膜模拟体系的振动光谱研究进展12

1、膜模拟体系的振动光谱研究进展王玮1，李萍2，崔鑫3，李来明1*，席时权1（1中国科学院长春应用化学研究所，吉林,长春 130022；2.济南大学化学化工学院，山东,济南 250022；3.潍坊科技职业学院，山东,寿光 262700）摘 要：评述了振动光谱法在胶体和界面科学中的应用研究，以及膜模拟体系振动光谱研究的新进展。引文259篇。关键词：膜模拟体系；振动光谱；评述中图分类号：O657.3 文献标识码:A1引 言膜是组成细胞的要素，在生物体中当然也是组成组织的要素，生物膜为我们提供了大小、形状和微环境都一定的单元，它们把活的物质组织到一个细胞里，造成一种流动的二维基体，并且可控制溶质的输运。

2、细胞的种种功能，像识别、融合、胞吞、胞泌、细胞间相互作用、激发性、易位、输运和渗透等都是以膜为媒介的过程。生物膜的微妙结构使许多复杂的传质、传能过程得以顺利进行，成为维持生命的一种特殊凝聚态，膜的形态结构与其功能间有着不可分割的联系12。虽然膜的组成因其来源而异，但一般来说，其干重的4050为类脂，5060为蛋白质，这两种物质通过化学键以外的相互作用而结合成复合体。膜中的类脂是极性的类脂，它由疏水的尾部基团和亲水的头部基团所组成。人们现已最广泛接受的类脂和蛋白质在膜中的排列分布是1972年Singer和Nicolson提出的流动镶嵌模型3，它是以磷脂和脂糖构成的双分子层为基质，其表面或内部镶嵌

3、着蛋白质，起着具有渗透性的屏障作用。有关膜的许多物理和化学知识都是通过对模拟体系的研究而得到的。表面活性剂的胶束（micella）、微乳（microemulsion）、单分子层（monolayer）、双分子层（bilayer）、磷脂泡囊（vesicle，liposome）、主宾（host-guest）体系以及聚离子（polyion）等是最广泛应用的膜模拟体系49，LB膜(LangmuirBlodgett film)10-12则以其特殊的排列有序性和人工可控制性成为一种更为优良的体系，LB技术提供了在分子水平上人工控制排布方式的手段，使人们有可能按照需要来组建分子聚集体。但是应该认识到，还没有一

4、个模型体系可以完美到能如实地模拟出复杂膜集合体的各个方面。脂质体与生物膜之间还存在着重要的差别13，这些模型只能作为思维的支柱来帮助我们的理解。但是研究膜模拟体系还有一个重要的目的，即以在比较简单的体系中模拟膜为介质的过程作基础，开发新的实际应用。毫无疑问，膜的功能归根结底取决于组成膜二维凝聚体中所有分子的协同作用，而协同作用又取决于分子的聚集状态、组成形式及取向特征。要从本质上探讨膜的结构与功能的关系，就必须在分子水平上了解其内部的分子相互作用、构型、构象等结构化学信息。核磁共振（NMR）、电子自旋共振（ESR）、光旋散和圆二色性、荧光、X-射线衍射、电子显微镜以及热分析等现代物理技术都已广

5、泛地应用于生物膜研究的各个领域。振动光谱是研究分子结构及分子间相互作用的有力手段，在研究膜体系的过程中日益显示出其强大的威力1423。近几十年来，振动光谱技术有了非常迅速的发展，付立叶变换红外光谱和激光拉曼光谱以其对分子间和分子内相互作用的高度灵敏性，已成为研究膜模拟体系中分子填充以及几何构型的有效工具。振动光谱在类脂双分子层和泡囊结构方面的研究开展得较为广泛，但有关水溶液中合成表面活性剂的胶束、液晶或其他结构方面的研究则相对少得多。在界面化学领域，如聚合物和蛋白质的吸附、表面活性剂吸附形成的所谓“自组装”单分子层和多分子层以及人工组装的LB膜等，红外光谱的研究是近20年间才迅速发展起来的。2

6、表面活性剂化合物的常用特征振动谱带Snyder24-41等已对长链正烷烃的振动光谱进行了详尽的研究，表面活性剂尾部链结构的研究主要是以这些研究的结论为基础。其中最为重要的是红外光谱中2925cm1和2850cm1附近强的CH2反对称和对称伸缩振动谱带，该谱带的频率、带宽、峰高以及积分面积等光谱参数对于烷基链中反式/扭曲式（trans/gauche）构象异构体数目的相对比例非常敏感，因此该振动模式常用于研究受温度、压力或聚集体组分改变而引起的两亲性化合物尾链有序程度的变化。拉曼光谱中CH2反对称和对称伸缩振动谱带分别出现在2880和2850cm1附近，它们与双亲性化合物的状态变化密切相关，293

