在水/空气界面上掺杂与疏水有机分子混合脂膜的自组装
Summary
我们报告一个协议，通过掺杂脂质双层铜（II）2，9，16，23-四-特-丁基-29H，31H-邻苯二甲酸酯（CuPc）分子，在水/空气界面上生产混合脂质膜。由此产生的混合脂质膜具有脂质/CuPc/脂质夹层结构。该协议也适用于其他功能纳米材料的形成。
Abstract
由于其独特的特性，包括超薄厚度（3-4纳米），超高电阻率，流动性和自组装能力，脂质双层层可以很容易地功能化，并可用于各种应用，如生物传感器和生物器件。在这项研究中，我们引入了一个平面有机分子：铜（II）2，9，16，23-四-tert-丁基-29H，31H-邻苯二甲酸酯（CuPc）掺杂脂膜。CuPc/脂质混合膜通过自组装在水/空气界面形成。在这个膜中，疏水性CuPc分子位于脂质分子的疏水尾之间，形成脂质/CuPc/脂质夹层结构。有趣的是，通过将混合膜转移到Si基板上，可以很容易形成空气稳定的混合脂质双层体。我们报告了将纳米材料整合到脂质双层系统中的直接方法，这是制造生物传感器和生物设备的新方法。
Introduction
作为细胞膜的基本框架，细胞内部通过脂质双层系统从外部分离。该系统由两栖磷脂组成，由亲水磷酯”头”和疏水脂肪酸”尾巴”组成。由于脂质双层体在水环境中具有显著的流动性和自组装能力，1、2、人工脂质双层体可以采用简单的方法3、4形成。各种类型的膜蛋白，如离子通道，膜受体和酶，已被纳入人工脂质双层，以模仿和研究细胞膜5，6的功能。最近，脂质双层体掺杂了纳米材料（如金属纳米粒子、石墨烯和碳纳米管），形成功能性混合膜7、8、9、10、11、12、13。形成这种混合膜的广泛使用的方法涉及形成掺杂脂囊泡，其中含有疏水性材料，如改性Au-nano粒子7或碳纳米管11，然后产生的囊泡被融合到平面支持的脂质双层体。然而，这种方法是复杂和耗时的，这限制了这种混合膜的潜在用途。
在这项工作中，脂质膜掺杂有机分子，以产生混合脂质膜，通过自组装在水/空气界面形成。该协议涉及三个步骤：混合溶液的制备，在水/空气界面形成混合膜，以及将膜转移到Si基板上。与以前报告的其他方法相比，此处描述的方法更简单，不需要复杂的检测。使用这种方法，可以在更短的时间内形成空气稳定的混合脂质膜，具有较大的面积。本研究中使用的纳米材料是一种半导体有机分子，铜（II）2，9，16，23-四-tert-丁基-29H，31H-邻苯二甲酸酯（CuPc），广泛应用于许多应用，包括太阳能电池、光探测器、气体传感器和催化14，15。CuPc是一种具有平面结构的小有机分子，其疏水特性对磷脂二重奏的”尾巴”具有很高的亲和力。其他组报告说，CuPc分子可以在单晶表面上自组装，形成高有序的结构16，17。因此，通过自组装，极有可能将CuPc分子并入脂质双层体。
我们详细介绍了用于形成膜的程序，并为顺利实施此程序提供了一些建议。此外，本文还提出了混合脂膜的一些现性结果，并讨论了该方法的潜在应用。
Protocol
Representative Results
Discussion
在杂交膜的前体溶液中，混合有机溶剂（氯仿和六烷）而不是纯氯仿用于溶解脂质和CuPc。如果使用纯氯仿，前体溶液的密度将高于水。因此，溶液极有可能沉入水底，而不是扩散到水面上。将低密度溶剂六烷添加到前体溶液中，可确保溶液漂浮在水面上，并在溶剂蒸发后形成均匀的混合膜。还应当指出，溶液与水面接触后，会立即观察到轻微的表面波，这可能是由于膜和有机溶剂的扩散，这将改…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
这项工作得到了日本科学技术厅（JPMJCR14F3）的CREST项目和日本科学促进协会（19H00846和18K14120）的赠款援助支持。这项工作部分在东北大学电气通信研究所纳米电子和自旋电子学实验室进行。
Materials
| Chloroform | Wako Chemicals | 033-08631 | |
| CuPc | Sigma-Aldrich | 423165 | |
| DPhPc | Avanti Polar Lipids | 850356C | |
| Glass vials with screw cap | Nichiden-Rike Glass Co., Ltd | 6-29801 | |
| Hexane | Wako Chemicals | 084-03421 | |
| Membrane filters | Merck Millipore Ltd. | R8CA42836 | |
| Micro-syringe | Hamilton | 80530 | |
| Peristaltic pump | Tokyo Rikakikai Co., Ltd. | 11914199 | |
| Vortex mixer | Scientific Industries, Inc. | SI-0286 |
References
- Israelachvili, J. N., Mitchell, D. J., Ninham, B. W. Theory of self-assembly of lipid bilayers and vesicles. Biochimica Et Biophysica Acta-Biomembranes. 470 (2), 185-201 (1977).
