磷脂自组装中结构与动力学的和频振动光谱研究

The self-assembly of lipids plays a very important role in cell activity and life process. Yet it is still one of the most challenging problems due to the lack of effective techniques that can explicitly determine the structures and dynamics during self-assembly process. As a result, the detailed mechanism of self-assembly remains elusive so far. In this project, we propose to develop a high-throughput and multi-detection characterization platform which is based on the femtosecond sum frequency generation vibrational spectroscopy (SFG-VS) system. Using lipid Langmuir monolayer and vesicle as models, we will apply this system to study systematically the structure changes and dynamics during self-assembly process. These spectra information of "fingerprint" region and "functional group" region can be utilized to analyze the molecular structures. Meanwhile, the intermolecular interaction can be achieved by using surface-sensitive second-order Fermi resonant signals, generated in SFG-VS. Consequently, the relationship between the structure and the intermolecular interaction can be established. Results from this research are expected to aid in a better understanding of the structure and dynamics during lipid self-assembly, and thus further provide important clues to self-assembled functional materials and experimental basis for the theoretical system of self-assembly.

磷脂自组装在细胞活动和生命过程中扮演着非常重要的角色，因缺乏表征磷脂自组装过程中结构和动力学的有效手段，目前对磷脂自组装机理仍有待探索。本项目拟基于飞秒和频振动光谱系统搭建高通量、多维度的分析检测平台，以典型的磷脂自组装体（Langmuir膜和囊泡）为研究对象，对磷脂自组装中的结构变化及动力学过程进行原位实时表征。通过磷脂分子组装体“指纹区”和“官能团区”的和频振动光谱分析，获得磷脂的分子结构；解析磷脂组装体费米共振光谱的变化，得到弱键相互作用的动力学信息，建立磷脂自组装结构与弱键相互作用动力学信息的内在关系，从分子水平上揭示磷脂自组装机理。本研究为设计具有新型特性的自组装功能材料提供研究思路，为建立和完善生命体自组装的理论体系提供实验依据。

自组装是组装基元之间通过弱键相互作用自发形成特定结构的过程。磷脂自组装在细胞活动和生命过程中扮演着非常重要的角色，因缺乏表征磷脂自组装过程中结构和动力学的有效手段，目前对磷脂自组装机理仍有待探索。本项目围绕如何表征磷脂自组装中结构与动力学这一科学问题，我们成功建立了基于飞秒和频振动光谱系统的高通量、多维度分析检测平台。以典型的磷脂自组装体为研究对象，对磷脂自组装中的结构变化及动力学过程进行原位实时表征。我们成功发展了多偏振分辨飞秒和频振动光谱系统，光谱分辨度≤5cm-1，光谱范围从600-4000cm-1可调，可实现磷脂自组装过程的实时原位微观检测。成功搭建了布鲁斯特角显微镜和Langmuir-Blodgett膜分析仪联用的设备。成功研发了基于物镜信号采集的拉曼光谱系统，光谱响应范围为200-1100nm。我们还研发了中红外超连续谱光源，获得了覆盖2.5-7.5μm的超连续谱。利用上述研究手段，我们做了一系列的工作：探究了磷脂分子烷基链长对于组装过程的影响；厘清了磷脂单层膜自组装中的结构和相变问题；阐明了温度以及盐溶液对于电中性磷脂DPPC膜组装过程的影响；研究了盐溶液浓度对于负电荷性磷脂DMPG膜组装过程的影响；探讨了KSCN对于磷脂单层膜自组装中的结构调控；解析了蛋白质对于磷脂分子双层膜结构的调控；分析了自组装体荧光淬灭机理；揭示了磷脂烷基链长度以及尺寸对于磷脂囊泡解组装的影响。各项工作按计划顺利并完满完成，目前已在发表研究论文7篇，全部标注课题号，授权发明专利2项。项目负责人还被邀请在多个学术会议上作邀请报告。培养硕士3名。发展的技术有望在医学诊断和材料表面、材料组装研究方面发挥重要作用。