7、0cm1附近的费米振动谱带对分子所处环境的变化也相当灵敏，利用拉曼谱带峰高强度比2880/2850和2880/2930可度量烷基链侧向填充有序度及链的“流动”程度4245。拉曼光谱在骨架伸缩振动区域1130和1060cm1附近的谱带分别归属为全反式构象的CC反对称和对称伸缩振动，而1090 cm1附近的谱带则归属于扭曲式构象的CC伸缩振动，这些谱带可以反映烷基链构象的变化。峰高强度比1060/1090和1130/1090常用于度量反式/扭曲式构象异构体数目的相对比例4653。红外光谱中1470cm1附近的CH2剪式变角振动模式（scissoring mode）和720cm1附近的CH2面内摇摆

8、振动模式（rocking mode）则对于亚甲基链间的相互作用非常敏感，常用来研究碳氢链的填充（packing）方式。表面活性剂头部基团的结构与其水化程度密切相关，并与尾链的填充相互影响，极性头部基团的考虑要视不同化合物的具体情况而定，如磷脂化合物在1734cm1附近的C=O伸缩振动模式16,54,55、磷酸基团在1120和1080cm1附近的PO2 反对称和对称伸缩振动模式56-59、970cm1附近(CH3)3N的伸缩振动模式16以及胆碱基团在717cm1附近的CN对称伸缩振动谱带16等在讨论极性头的结构时都是非常有用的。3浓度对胶束的影响表面活性剂在水溶液中超过一定浓度时单体会缔合成胶束

9、，胶束形成致使溶液性质突变时的浓度称为临界胶束浓度（critical micellization concentration,CMC）。两亲性化合物的胶束溶液一直是胶体化学研究的重要课题，人们对胶束的结构（聚集数目、胶束形状、电荷状态等）与性能（增溶能力和速度、吸附过程等）关系的研究一直有着浓厚的兴趣。早在70年代初期拉曼光谱方法就开始用于研究一些典型的阳离子或阴离子表面活性剂在胶束溶液中的构象以及在CMC时胶束构象的变化60-68，这些表面活性剂体系包括长链脂肪酸盐、烷基硫酸盐、卤化烷基三钾铵等。1971年Lippert 和Peticolas等46,69,70首先注意到烷基链构象的反式/扭曲

10、式构象异构体数量与12001000cm-1区域CC伸缩振动谱带的强度有关，1973年Larsson等71,72的研究也发现CH伸缩区域2880和2850cm-1谱带的相对强度对烷基链的构象及填充变化很敏感，同时注意到2930 cm-1附近的谱带强度与分子所处环境的极性程度有关，他们有关2880 cm-1和2850cm-1谱带强度比的变化的结果表明，无序烷基链侧向填充的“松散”（looseness）程度按下列次序递增：层状液晶相(lamellar liguid crystal)<六方或立方液晶相（hexagonal or cubic liguid crystal）<胶束溶液<有

11、机溶剂溶液。他们所提出的这些反映烷基链状态的拉曼谱带相对强度变化关系一直被人们以后的研究所采用。八十年代初，Umemura等73,74首先用FTIR方法详细研究了系列烷基羧酸钠由浓度变化引起的单体到胶束的转变过程。通过CH2、CH3和COO-反对称伸缩振动谱带的频率和带宽变化给出了尾部和头部基团环境变化的信息。近年来的研究报道已不仅仅局限于简单体系的烷基链构象讨论7578。Takenaka等75,76考察了一种含有偶氮苯生色基团的长链铵表面活性剂在不同波长激发线下的共振拉曼光谱，讨论了强酸性溶液中中性型与质子化型分子之间的平衡情况，由变温拉曼光谱还讨论了低温时表面活性剂分子周围冰的融化对分子构

12、象的影响，由光谱变化还确定了体系由凝胶到分子分散相和由液晶到分子分散相的转变浓度分别为2×10-5和4×10-5M。1990年Scheuing等79,80首先用FT-IR方法研究了混合胶束体系中的胶束结构，十二烷基三甲基氯化铵（DTAC）和十二烷基硫酸钠（SDS）混合胶束体系的红外光谱中CH2谱带频率随体系组分的变化表明，混合胶束体系中的表面活性剂尾链拥挤程度加大了，与用其它方法观察到的体系聚集数目的变化趋势相一致，同时也观察到了不同极性头上SO3-和CH3N+基团谱带的协同变化，表明了表面活性剂之间强的静电相互作用。对于十四烷基二甲基氧化胺与SDS的混合胶束体系，在相图上

13、通常称为L1胶束相的富水区域，其流变学性质随体系组分的改变呈现出强烈变化，光谱研究结果表明尾链和头部集团有序性的增加与溶液粘度的增加密切相关，L1相中的长型类线状混合胶束结构的形成是引起异常流变学现象的根源。4温度对胶束的影响温度对胶束的结构形态有明显的影响，振动光谱方法研究的最多的是临界胶束温度（critical micellization temperature,CMT）转变对胶束结构的影响，CMT是与浓度有关的，但浓度高于0.10.3M时这种依赖关系明显减弱。Krafft点一般出现在比CMT低的温度，可视为是CMC时的CMT81,82。自80年代以来，Mantsch和Takenaka等开

