康雪麗 陳啟斌 尚亞卓 劉洪來

(華東理工大學(xué),結(jié)構(gòu)可控先進(jìn)功能材料及其制備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200237)

Gemini表面活性劑與DNA在氣/液界面上的相互作用

康雪麗 陳啟斌*尚亞卓 劉洪來

(華東理工大學(xué),結(jié)構(gòu)可控先進(jìn)功能材料及其制備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200237)

在氣/液界面上,陽離子表面活性劑可以通過靜電作用與陰離子型的脫氧核糖核酸(DNA)分子形成復(fù)合膜,并壓縮沉積得到LB(Langmuir-Blodget)膜.利用表面壓-表面積(π-A)曲線、原子力顯微鏡(AFM)和石英晶體微天平(QCM)研究了陽離子Gemini表面活性劑([C18H37(CH3)2N+-(CH2)s-N+(CH3)2C18H37]·2Br-,簡(jiǎn)寫為18-s-18,s=3,4,6,8,10,12)與DNA(雙鏈DNA(dsDNA),單鏈DNA(ssDNA))之間的相互作用,并對(duì)18-s-18在不同下相表面的分子面積進(jìn)行了比較.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明連接基團(tuán)和下相的DNA對(duì)Gemini表面活性劑在氣/液界面上的性質(zhì)有很大影響.此外,Gemini表面活性劑在界面上對(duì)DNA的吸附能力與它們之間的相互作用方式密切相關(guān).

Gemini表面活性劑;脫氧核糖核酸;π-A等溫線;原子力顯微鏡;石英晶體微天平

1 引言

目前,基因轉(zhuǎn)染技術(shù)已廣泛應(yīng)用于基因組功能(基因表達(dá)調(diào)控、基因功能、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和藥物篩選研究)和基因治療研究中.1基因療法是利用載體將具有生物功能的核酸轉(zhuǎn)移或運(yùn)送至細(xì)胞內(nèi)并在細(xì)胞內(nèi)維持其生物功能.由于病毒在基因轉(zhuǎn)染過程中的轉(zhuǎn)染效率高,它們通常作為載體使用,但它們也因存在免疫原性、致癌性等弊端而在使用中受到限制.2目前開發(fā)新型的非病毒載體及探索其與DNA的相互作用成了基因轉(zhuǎn)染的一個(gè)研究熱點(diǎn).一般地,高效的基因轉(zhuǎn)染載體需要滿足以下幾個(gè)條件:①壓縮DNA,②保護(hù)DNA(避免DNA的降解),③高效地鉚接于細(xì)胞膜,④穿越細(xì)胞膜.DNA不僅是一種具有雙螺旋結(jié)構(gòu)的生物大分子,還是一種聚陰離子電解質(zhì).目前,已有很多與DNA和陽離子脂質(zhì)體、3-5互補(bǔ)堿基衍生物6-9及寡核苷酸10,11之間的靜電作用和氫鍵作用相關(guān)的報(bào)道.其中,DNA與陽離子表面活性劑特別是Gemini表面活性劑之間的相互作用研究對(duì)基因轉(zhuǎn)染有著重要的意義,因?yàn)楹笳呔哂刑厥獾慕Y(jié)構(gòu)和性能,且用量更少.研究發(fā)現(xiàn), Gemini表面活性劑中連接基團(tuán)的性質(zhì)和構(gòu)型對(duì)DNA的壓縮影響很大.Gemini雙親分子與DNA之間主要包括靜電、氫鍵和疏水作用.Liu等12-14較為細(xì)致地研究了Gemini表面活性劑與DNA在氣液界面上的性能,結(jié)果發(fā)現(xiàn)連接基團(tuán)和尾鏈對(duì)稱性對(duì)氣液界面上復(fù)合膜結(jié)構(gòu)形貌的影響較大.近年來也有利用QCM研究陽離子表面活性劑與DNA相互作用的報(bào)道.15,16QCM是一種非常靈敏的質(zhì)量檢測(cè)儀器,其測(cè)量精度可達(dá)納克級(jí),理論上可以測(cè)到的質(zhì)量變化相當(dāng)于單分子層或原子層的幾分之一.17它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、振動(dòng)Q值大、靈敏度高、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于化學(xué)、物理、生物、醫(yī)學(xué)和表面科學(xué)等領(lǐng)域中,用以進(jìn)行氣體、液體的成分分析,以及微質(zhì)量的測(cè)量、薄膜厚度的檢測(cè)等.18-20然而,Gemini表面活性劑與DNA的相互作用機(jī)制仍然不是十分清楚.本文利用Langmuir膜天平、AFM和QCM研究了18-s-18/DNA復(fù)合膜的氣/液界面性質(zhì),考查了二者之間的相互作用.

