等．實(shí)驗(yàn)中若將不同的成膜分子同時(shí)滴加到氣-液界面，還可深入研究不同分子間的相互作用、熱力學(xué)穩(wěn)定性、粘彈性、流變學(xué)性質(zhì)等等．在條件許可的前提下，二維單分子膜探究實(shí)驗(yàn)可作為大學(xué)生物理開放實(shí)驗(yàn)以及創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、研究性實(shí)驗(yàn)開設(shè)．通過(guò)該實(shí)驗(yàn)：

(1)學(xué)生不僅可以了解單分子膜的概念，還可以對(duì)很多物理概念(比如，表面張力、分子面積、彈性模量、自由能、做功等等)加深理解；

(2)由于該實(shí)驗(yàn)操作中存在精確稱量的步驟，這可有效鍛煉學(xué)生耐心和細(xì)心；

(3)對(duì)π-A曲線的分析可以充分鍛煉學(xué)生的邏輯思維能力；

(4)該實(shí)驗(yàn)具有很好的拓展性，學(xué)生可以設(shè)計(jì)各種各樣的二維單分子膜，可以充分培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)；

(5)該實(shí)驗(yàn)可將物理、化學(xué)和生物聯(lián)合起來(lái)，體現(xiàn)出物理理論、物理方法在化學(xué)和生物學(xué)中的應(yīng)用，從而可以大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；

(6)本實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)量大，學(xué)生需要利用Origin等專門軟件進(jìn)行分析處理，這可以有效鍛煉學(xué)生的數(shù)據(jù)處理能力．

1 姚菊香.實(shí)驗(yàn)室開放項(xiàng)目的實(shí)施與體會(huì).實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),2015,13(4):186～188

2 朱華澤,孫潤(rùn)廣,張鵬利.開發(fā)設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的嘗試.物理通報(bào),2016(9):108～111

3 郝長(zhǎng)春,孫潤(rùn)廣.“單分子油膜測(cè)分子大小”實(shí)驗(yàn)探究.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2015(6):58～59

4 段銀根.用油膜法估測(cè)分子大小.教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn),2005(11):23～24

5 何平笙.二維狀態(tài)下的聚合,單分子膜和 Langmuir-Blodgett膜的聚合.合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,2008

6 Zhu H,Sun R,Hao C,et al.A Langmuir and AFM study on interfacial behavior of binary monolayer of hexadecanol/DPPE at the air-water interface.Chemistry & Physics of Lipids, 2016, 201:11～20.

7 Gershfeld N L,Pagano R E.Physical chemistry of lipid films at the air-water interface.Ⅲ.Condensing effect of cholesterol.Critical examination of mixed-film studies. Journal of Physical Chemistry, 1972, 76 (9) : 1 244～1 253

8 Goodrich F C,1957.In:Schulman,J.H. (Ed.),Second International Congress on Surface Activity,vol.I,Butterworth & Co.,London,.85

Highlights:Monolayer film and its related technologies have been widely used in many fields. In this paper, the laboratory opening project for undergraduates of “Two Dimensional Monolayer Experiment” was introduced, and the experimental data were analyzed from the point of view of mechanics and thermodynamics as an example. Lastly, the significance of the experiment in personnel training and the further extension and expansion itself was described.

DoingagoodjoboftheTwoDimensionalMonolayerExperimentwith the SupportingofLaboratoryOpeningProject

ZhuHuazeZhangTaoLiMin

(CollegeofScience,Xi′anUniversityofScienceandTechnology,YantaRoadNo.58,Xi′an,Shannxi710054)

monolayer；experimental literacy；frontier technology

*陜西省科技廳工業(yè)攻關(guān)項(xiàng)目，編號(hào)：2016GY-041；西安科技大學(xué)教育教學(xué)改革與研究項(xiàng)目，編號(hào)：ZX16084，JG14112，JG16009；西安科技大學(xué)實(shí)驗(yàn)室開放項(xiàng)目：二維單分子膜制備及熱力學(xué)分析.

2017-05-04)