14、始用红外光谱方法分别研究了月桂酸钠83、油酸钠83、十二烷基硫酸钠(SDS)84、十八烷基三甲基氯化铵（ODAC）85以及双链表面活性剂双十八烷基二甲基氯化铵(DODAC)81等水溶液体系由温度引起的相变过程。一些红外光谱新技术如红外显微光谱等86也在这一领域得到应用。1983年Wong和Mantsch87首先用拉曼光谱考察了温度诱导的表面活性剂凝聚胶-液晶相变，讨论了油酸钠在CMT和CMC时分子构象的变化。Picquant88,89也报道了一系列不同温度的SDS和卤化烷基铵水溶液中温度引起的分子构象变化。这些体系在CMT时变化的共同特征是包括从不良水化的固态表面活性剂凝聚胶状态到均匀的胶束溶

15、液状态的转化，在红外光谱上表现为CH2谱带的频率在一个很窄的温度范围内伴随着表面活性剂尾链的融化（melting）而升高，拉曼光谱上则相应表现出峰高强度比I2880/I2850、I2880/I2930、I1060/I1080和I1130/I1080的大幅度降低，呈现出一个高度协同的变化过程。CMT与烷基链的不饱和程度以及尾链的长度有关，它随链的增长而升高。由于极性头基团参与水化过程，所以CMT与头部基团以及反离子层的性质也有很大关系，例如烷基硫酸盐类的CMTs就小于烷基羧酸盐类。十六烷基硫酸钠极性头部SO3反对称和对称伸缩振动谱带在CMT时变化很大，其原因就归结为水化程度以及反离子Na+结合的

16、变化。对于烷基羧酸盐类，反对称和对称COO-伸缩振动谱带在CMT时产生不同的响应，也给出了有关反离子Na+位置的信息81。Kawai和Umemura等85，90曾对比了高浓度（含水1821%）的单链表面活性剂ODAC和双链表面活性剂DODAC的热致行为，结果表明CH2伸缩振动谱带随温度升高发生的两次频率突跃分别相应于凝聚胶-凝胶（coagelgel）和凝胶-液晶（gel-liguid crystalline）相变，CH3N+基团的CH3伸缩振动谱带的变化显示出在凝胶相DODAC水化的头部基团比单链ODAC的更有序，偏振IR光谱研究进一步证实了凝胶相中DODAC头部基团的高度有序填充81。5磷脂

17、双分子层的结构与相变1925年Gorter和Grendel在研究红血球中的酯类时首先报道生物膜是由类脂双分子层（lipid bilayer）组成的。多数天然或合成磷脂和脂糖能自发地在水相中形成双层，因此生物膜的脂双层形成是一自组装（self-assembling）过程。这种可以人工制备的双层有两类在研究中特别有用，一类是双层形成的球形或椭球形泡囊，称为脂质体(liposome) 91 ，它是最常用的研究生物膜的模型 8，92；另一类是平板双层，称为黑膜（black lipid membrane, BLM）,早在六十年代初Mueller和田心棣93-96 等就曾描述了两个水相间隔板的小孔上形成B

18、LM的情况，它是研究生物膜电性质的最方便模型系统。磷脂可以看作双链两性表面活性剂，天然的或合成的磷脂所组成的泡囊都叫脂质体，许多合成的表面活性剂也能形成闭合泡囊 97，但那些完全是人工合成的表面活性剂形成的泡囊却只称为表面活性剂泡囊。振动光谱用于双分子层的结构和性质研究是从七十年代才逐渐开展起来的。振动光谱信息可为讨论磷脂的热致相性质提供分子水平的证据，这是通常的差示扫描量热等热分析技术所无法比拟的，例如对于凝胶-液晶相变，振动光谱可区分出来自双分子层的极性头、烷基链和接界区域的不同效应。1979年Wallach15等首先对该领域的工作进行了综述，这一领域内的文章现正以非常快的速度增长，并已陆

19、续出现了许多评述性文章16-23。这类化合物中最重要且研究最多的是二棕榈酰磷脂酰胆碱（DPPC）双分子层，它在41.5时存在凝胶液晶相变，通常称为主相变，记为Tm。4042的温度区间内DPPC的红外对称CH2伸缩振动谱带从2850cm1附近位移至2852cm1附近，同时带宽增加，这是相变伴随着类脂尾部扭曲式构象大量增多的结果，与碳氢链的“融化”密切相关16,98。双分子层结构的类脂尾链填充的变化可影响双分子层内层的流动性，这在生物学上是非常重要的，类脂尾链的相性质实际上是非常复杂的。当温度降到低于Tm时，1470cm1附近的红外CH2剪式变角振动谱带的带宽随之增加，最终导致出现劈裂双峰，720

20、cm1附近CH2面内摇摆振动谱带也出现类似现象，这种所谓的因子群分裂（或称为商群分裂，factor-group splitting）起因于链间相互作用的变化29，此时链通常以正交亚晶胞形式填充35。通过CH2剪式变角振动谱带监测到了温度引起的类脂尾链正交亚晶胞的畸变，从而解释了双分子层的预相变（pretransition）现象98100，1982年Levin等101通过拉曼特征谱带强度比2935/2885随温度的变化关系确定了酰链长度为C14C20的偶数双链对称饱和磷脂酰胆碱的Tm分别为：23.8、43.1、53.5、64.7和73.8，与热分析所得数据很好相符102，103。一般情况下293