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

所用試劑有:季銨鹽陽離子型Gemini表面活性劑,簡(jiǎn)寫為18-s-18,按照Zana等21的方法合成;鮭魚精DNA使用前未進(jìn)一步處理(Sigma),固體鈉鹽,長(zhǎng)度為4500堿基對(duì)(bp),分子質(zhì)量約為2997000 g· mol-1,磷酸根所占比重為2.84%(w);溴化鈉,分析純,購于上海凌峰化學(xué)試劑有限公司;氯仿,分析純,上?；瘜W(xué)試劑有限公司生產(chǎn);實(shí)驗(yàn)用水為超純水(電阻率為18.2 MΩ·cm);實(shí)驗(yàn)所用鋪展液為表面活性劑的氯仿溶液,濃度為5.0×10-4mol·L-1.

所用儀器有:D612型LB拉膜儀(NIMA,英國),原子力顯微鏡(AJ-Ш,中國),CHI440A系列石英晶體微天平(上海).

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 DNA溶液的紫外光譜測(cè)定

為了確定在實(shí)驗(yàn)中DNA的構(gòu)型,我們對(duì)DNA溶液進(jìn)行紫外表征.準(zhǔn)確稱取2.07 mg的DNA定溶于500 mL容量瓶中,標(biāo)記為①號(hào)瓶;再次稱取2.01 mg的DNA溶解于另一500 mL的容量瓶并加入溴化鈉,使溴化鈉的濃度為10 mmol·L-1,標(biāo)記為②號(hào)瓶.兩瓶DNA溶液過夜,以Shimadzu UV-3100測(cè)其紫外吸收光譜.

2.2.2 表面壓-表面積(π-A)等溫線測(cè)定

20°C時(shí),準(zhǔn)確量取50 μL的18-s-18氯仿溶液鋪展于氣/液界面,靜置40 min后開始?jí)嚎s,壓縮速率為10 cm·min-1.

2.2.3 LB膜的制備及AFM表征

LB膜的制備.將干凈的云母片浸入下相中,然后滴加50 μL的18-s-18氯仿溶液,在20 mN·m-1的表面壓下采用垂直沉積法制得LB膜,控制下相溫度為20°C、提拉速率為5 mm·min-1.

AFM表征.待LB膜干燥后,使用長(zhǎng)100μm,彈性常數(shù)為48 N·m-1的三角微懸臂探針,在室溫環(huán)境中,利用原子力顯微鏡在輕敲模式下進(jìn)行掃描,可得LB膜的表面形貌圖.本文中所示圖像均為高度圖及沿形貌圖中直線的橫截面圖.

2.2.4 石英晶體微天平表征

對(duì)于剛性沉積物,QCM的諧振頻率變化Δf正比于工作電極上沉積物的質(zhì)量改變?chǔ)f.通過Sauerbrey方程可得到QCM電極表面的質(zhì)量變化:22

式中f0為石英晶體的基頻,n為泛頻數(shù),ρq和hq分別是石英晶體的密度和厚度,C=ρqhq/nf0.對(duì)于一臺(tái)特定的石英晶體微天平,C為常數(shù).本實(shí)驗(yàn)中C=1.34× 10-9g,故Δmf=-1.34×10-9Δf.