- Venable, R. M., Zhang, Y., Hardy, B. J., Pastor, R. W. Molecular dynamics simulations of a lipid bilayer and of hexadecane: an investigation of membrane fluidity. Science. 262 (5131), 223-226 (1993).
- Ide, T., Ichikawa, T. A novel method for artificial lipid-bilayer formation. Biosensors and Bioelectronics. 21 (4), 672-677 (2005).
- Funakoshi, K., Suzuki, H., Takeuchi, S. Lipid bilayer formation by contacting monolayers in a microfluidic device for membrane protein analysis. Analytical Chemistry. 78 (24), 8169-8174 (2006).
- Kongsuphol, P., Fang, K. B., Ding, Z. Lipid bilayer technologies in ion channel recordings and their potential in drug screening assay. Sensors and Actuators B: Chemical. 185, 530-542 (2013).
- Demarche, S., Sugihara, K., Zambelli, T., Tiefenauer, L., Voros, J. Techniques for recording reconstituted ion channels. Analyst. 136 (6), 1077-1089 (2011).
- Sakaguchi, N., Kimura, Y., Hirano-Iwata, A., Ogino, T. Fabrication of Au-nanoparticle-embedded lipid bilayer membranes supported on solid substrates. The Journal of Physical Chemistry B. 121 (17), 4474-4481 (2017).
- Schulz, M., Olubummo, A., Binder, W. H. Beyond the lipid bilayer: interaction of polymers and nanoparticles with membranes. Soft Matter. 8 (18), 4849-4864 (2012).
- Wang, J., Wei, Y., Shi, X., Gao, H. Cellular entry of graphene nanosheets: the role of thickness, oxidation and surface adsorption. RSC Advances. 3 (36), 15776-15782 (2013).
- Vögele, M., Köfinger, J., Hummer, G. Molecular dynamics simulations of carbon nanotube porins in lipid bilayers. Faraday Discussions. 209, 341-358 (2018).
- Kanomata, K., Deguchi, T., Ma, T., Haseyama, T., Miura, M., Yamaura, D., Tadaki, D., Niwano, M., Hirano-Iwata, A., Hirose, F. Photomodulation of electrical conductivity of a PCBM-doped free-standing lipid bilayer in buffer solution. Journal of Electroanalytical Chemistry. 832, 55-58 (2019).
- Barnoud, J., Rossi, G., Monticelli, L. Lipid Membranes as Solvents for Carbon Nanoparticles. Physical Review Letters. 112, 068102 (2014).
- Dichello, G. A., et al. Preparation of liposomes containing small gold nanoparticles using electrostatic interactions. European Journal of Pharmaceutical Sciences. 105, 55-63 (2017).
- Sullivan, P., Heutz, S., Schultes, S. M., Jones, T. S. Influence of codeposition on the performance of CuPc−C60 heterojunction photovoltaic devices. Applied Physics Letters. 84 (7), 1210-1212 (2004).
- Miyata, T., Kawaguchi, S., Ishii, M., Minami, T. High sensitivity chlorine gas sensors using Cu−phthalocyanine thin films. Thin Solid Films. 425 (1-2), 255-259 (2003).
- Barrena, E., de Oteyza, D. G., Dosch, H., Wakayama, Y. 2D supramolecular self-assembly of binary organic monolayers. ChemPhysChem. 8 (13), 1915-1918 (2007).
- Xiao, K., et al. Surface-induced orientation control of CuPc molecules for the epitaxial growth of highly ordered organic crystals on graphene. Journal of the American Chemical Society. 135 (9), 3680-3687 (2013).
- Feng, X., Ma, T., Yamaura, D., Tadaki, D., Hirano-Iwata, A. Formation and characterization of air-stable lipid bilayer membranes incorporated with phthalocyanine molecules. The Journal of Physical Chemistry B. 123 (30), 6515-6520 (2019).
- Wu, Y., He, K., Ludtke, S. J., Huang, H. W. X-ray diffraction study of lipid bilayer membranes interacting with amphiphilic helical peptides: diphytanoyl phosphatidylcholine with alamethicin at low concentrations. Biophysical Journal. 68 (6), 2361-2369 (1995).
- Zaitseva, S. V., Bettini, S., Valli, L., Kolker, A. M., Borovkov, N. Y. Atypical film-forming behavior of soluble tetra-3-nitro-substituted copper phthalocyanine. ChemPhysChem. 20 (3), 422-428 (2019).
- Ghani, F., Gojzewski, H., Riegler, H. Nucleation and growth of copper phthalocyanine aggregates deposited from solution on planar surfaces. Applied Surface Science. 351, 969-976 (2015).