21、5/2885随温度的变化对预相变的反应不明显，但对DLPC（二月桂酰磷脂酰胆碱）脂质体体系却明显地观察到Tp和Tm分别为-4.3和3.3101，并发现这个预相变与样品处理过程的热历程有极大关系，证实了量热方法所得的相同结论104。对于C14C22系列PC脂质体，在高于Tm 10时液晶相的拉曼光谱表明，碳链越长，烷基链的有序性越差，而低于Tm 10时凝胶相的拉曼光谱则表明，越长的碳链越趋向于更紧密的填充。拉曼谱带强度比随温度的变化可直接地与反映类脂体系相变的热力学性质相联系101，研究表明类脂相变前后的拉曼强度比差IR随烷基链链长以曲线形式相关，这个效应类似于相变热力学参数S、H和V随链长的变化

22、关系102，因而IR与量热法得到的S之间存在良好的线性关系，通过这种关系可定义出IR在Tm时的“有效”差Ie R ff,例如对于PC脂质体，经验Ie R ff与S之间的关系为：Ie R ff6×103S。Akutsu105由拉曼光谱直接决定了磷脂双分子层中胆碱基团的构象，在PC和神经鞘磷脂（sphingomyelin）双分子层中，无论是在凝胶还是液晶相胆碱基团都以O-C-C-N键的扭曲式构象存在。在大量的研究中发现类脂尾链的热致相变非常类似于偶数长链正烷烃的相变过程，固态正烷烃在接近其熔点时经历了一个相对“有序”（order）的正交相到更“无序”(disorder)的六方(hexag

23、onal or rotator)相的转变30，35。聚集状态中分子填充的变化直接与烷基链的“缺陷”（defect）结构有关，构象扭曲的加剧增加了烷基链的横截面积，可破坏紧密填充结构。通过CH2面外摇摆模式（wagging mode）红外振动谱带可以定量考察烷基链的构象有序度，例如对于DPPC双分子层，由CH2面外摇摆谱带估计出每链中平均包含扭曲式C-C键“缺陷”结构3.7个106，107。对于一定的聚集体，分子的填充受其几何形状的限制108，为了保持双分子层构型，类脂分子头部基团也与尾链同时进行结构重排，因此考察二者接界区域的基团构象也是非常重要的。1734cm1处C=O红外振动谱带是最有用的

24、谱带之一109112，这个谱带在Tm和预相变时都产生位移，酯基在较低温度下的脱水导致了一个“亚相变”现象的存在54，113，付立叶解卷积（Fourier deconvolution）的结果表明宽的酯基谱带实际上包含有分别属于不同酰链的脂基部分的两个谱带114118，这两个谱带的相对强度随温度而变，但谱峰位置不变。Lewis等119通过对一系列碳链长度为C10C18的磷脂酰胆碱（PC）的C=O伸缩振动和CH2变角振动谱带的考察，从光谱上观察到PC在适当低的温度下可以亚凝胶相（subgel phase）存在，并且随着碳链加长，在低温下出现不止一个的亚凝胶相，这些亚凝胶相的形成不仅包括双分子层中酰链

25、的重取向和极性头水化程度的改变，还包括极性头与非极性头接界区域氢键相互作用的变化。拉曼光谱研究表明，二个酰链长度不等的混合链磷脂的结构与性质则与对称双链磷脂不同92，120124，CC伸缩振动特征谱带的变化表明对于烷基链不对称的混合链PC体系，其构象无序度按D(C18C14)PC>D(C18C6)PC>D(C18C12)PC>D(C18C10)PC=DSPC的次序递减123。通过对比研究表明，对于对称链或接近于对称链的磷脂（如D(C18C16)PC）其双分子层结构中每层的填充是相对独立的，而不对称磷脂（如D(C18C14)PC、D(C18C12)PC和D(C18C10)PC等

26、）双分子层中两层烷基链是相互交叉的，许多天然膜类脂就带有不对称烷基链，能够形成交叉状双分子层124126，例如甘油神经鞘类脂（glycosphingolipids）、鞘磷脂、脑甙（cerebrosides）和硫脂（sulfatides）类化合物等。有关不饱和酰链磷脂体系的拉曼光谱也有一些报道127131。拉曼光谱不仅用于讨论类脂分子本身的构象及相互作用，而且还是研究膜隙间水分子结构及其与类脂分子相互作用的有效手段132134。磷脂极性头基团的有关振动模式也能给出丰富的聚集体填充的信息。例如对于PC、磷脂酰乙醇胺（PE）以及它们的混合物体系，样品的不同处理过程以及水化过程都能引起类脂双分子层头部