QCM測(cè)定.先測(cè)得干凈石英晶片的基頻f0,待將單層膜或復(fù)合膜轉(zhuǎn)移并干燥后,再測(cè)得其頻率f.具體過程如下:在純水表面上,記錄18-s-18表面上表面壓(π)為20 mN·m-1時(shí)的分子面積A;將干凈的石英晶片浸入下相濃度為4 mg·L-1的DNA溶液,并慢慢滴加50 μL 18-s-18的氯仿溶液,等待40 min后開始?jí)嚎s;以A為目標(biāo)面積(DNA的加入會(huì)改變相應(yīng)面積的表面壓,為了與純表面活性劑進(jìn)行對(duì)比, QCM實(shí)驗(yàn)沒有以20 mN·m-1作為目標(biāo)壓力),壓縮速度為10 cm·min-1,拉膜速度為2 mm·min-1.由此可得到晶片上單層膜和復(fù)合膜的質(zhì)量:Δmf=-1.34× 10-9Δf=-1.34×10-9×(f-f0).從復(fù)合膜中減去表面活性劑的量就可得到其中DNA的質(zhì)量,每個(gè)樣品測(cè)三次,取平均值.

3 結(jié)果與討論

3.1 溶液中DNA構(gòu)型的確定

Rosa等23研究了平均長(zhǎng)度為700 bp DNA的溶液性質(zhì),結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)濃度較低時(shí),超純水溶液中DNA是以單鏈形式存在的,但當(dāng)加入少量NaBr(1 mmol·L-1)后,分解的兩條DNA單鏈便會(huì)重新結(jié)合形成雙螺旋結(jié)構(gòu).為了考查Gemini表面活性劑與單鏈DNA(ssDNA)和雙鏈DNA(dsDNA)之間的相互作用,首先利用紫外-吸收光譜確定了溶液中DNA的構(gòu)型.在DNA濃度較低、溶液中離子強(qiáng)度較小時(shí), DNA分子很容易變性并進(jìn)而分解為單鏈,導(dǎo)致DNA狀態(tài)及其電荷密度和柔韌性發(fā)生變化.這就是說少量鹽即可穩(wěn)定DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu).通常,變性的雙螺旋DNA在260 nm處的紫外吸收值會(huì)增加,即生產(chǎn)“增色效應(yīng)”.當(dāng)其完全分解為單鏈后,吸收值可達(dá)到最大,此時(shí)的A260nm較雙鏈DNA的值可增加40%.DNA溶液在加NaBr前后的紫外吸收光譜如圖1所示.

在DNA溶液中加入10 mmol·L-1NaBr時(shí),A260nm= 0.059;未加NaBr的DNA溶液中,A260nm=0.084.后者的吸收值較前者增加了42%.這表明在濃度為4 mg·L-1、不加NaBr的溶液中,DNA是以單鏈形式存在的,加入10 mmol·L-1NaBr后,DNA是雙鏈螺旋結(jié)構(gòu).

圖1 DNA水溶液在不同NaBr濃度下的紫外吸收光譜Fig.1 UV absorption spectra of DNAsolutions withdifferent NaBr concentrations

3.2 π-A等溫線

20°C時(shí),季銨鹽型Gemini表面活性劑18-s-18 (s=3,4,6,8,10,12)在ssDNA和dsDNA溶液表面上的π-A等溫線如圖2所示.

由圖2可看出,盡管Gemini連接基團(tuán)的長(zhǎng)度有所不同,但復(fù)合膜π-A等溫線的形狀卻十分相似.隨連接基團(tuán)碳原子數(shù)目的增加,π-A曲線整體向右側(cè)移動(dòng).這說明在同一表面壓下,連接基團(tuán)越大,每個(gè)分子所占的平均分子面積越大.在二維體系的壓縮過程中,如果處于相轉(zhuǎn)變區(qū)域,等溫線就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)明顯的平臺(tái),也就是說表面壓幾乎不變.圖2中的等溫線并沒有出現(xiàn)這一平臺(tái),這表明復(fù)合膜在壓縮過程中沒有出現(xiàn)明顯的相轉(zhuǎn)變區(qū),直至其破裂.此外,復(fù)合膜的崩潰壓隨連接基團(tuán)碳原子數(shù)目的增加也有一定程度的降低,這是因?yàn)殡S著s的增大,復(fù)合膜的穩(wěn)定性越來越差.

圖2 20°C時(shí)18-s-18(s=3,4,6,8,10,12)在不同下相的π-A等溫線Fig.2 π-Aisotherms of 18-s-18(s=3,4,6,8,10,12)on the surfaces of different subphases at 20°C(a)4 mg·L-1ssDNAsolution;(b)4 mg·L-1dsDNAsolution; ssDNA:single-strand DNA;dsDNA:double-strand DNA

表1 18-s-18在純水、ssDNA、dsDNA下相表面的極限分子面積Table 1 Limiting molecular areas of 18-s-18 on the surfaces of pure water,ssDNAand dsDNAsubphases

在π-A等溫線中,沿曲線斜率最大處作切線,并反向延長(zhǎng)至π=0 mN·m-1,可得極限分子面積,A∞.將18-s-18、18-s-18/ssDNA和18-s-18/dsDNA(s=3,4,6, 8,10,12)的極限分子面積列于表1.

由表1可看出,DNA的加入對(duì)18-s-18在界面上的分子面積有較大影響:s=3,4時(shí),A∞,H2O＜A∞,DNA;當(dāng)s≥6時(shí),A∞,H2O＞A∞,DNA.在DNA加入下相前,我們已探討了Gemini表面活性劑在氣、液界面上的結(jié)構(gòu).24,25對(duì)于18-s-18體系,當(dāng)連接基團(tuán)s≤6時(shí),連接基團(tuán)線性平躺于界面上,隨著連接基團(tuán)長(zhǎng)度的繼續(xù)增加,鏈的柔軟性和疏水排斥作用增強(qiáng),會(huì)使它們產(chǎn)生逃離水側(cè)界面的趨勢(shì)而嵌入到氣相一側(cè)并形成弧形甚至是倒U型構(gòu)象.在較高表面壓下,18-s-18難于形成均勻的單分子膜,而傾向于形成表面膠束和多層聚集體,但是除了少量表面膠束和多層聚集體之外,多數(shù)分子仍然平躺于界面上.一方面,當(dāng)Gemini與DNA在氣、液界面上形成復(fù)合膜時(shí),DNA分子可以進(jìn)入表面活性劑的單分子層,使其分子面積增大.26另一方面,Gemini表面活性劑的分子面積主要受分子內(nèi)頭基和相鄰分子的間距的影響,它們主要取決于頭基之間的靜電排斥作用.當(dāng)溶液含有DNA時(shí),Gemini表面活性劑的頭基與磷酸根相互作用后可降低其靜電排斥作用,有利于分子面積的減少.在18-3-18與18-4-18分子中,連接基團(tuán)具有相對(duì)剛性,呈短棒狀,有利于DNA分子進(jìn)入單分子層.其次,由于連接基團(tuán)具有一定的剛性,分子內(nèi)頭基的間距受靜電作用的影響較小,其變化不大.因此當(dāng)連接基團(tuán)s=3,4時(shí),分子面積的增加主要是由于DNA分子進(jìn)入了單層膜,而致使單分子膜更擴(kuò)張.當(dāng)s≥6時(shí),頭基與磷酸根之間的靜電作用更利于連接基團(tuán)的彎曲,甚至使其形成倒“U”字形的結(jié)構(gòu),從而使得分子內(nèi)的頭基間距降低,分子排列更加緊密,因而分子面積減小.