27、PO-2 基团在1120和1080 cm1处反对称和对称伸缩振动谱带的变化57，宽的磷酸基团谱带通常受温度影响很小，反映了该基团稳定的水化程度56，135，970cm1附近(CH3)3N基团的红外伸缩振动谱带频率对于极性头的水化程度也相当敏感，当冰山结构存在或其它分子进入双分子层时，其频率相应发生改变16，56，136，137。极性头基团的类型及其所处的环境对尾链的填充有很大影响91，138，温度变化引起的烷基链CH2剪式振动的劈裂对于带有大体积胆碱基团和带有小的氨或酸基团的类脂来说有着明显的差别。通常小极性头为尾链的紧密填充提供了条件，其光谱特征也更接近于正烷烃，研究还表明，尾链的长度越短，

28、链填充受极性头的影响越大，链间相互作用在链中部最强，越靠近链尾越弱。6磷脂金属离子的相互作用脂质体的相变对添加物特别敏感，由单一的纯类脂制得的脂质体相变的突跃在有添加剂或偶有杂质存在时就变宽，有时甚至消失。类脂混合物的相变温度很宽，并偏离根据理想混合所预示的温度139，140。离子型脂质体的相变机理比中性脂质体更为复杂141。离子型脂质体的相分离可被外部电荷触发，脂质体很少自发融合，但带负电的脂质体可由两价金属离子触发而融合。因此研究脂质体与金属离子的相互作用是很有意义的课题。1979年Hark等142首次用拉曼光谱技术考察了磷脂与二价金属离子的二元体系，结果表明Mg2+明显地使磷脂酰丝氨酸（

29、PS）的Tm升高，但对双分子层的侧向填充及链构象没有大的影响，而Ca2+的加入则使相变突跃消失，同时明显地增加了烷基链的刚性，降低了体系中扭曲式构象的比例，有关PS泡囊IR光谱研究表明：Ca2+的加入使得磷酸基团的局部位置对称性降低，从而导致了对称PO-2 伸缩红外振动模式分裂为4个谱带，表明Ca2+与PS形成了双基络合物59。另外PS和PC的混合泡囊在Ca2+的存在下可出现侧向相分离，所谓相分离，即一部分区域呈流动相，另一部分区域呈固相，若这时膜蛋白出现时，总是被排除在固相之外，而显著地集中于流动相区域。2H-NMR、1H-NMR、31P-NMR及14N-NMR的结果都表明Eu3+、La3+

30、和Ca2+等离子与PC的相互作用可导致胆碱集团的O-C-C-N骨架由扭曲式到反式的转变143145，但拉曼光谱考察胆碱C-N伸缩振动谱带的研究结果表明146，这些金属离子与胆碱极性头间的静电相互作用并没有导致胆碱极性头部分构象的变化，与NMR的结果相矛盾，但与磷酸胆碱氯化钙四水合物的晶体结构相符。7磷脂甾醇（sterol）相互作用插入分子可以与脂质体产生相互作用，对双分子层的结构及流动性有着重要的影响。极性高而体积比较小的加溶物被捕集入含水空间，非极性分子插在磷脂双层之间，两性分子靠它们的碳氢链固定到泡囊中，它们结合的位置、程度与静电作用、疏水作用等有关。天然膜中含有各种甾醇，这促使人们广泛地

31、研究含有甾醇的脂质体。甾醇可改变脂质体的流动性，在适宜的条件下还可诱发形成区域结构。胆甾醇对水溶液磷脂酰链的影响研究得比较清楚56，147149，CH2伸缩振动谱带的变化表明，温度低于Tm时胆甾醇引起了扭曲式构象比例的增加，而温度高于Tm时则对扭曲式构象产生一定的抑制作用，同时引起磷脂相变温度区间的加宽，但相变温度的中点未变。当胆甾醇的浓度很高时（如磷脂胆甾醇的摩尔比为1.51），则磷脂的反/扭式构象的比例几乎不随温度改变，致使相变温度区间已变得很难确定。Levin等150对C=O伸缩模式研究的结果表明，无水磷脂酰链的羧基基团与胆甾醇的3ßOH基团之间不产生氢链，但在脂质体中发现17

32、20cm1附近谱带的相对强度降低，表明脂甾醇的加入使两个不同酰链上的羰基趋于等价。Wallach等151早期的研究结果表明，胆甾醇的加入使P=O伸缩振动谱带红移，表明磷酸基团的P=O与胆甾醇的羟基之间产生氢键，偏振IR研究也表明胆甾醇分子引起极性头磷酸部分的结构重排，但后来Umemura等58通过对DPPC脂质体PO2-伸缩振动模式和反对称（CH3）3N伸缩振动模式的观察，均未发现其频率变化，表明胆甾醇与磷脂酰胆碱集团之间几乎没有相互作用，胆甾醇在一定的条件下可使脂质体更趋稳定，在膜中起着压缩的效应，胆甾醇的这一特性对形成稳定的脂质体来说相当重要，它保证了生物体环境中脂质体的稳定性。例如掺有胆