由表1還可看出,在ssDNA和dsDNA溶液上的Gemini分子面積也存在一定差別:當(dāng)s=3,4時(shí), A∞,ssDNA＞A∞,dsDNA;當(dāng)s≥6時(shí),A∞,ssDNA＜A∞,dsDNA.其根本原因在于dsDNA是雙螺旋且相對(duì)剛性的分子,而ssDNA是相對(duì)柔性的分子.在溶液中,雙螺旋結(jié)構(gòu)DNA分子中兩個(gè)相鄰磷酸之間的距離約為0.77 nm.當(dāng)DNA分解為單鏈時(shí),其則由剛性分子變?yōu)槿嵝苑肿?由于骨架的彎曲而利于相鄰兩個(gè)磷酸之間的距離變小.因此,對(duì)于ssDNA,具有較短連接基團(tuán)(s=3,4)的Gemini表面活性劑的兩個(gè)頭基也有機(jī)會(huì)與兩個(gè)相鄰的磷酸根發(fā)生作用.對(duì)于dsDNA而言,主要是以取代表面活性劑反離子的形式而進(jìn)入單層膜中的.與dsDNA相比,ssDNA的堿基為支鏈,且相對(duì)疏水并暴露在外,因此其堿基傾向于插入單分子層的尾鏈區(qū)域.當(dāng)s=3,4時(shí),復(fù)合膜中ssDNA的分子面積比較大是由于較多的ssDNA分子進(jìn)入到了單分子膜中;而s≥6時(shí),由于連接基團(tuán)和ssDNA分子都是柔性的,易發(fā)生彎曲,從而使其復(fù)合膜的分子面積較dsDNA的小.其中,前者可以從3.4節(jié)的QCM得到證實(shí).

3.3 AFM表征

圖3給出了20°C時(shí)在20 mN·m-1下18-s-18/ss-DNA和18-s-18/dsDNA復(fù)合膜的AFM圖像.在圖3 (a-f)中,18-s-18/ssDNA復(fù)合膜的表面結(jié)構(gòu)都是纖維結(jié)構(gòu),但纖維的高度卻不等,大約在1.0-1.7 nm之間,且這些纖維的高度和寬度均隨著連接基團(tuán)的增加而增加.當(dāng)連接基團(tuán)較小時(shí),復(fù)合膜的纖維結(jié)構(gòu)具有相互平行的趨勢(shì),而隨著連接基團(tuán)的增加,復(fù)合膜的形貌變成類似于樹枝狀的結(jié)構(gòu).圖3(A-F)給出了18-s-18/dsDNA復(fù)合膜的表面形貌.其結(jié)構(gòu)大致可分為三類,相互平行的纖維結(jié)構(gòu)、相對(duì)無規(guī)的纖維結(jié)構(gòu)及含少量纖維的片狀結(jié)構(gòu).在圖3(A,B)中,纖維結(jié)構(gòu)明顯彼此平行,高度約4 nm.在18-6-18/dsDNA復(fù)合膜中,纖維結(jié)構(gòu)的量進(jìn)一步減少,且出現(xiàn)了明顯的樹枝狀結(jié)構(gòu),高度為4-6 nm.其中,纖維結(jié)構(gòu)雖傾向于同一個(gè)方向排列,但是它們由支鏈連接起來而形成了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),如圖3C所示.當(dāng)s≥8時(shí),除了少量的纖維結(jié)構(gòu),復(fù)合膜主要形成了片狀結(jié)構(gòu)(圖3(D-F)),且片狀結(jié)構(gòu)的高度大約為1.3-1.4 nm.

圖3 復(fù)合膜在20 mN·m-1表面壓下的AFM圖Fig.3 AFM images of complex at surface pressure of 20 mN·m-1 (a-f)18-s-18/ssDNA,s:(a)3,(b)4,(c)6,(d)8,(e)10,(f)12;(A-F)18-s-18/dsDNA,s:(A)3,(B)4,(C)6,(D)8,(E)10,(F)12

表2 18-s-18/DNA復(fù)合膜的QCM結(jié)果Table 2 QCM measurements for 18-s-18/DNAcomplex monolayer