33、固醇的脂质体防止了脂质体和可溶性蛋白质或周围膜蛋白所引起的跨膜通透，胆固醇的存在也能降低起离子载体作用的抗菌素的效应，大概是由于抑制了它们在双分子层中的扩散。羊毛甾醇（Lanosterol）与DPPC和POPC（1-棕榈酰-2-油酰磷脂酰胆碱）脂质体的相互作用表明21，这种甾醇稍微加宽了DPPC相变的区间，并使预相变消失，羊毛甾醇使分子链间和链内的有序性都降低，这可以认为是羊毛甾醇不平滑的 -面和-面造成了不良的填充条件；在液晶相羊毛甾醇增加了DPPC酰链的有序性，但胆甾醇比羊毛甾醇更加抑制了扭曲式构象的产生；胆甾醇和羊毛醇分别使POPC的Tm升高了约80C和4.50C，并使相变协同性大幅度降

34、低，表明可能有甾醇-磷脂复合物形成，随着温度升高该复合物逐渐分解；两种甾醇（尤其是胆甾醇）在液晶相都非常明显地增加了链的刚性，由于羊毛甾醇的14-CH3集团影响了面的平滑性，它在接近油酰链C9-C10双键形成的空间时不像胆甾醇那样有最大的范德华接触。8磷脂-蛋白质（protein）相互作用大分子可以这种方式和脂质体缔合，它们可被捕集入内部水中，也可横跨双层或附着到脂质体的表面，蛋白质与脂质体的相互作用可以靠异性电荷结合在膜脂质上，可以靠非离子力相互作用插入膜的疏水环境，也能强烈地与脂质体脂肪酸侧链相互作用，不同浓度的蛋白质对磷脂的影响较为复杂。Chapman等148通过CH2伸缩振动谱带的研究

35、表明，在温度高于Tm的液晶相，低浓度的内嵌蛋白质Ca2+腺甙三磷酸酶（Ca2+-ATPase）、细菌视紫红质（bacteriorhodopsin）和短杆菌肽A（Gramicidin A）都降低了DPPC酰链的扭曲程度，但高浓度的蛋白质则对磷脂酰链的构象几乎没有影响，只是引起了Tm的降低，1990年Medelsohn等152通过IR光谱定量地表征了DPPC/短杆菌肽D双分子层中磷脂的结构。1988年Levin等153有关DPPC与高铁细胞色素C（ferricytochrome C）体系在不同pH和不同离子强度下的拉曼光谱研究结果表明，pH值及盐浓度对光谱参数的变化没有大的影响，而这种高极性基本蛋

36、白质即使在很低的浓度下（<10-5M）,C-H伸缩、C-C伸缩、1440cm-1处的CH2变角和1295cm-1处的CH2扭摆振动谱带也都反映出它的弱相互作用干扰了类脂双分子层的结构，当蛋白质的浓度为10-4M时，光谱特征表明细胞色素C渗透进了双分子层的憎水区域。血型糖蛋白（glycophorin）是人体红血球细胞外侧表面两类主要蛋白中的一类，为跨膜糖蛋白，Mendelsohn 和Dluhy154-156等研究了血型糖蛋白等对二豆蔻酰磷脂酰胆碱（DMPC）双分子层的影响，发现DMPC相变区域加宽，相变温度降低，同时预相变消失。实际上抑制磷脂的预相变和亚相变是上述嵌入蛋白质的共同特征，表明

37、了在蛋白质存在下的强疏水相互作用破坏了磷脂酰链的填充。研究类脂-蛋白质相互作用时，还要考虑光谱中出现蛋白质吸收的可能性，类脂双分子层内嵌蛋白质的浓度过高时可明显出现氨基酸侧链产生的C-H吸收峰，Lee等157通过酰链全氘代的DMPC-d54的C-D伸缩振动考察了上述蛋白质以及甲基菌素（alamethicin）等分子与磷脂的相互作用，避免了蛋白质吸收谱带的干扰，也得到了与Chapman等一致的结论。DPPC/DMPC-d54/血型糖蛋白体系156的研究表明，内嵌蛋白质没有引起类脂的相分离，但使得DPPC明显地比DMPC的流动性更大。Ca2+-ATPase与氘代和未氘代混合磷脂的相互作用也被考察1

38、58。 DPPC/PS/血型糖蛋白体系159-160的研究表明，蛋白质优先与磷脂酰丝氨酸发生相互作用，磷脂C=0伸缩区域的付立叶解卷积谱还表明，蛋白质干扰了PS极性头与疏水链接界区域的结构，在温度高于Tm时血型糖蛋白引起了1742cm-1谱带相对强度的增加，表明在C1-C2位置采取反式构象的酰链占很高的比例，在1741cm-1处新峰的出现表明2位酰链上的羰基处在比纯PS双分子层极性更强的环境中，或许有弱氢键产生。蛋白质与类脂的相互作用不仅影响了类脂的性质，而且也影响了蛋白质自身的结构，如对于磷脂酸（PA）与高分子量（200000）和低分子量（4000）的聚-L-赖氨酸（poly(L-lysin

39、e),PLL）分别重组的体系，拉曼光谱表明161，162两种类型的PLL与DMPA双分子层键合时都采取-折叠（-sheet）构象，而长PLL与二棕榈酰磷脂酰甘油（DPPG）键合时则以-螺旋（-helical）构象存在163;长PLL在DMPA双分子层中构象不随类脂状态而变，而短PLL在接近PA的Tm时其构象由-折叠式转变为无规线圈（randon coil）在DMPA和DMPC混合类脂体系中，长PLL不仅使磷脂的Tm上升了200C，而且诱导侧向相分离，这可能与在混合类脂双分子层中长PLL仍采取有序的-折叠状结构而短PLL则采取无规线圈结构有关162。PC-乳白朊（-lactalbumin）164

40、、DPPG-多粘菌素B（polymyxin B）165等体系的拉曼光谱也表明蛋白质与类脂分子之间的相互作用是多样性的，不仅影响类脂的性质而且也影响蛋白质的性质。除了以上介绍的磷脂与胆甾醇和蛋白质分子的相互作用外，磷脂与其它分子如正烷烃166、短链醇167、单油酰甘油168和脂肪酸氨基酸169等相互作用的ET-IR研究均有报道。9磷脂-药物分子相互作用在作为药物载体的开发研究中，人们广泛地在脂质体上嵌入或包裹各种药理物质进行药理学试验，显然极性或亲水性药物位于脂质体内部水相中，而疏水性或两亲性药物则位于脂质体的双分子层中。脂质体内药物的掺入会对脂质体双分子层的特性及稳定产生影响，研究药物分子与脂

41、质体的相互作用机理是很重要的，振动光谱在这方面的研究应用近来已有少量报道。一些局部麻醉剂146，170-172或麻醉剂与模型膜的相互作用都用振动光谱方法研究过，如麻醉剂利富吩（levorphanol）和纳络酮（maloxone）与DPPC相互作用的拉曼光谱研究表明173，麻醉剂降低了DPPC的Tm大约20C，并降低了酰链的侧向填充有序度。Verma等174用拉曼光谱考察了农药六六六（hexachlorocyclohexane）与磷脂双分子层的相互作用，结果表明六六六的和异构体在有效毒性浓度时明显地降低和加宽了磷脂的Tm，这种作用在磷脂酰链长度为C18或更长时更明显，而类似浓度的六六六和异构体对

42、磷脂相变性质的影响则很小，在含有蜂毒素的磷脂双分子层中，六六六与异构体强烈影响了含蛋白质的磷脂的相变性质，异构体的影响则相对较小。六六六对于磷脂双分子层相性质的影响是立体特异性的。异构体对于类脂-类脂区域的影响更大，而异构体对于类脂-蛋白质区域的影响更大，这与不同异构体所具有的平伏或轴向Cl原子引起分子本身的“柔性”不同有关。近年来，磷脂脂质体与一些中药材如山莨 菪碱175，176、川芎 、赤芍和丹参等177之间相互作用的振动光谱研究均有初步报道。10 LB膜（Langmuir-Blodgett film）的结构表征近年来，人们对可在单分子层水平上人工进行组装的LB膜表现出了极大的兴趣178，

43、LB膜是规则排列的单分子层或组合单分子层膜，L-B技术提供了一种可实现人工设计，组装高度有序分子聚集体的方法10-12，179-186，利用LB技术建造出人工设计的特殊功能超薄膜材料表现了非常诱人的应用前景。膜材料的功能必然取决于膜的结构，因此LB膜的结构表征是一个极其重要的研究课题，振动光谱技术的应用在这一领域显示出强大的威力，IR光谱可以研究LB膜体系的稳定性和精确表征分子的取向特征。研究LB膜常用的IR光谱方法187-192有透射法、衰减全反射法（ATR）和反射吸收法（RA）。透射光谱测定需将LB膜建造在ZnSe、CaF2或KRS-5等不怕水的红外透光基片上，透射谱的电场矢量E方向平行于

44、基片，但这种技术只能测定多层数较厚的LB膜，在一定程度上限制了透射光谱的应用。Chollet等193-198曾研究了山嵛酸及其钙盐和廿二碳烯酸LB膜的透射光谱，结果表明山嵛酸和廿二碳烯酸分子链对于基片法线的倾斜角分别为230 + 20和180 + 20，而山嵛酸钙则接近垂直于表面。IR-RA光谱测定所用基片一般为表面镀有厚约100nm的Ag或Al等金属薄层的基片，然后将膜建造在金属膜的表面，如果入射光与基片法线成很大的角度以紧贴基片表面的方向入射，可得到掠角入射反射吸收光谱（GRA），显然GRA光谱主要反映跃迁矩垂直于基片上样品表面的吸收199，IR-GRA技术可测定10层以下乃至单层的LB膜

45、。Rabolt等200-204曾用此法研究了一些简单长链分子在LB膜中的排列及有序-无序相变过程。ATR光谱测定一般是选用折射率高的Ge或ZnSe晶体做基片，将LB膜挂在基片两边，入射光以大于临界角的角度入射，因基片比LB膜的折射率大，故发生全反射，该方法也可测定层数较少LB膜。早在1971年Takenaka等205-211就通过ATR-IR技术研究硬脂酸在LB膜中的取向，后来对聚取代谷氨酸、赖氨酸的LB膜结构进行了一系列研究212-214。1985年Dluhy215-216首次实现了水面单分子层的原位FTIR测定。1988年报道了DMPC和二硬脂酰磷脂酰胆碱（DSPC）水面单分子层的IR光谱