通常情況下,表面活性劑與DNA分子的作用要經(jīng)過兩個(gè)階段:①表面活性劑通過靜電吸引作用與下相中DNA分子結(jié)合,在低壓時(shí),疏水尾鏈雜亂地躺在水面上;②隨著壓力的增加,碳?xì)滏滈_始通過疏水作用(分子間和分子內(nèi)疏水作用)聚集.14在雙螺旋DNA分子中,兩個(gè)相鄰磷酸根之間的距離是一定的;同時(shí),還存在大溝和小溝,且兩者的寬度分別為2.2和1.2 nm.因此,為了與dsDNA分子的靜電作用達(dá)到最大,表面活性劑分子將在界面上發(fā)生重排.當(dāng)s=3,4時(shí),連接基團(tuán)的長(zhǎng)度只有0.52和0.65 nm,小于dsDNA中相鄰兩個(gè)磷酸之間的距離(0.77 nm),因此Gemini表面活性劑中只有一個(gè)頭基作用于一個(gè)dsDNA分子上,而另外一個(gè)頭基則懸掛于dsDNA分子外.在壓縮過程中,另一個(gè)頭基很容易在任意方向上與另一條dsDNA分子作用.當(dāng)s=6時(shí),連接基團(tuán)的長(zhǎng)度為0.90 nm,可以與dsDNA中相鄰磷酸根的間距匹配,這使得18-6-18分子的兩個(gè)頭基可以作用于dsDNA分子中的同一條核苷酸鏈上,且尾鏈可以指向水面上方的任意方向.因此當(dāng)s≤6時(shí),通過Gemini表面活性劑的靜電和疏水作用,dsDNA在提拉時(shí)可同時(shí)出現(xiàn)橫向聚集和側(cè)向堆積,形成的纖維結(jié)構(gòu)具有較高的高度(4-6 nm).當(dāng)s≥8時(shí),18-s-18中兩個(gè)頭基可同時(shí)作用于dsDNA分子中兩條互補(bǔ)的核苷酸鏈上.高壓時(shí)成膜分子在疏水作用下進(jìn)行橫向聚集,形成片狀結(jié)構(gòu)(高度為1.4 nm).在18-s-18/ssDNA體系中,表面活性劑的頭基與磷酸根通過靜電作用,堿基與尾鏈之間可發(fā)生疏水作用.圖3 (a-f)中的纖維結(jié)構(gòu)可歸因于這種疏水作用,且連接基團(tuán)越長(zhǎng),疏水作用越強(qiáng),形成纖維越寬.

當(dāng)s較小時(shí),在18-s-18/dsDNA體系中纖維結(jié)構(gòu)的高度比較大(4-6 nm),而s≥8時(shí),則出現(xiàn)平臺(tái)狀結(jié)構(gòu),此時(shí)其高度只有1.3-1.4 nm.在此需要指出的是,dsDNA分子的鈉鹽在濕度為95%時(shí)的直徑為2.0 nm,因此在18-s-18/dsDNA的LB膜中,DNA結(jié)構(gòu)性質(zhì)還有待進(jìn)一步研究.

3.4 表面活性劑/DNA復(fù)合膜的QCM表征

20°C時(shí)用QCM分別測(cè)定了dsDNA和ssDNA作用于18-3-18和18-10-18單分子膜上的量,結(jié)果列于表2中.

對(duì)于在18-3-18/dsDNA和18-10-18/dsDNA的復(fù)合膜中,DNA的質(zhì)量分別為62.98和44.22 ng,也就是1 mol的18-3-18和18-10-18可分別結(jié)合約1135和923 g的dsDNA分子.這表明具有較短連接基團(tuán)的Gemini表面活性劑結(jié)合DNA的量較大.當(dāng)s=3時(shí),連接基團(tuán)的長(zhǎng)度為0.52 nm,小于雙螺旋DNA中兩個(gè)相鄰磷酸根之間的距離(0.77 nm), 18-3-18分子只能有一個(gè)頭基作用于一個(gè)dsDNA分子,而另一個(gè)頭基可作用于另一個(gè)dsDNA分子;當(dāng)s=10時(shí),Gemini表面活性劑的兩個(gè)頭基傾向于作用在同一個(gè)dsDNA分子上.因此,在相同情況下,18-3-18對(duì)dsDNA的吸附量較18-10-18高.這也說明連接基團(tuán)在Gemini表面活性劑與DNA分子的相互作用中起到了非常重要的作用.