46、研究结果217，虽然原位测得的光谱中由于水的复数折射率中衰减常数很小以及实数部分很大导致有负吸收峰及非线性基线出现，但并不影响在分子水平上得到单分子层膜详细的物理构象信息。80年代后期以来，IR光谱表征LB膜结构的研究有了更迅速的发展，已不仅仅局限于表征一些简单分子LB膜体系的结构。Umemura和Takenaka等218及Song和Yarwood等219都进一步发展了通过FTIR测定精确计算分子在LB膜中取向的新方法。近来年，一些其它FTIR光谱新技术，如光声光谱220、红外椭圆对称221，222、ATR光谱数据的Kramers-Kronig变换223，224、红外线性二向色性225，226

47、、用光弹调制和真实时间脉冲调制的偏振调制FTIR技术227都已尝试应用于薄膜中分子取向的定量和半定量确定。拉曼光谱方法在LB膜研究领域的应用比FTIR方法晚，虽然1976年Takenaka228，229就提出了一种可以获得水面或油/水界面单分子层的消逝场全反射方法，并用这一方法对H2O/CCl4界面上单分子层膜的去向、聚集状态、吸附过程、反离子对吸附层的影响以及单分子层膜中的质子化等问题进行了广泛而深入的探讨230-236，但直到80年代后期才陆续出现了拉曼光谱表征LB膜的报道。由于LB膜的拉曼散射信号极弱致使通常拉曼光谱难于测量，因此已有的一些尝试主要是使用拉曼光谱与增强技术相结合的方法，如

48、共振拉曼散射237-241（RRS），表面增强共振拉曼散射（SERRS）242-247和表面等离子体增强散射248-254等技术。Umemura和Takenaka等239，240从不同pH值的亚相中将鲸蜡基橙LB膜建造在石英基片上，以RRS为监测手段讨论了干燥和湿润条件下LB膜中样品偶氮形式与氢化偶氮形式的相互转化随时间的变化关系。Ag岛膜上LB膜的表面增强共振拉曼光谱的研究结果245，247也有报道。共振拉曼光谱技术虽然测定超薄乃至单层LB膜的光谱，但却要被测物质具有共振集团，使这种技术的适应范围受到很大限制，因此能获得非增强或非共振条件下LB膜的正常拉曼光谱是非常有意义的，最近高灵敏度低噪

49、声的CCD（charge-coupled device）多道检测器的使用使得测定LB膜非增强的拉曼光谱成为可能，但目前的报道主要限于脂肪酸及盐类等一些简单分子体系255-258，仅有一篇非脂肪酸类的磷脂LB膜拉曼光谱的报道259，磷脂C-H伸缩区域特征拉曼谱带强度比变化表明，从水面单分子层固相区提拉的LB膜中DPPC以高度有序的全反式构象紧密填充，而从水面单分子层液相区提拉的LB膜中DPPC则拥有无序的扭曲式构象，但低表面压下提拉的松散填充的LB膜，随着放置时间DPPC分子酰链逐渐重取向转变为稳定的高度有序聚集体。 11结语振动光谱方法在膜模拟体系研究领域的应用已约有30多年历史，现已得到了较

50、为广泛的应用，但其大部分成果是在付立叶变换红外光谱和激光喇曼光谱仪普遍使用以后取得的。从前面的文献综述可看出，膜模拟体系的振动光谱研究是以长链固态化合物的研究结果为基础，系统而详细研究过的只有固态正烷烃，其它类型长链固态化合物的系统研究报道较少。类脂脂质体结构和相变的研究较为广泛，但在磷脂与掺入分子间相互作用机理方面的研究尚仅限于几种典型蛋白质、胆甾醇及少量其它分子的体系；有关水溶液中表面活性剂分子形态及结构方面的研究报道则更少，用红外或拉曼光谱方法的研究报道分别都只有十几篇。在类脂和表面活性剂化合物分子烷基链构象的研究中，大多数研究报道只着重讨论了烷基链的C-H伸缩振动区域以及拉曼光谱中C-

51、C伸缩振动区，对于其它有关振动模式的研究尚感不足。LB膜结构表征方面的工作80年代以来才有报道，现已提出了一些精确表征膜中分子取向的方法，这些研究结果大多是有关方法学方面的探讨，有关技术还难以作为常规方法普遍适用。因此在膜模拟体系的研究领域中还有很多工作要做，对于膜结构人们在分子水平上获得认识还很有限，现有的振动光谱方法也迫切需要进一步完善和改进，不仅要从现有仪器给出的信号分析出更多有用的信息，而且要使实验过程更加方便简单，振动光谱有着巨大的应用潜力有待于进一步开发。参考文献1Membrane Structure and Function, Bitter, E. E., Ed., Wiley-

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