對(duì)于柔性ssDNA分子,其在18-3-18/ssDNA和18-10-18/ssDNA復(fù)合膜中的質(zhì)量分別為855和783 g.一方面,二者的值較為接近,這是因?yàn)閟sDNA是柔性分子,相鄰兩個(gè)磷酸之間的距離有所減小,即使是在連接基團(tuán)s=3時(shí),18-3-18的兩個(gè)頭基也可以作用于一個(gè)ssDNA分子,因此與18-10-18對(duì)ssDNA的吸附量相差不大.另一方面,對(duì)于同一表面活性劑,它們結(jié)合dsDNA分子的能力似乎大于ssDNA的,即1 mol的18-3-18可以結(jié)合1135 g dsDNA分子,而只能結(jié)合 855 g ssDNA;1 mol的18-10-18可以吸附923 g的dsDNA,而只能吸附783 g的ssDNA.然而,就分子數(shù)量而言,18-3-18結(jié)合的ssDNA數(shù)量是dsDNA的1.5倍;18-10-18是1.7倍.由此可見,ssDNA更易于與Gemini表面活性劑結(jié)合.這也證實(shí)了極限分子面積的結(jié)果.

4 結(jié)論

利用π-A等溫線、AFM和QCM研究了連接基團(tuán)及ds/ssDNA對(duì)18-s-18/DNA復(fù)合膜在氣/液界面上結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的影響.Gemini表面活性劑中連接基團(tuán)的性質(zhì)會(huì)顯著影響到復(fù)合膜的性質(zhì),連接基團(tuán)的大小會(huì)產(chǎn)生不同的構(gòu)象,從而影響到Gemini與DNA的作用方式及復(fù)合物的形貌;連接基團(tuán)越大,復(fù)合物的疏水作用越強(qiáng),它們更容易形成較寬的聚集體.此外,在含有DNA的下相溶液中,DNA分子即可以插入單分子層,使分子面積增大,又會(huì)屏蔽兩個(gè)頭基之間的靜電斥力,使得表面活性劑排列得更加緊密.然而,由于dsDNA是剛性分子,而ssDNA是柔性分子,它們與表面活性劑間的作用有所不同,前者與DNA之間主要是靜電相互作用,后者除靜電作用外,還存在堿基與尾鏈的疏水作用.

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November 18,2010;Revised:March 5,2011;Published on Web:April 20,2011.

Interaction between Gemini and DNA at the Air/Water Interface

KANG Xue-Li CHEN Qi-Bin*SHANG Ya-Zhuo LIU Hong-Lai
(Key Laboratory for Advanced Materials,East China University of Science and Technology,Shanghai,200237,P.R.China)

Monolayers may be obtained by an electrostatic force between cationic surfactants and anionic electrolyte deoxyribonucleic acid(DNA)molecules,and a corresponding Langmuir-Blodgett(LB) complex monolayer can be fabricated by compression and deposition of the monolayer at the air/water interface.In this work,the interaction between cationic Gemini surfactants([C18H37(CH3)2N+-(CH2)s-N+(CH3)2-C18H37]·2Br-,abbreviated 18-s-18,s=3,4,6,8,10,12)and double-strand DNA(dsDNA)/single-strand DNA (ssDNA)was investigated by surface pressure-surface area(π-A)isotherms,atomic force microscope (AFM),and Quartz crystal microbalance(QCM).Moreover,the limiting molecular areas of 18-s-18 on different subphases were compared.We found that the spacer and the subphase greatly influence the properties of the Gemini surfactants at the air/water interface.In addition,we conclude that the adsorption capacity of the Gemini surfactants with DNA is closely related to their interaction modes.

Gemini surfactant;Deoxyribonucleic acid;π-A isotherm;Atomic force microscope; Quartz crystal microbalance

O648

?Corresponding author.Email:qibinchen@ecust.edu.cn;Tel:+86-21-64252767.

The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(20806025,20706013),Creative Team Development Project of

Ministry of Education of China(IRT0721),Scientific Research Foundation for the Returned Overseas Chinese Scholars,State Education

Ministry and Fundamental Research Funds for the Central Universities,China.

國家自然科學(xué)基金(20806025,20706013),長(zhǎng)江學(xué)者創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(IRT0721),教育部留學(xué)回國人員科研啟動(dòng)基金和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助