GO在DODAB和DSEPC的單層上的吸附。雖然DODAB和DSEPC的兩個(gè)頭部基團(tuán)具有相同的正電荷量，但其化學(xué)結(jié)構(gòu)卻大不相同。為了進(jìn)一步表征DODAB、DSEPC和GO的正電荷頭基團(tuán)之間的相互作用，在表面壓力20 mN/m下研究了GO對(duì)脂質(zhì)單層的吸附研究，如圖2所示。作為對(duì)照實(shí)驗(yàn)，首先將DODAB或DSEPC的單層在純水亞相上壓縮至20 mN/m，然后根據(jù)經(jīng)過的時(shí)間監(jiān)測表面壓力（圖2a，b中的黑色曲線）和表面電位（圖2c，d中的黑色曲線）。正如預(yù)期的那樣，最初壓縮到20 mN/m的DODAB和DSEPC單分子膜在純水亞相上非常穩(wěn)定。在這兩種情況下，6000 s后表面壓力仍在18 mN/m左右（圖2a，b中的黑色曲線）。表面壓力在前1000秒內(nèi)迅速下降可能是由于壓縮后單分子膜松弛所致。還觀察到表面電位隨時(shí)間變化的類似穩(wěn)定現(xiàn)象，如圖2c，d所示。對(duì)于GO的吸附，在純水上將DODAB或DSEPC的單層最初壓縮至20 mN/m后，小心并緩慢地將600μL 1 mg/mL GO分散液注入水亞相中，使其達(dá)到0.02 mg/mL，然后監(jiān)測表面壓力（圖2a、b中的紅色曲線）或表面電位（圖2c、d中的紅色曲線）隨時(shí)間的變化。值得注意的是，在亞相注入GO達(dá)到0.02 mg/mL不會(huì)導(dǎo)致空氣中的表面壓力增加?6000 s的水界面。如圖2a，c所示，DODAB單層的表面壓力增加到21.3 mN/m，而表面電位在前500 s下降到幾乎0 mV。值得注意的是，圖2c中的DODAB（紅色）的表面電位曲線最初約為300 mV，然后小心緩慢地將GO注入亞相。表面壓力和表面電位的變化清楚地表明，DODAB的正銨基和GO的負(fù)羧基之間存在靜電相互作用。

圖2：（a）DODAB和（b）DSEPC單層的表面壓力與經(jīng)過時(shí)間。（c）DODAB和（d）DSEPC單層的表面電位與經(jīng)過時(shí)間的關(guān)系。黑色曲線：在純水亞相上將單層壓縮至20 mN/m的表面壓力。紅色曲線：將單層壓縮至20 mN/m后，小心地將600μL 1 mg/mL GO分散液緩慢注入單層下方的水亞相中，使GO達(dá)到0.02 mg/mL。

As GO是一個(gè)非常薄的層(～1 nm）具有較大的表面積，研究其與脂質(zhì)相互作用時(shí)的取向非常有趣。這里涉及兩種可能的方向：“邊緣入”和“面入”。“邊入”表示GO板材的表面垂直，而“面入”表示水平方向。空中觀察?水/水界面可以提供一些見解。我們提出，由于銨基和羧基之間的靜電相互作用，GO片通過插入具有“邊緣”取向的羧基進(jìn)入有序的DODAB單層，如圖3a所示。也有可能一些GO片在單層下方使用“面內(nèi)”方向與帶正電的頭群相互作用。GO納米片不太可能以“面內(nèi)”方向并入單層（圖3b）。首先，20 mN/m的DODAB單層足夠緊密，邊緣（約1 nm）比側(cè)面（高達(dá)數(shù)百納米）更容易擠壓。其次，帶負(fù)電的羧基主要存在于GO的邊緣，而不是側(cè)表面。表面電位的降低也歸因于這種靜電相互作用，因?yàn)閹ж?fù)電荷的結(jié)合進(jìn)入有序的DODAB單層，中和了DODAB的電荷，降低了界面處的偶極矩。

圖3.GO在空氣中并入DODAB（a，b）和DSEPC（c，d）單層時(shí)可能的方向示意圖?水界面。

如果GO通過與DODAB相同的方式與DSEPC單層結(jié)合，人們期望觀察到類似的表面壓力和表面電位現(xiàn)象。我們確實(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)將GO引入亞相時(shí)，DSEPC單層的表面電位下降到50 mV左右（圖2d，紅色曲線），表明DSEPC單層存在偶極矩變化。然而，在DSEPC實(shí)驗(yàn)中觀察到表面壓力非但沒有增加，反而降低，如圖2b所示。因?yàn)镈SEPC有很大一部分疏水尾錨定在空氣中?水界面，不太可能將DSEPC分子損失到亞相。值得注意的是，在空中?水界面DSEPC的頭基團(tuán)為大塊sn甘油-3-乙基磷酸膽堿，帶有帶正電的膽堿基團(tuán)和sn-甘油-3-乙基磷酸的強(qiáng)極性基團(tuán)。當(dāng)GO從亞相擴(kuò)散到界面處的DSEPC單層時(shí)，帶負(fù)電的GO可能與DSEPC的帶正電的膽堿部分相互作用，但由于受到sn-甘油-3-乙基磷酸的屏蔽而沒有滲透到單層中，如圖3c，d所示。GO也可能與DSEPC單分子膜相互作用，在單分子膜下方具有“邊緣入”和“面入”方向，如圖3c所示。GO的靜電相互作用不僅中和了DSEPC中頭部基團(tuán)的正電荷密度，而且導(dǎo)致DSEPC分子在界面上更緊密地堆積。該假設(shè)解釋了當(dāng)GO從亞相擴(kuò)散到DSEPC單層時(shí)，表面壓力和表面電勢的下降。

如果我們關(guān)于DODAB和DSEPC的GO-to單層的不同結(jié)合行為的假設(shè)是正確的，那么當(dāng)初始表面壓力較低時(shí)，可以預(yù)期觀察到DODAB的表面壓力會(huì)有更大的增加。事實(shí)上，當(dāng)GO與最初壓縮至15 mN/m的DODAB單層結(jié)合時(shí)，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)表面壓力增加約2.5 mN/m，如圖4a（粉紅色曲線）所示。另一方面，當(dāng)DODAB單分子膜的表面壓力足夠高時(shí)，GO的任何邊緣都不能擠入緊密堆積的單分子膜中。如圖4a（黑色曲線）所示，當(dāng)DODAB單層壓縮至25 mN/m時(shí)，亞相GO不會(huì)導(dǎo)致表面壓力增加。在DSEPC的情況下，當(dāng)GO注入到亞相時(shí)，單層的表面壓力降低。總之，這些觀察結(jié)果驗(yàn)證了圖3中提出的GO在界面處與DODAB和DSEPC單層結(jié)合的模型。

圖4.GO在不同表面壓力下對(duì)（a）DODAB和（b）DSEPC單層的吸附研究（表面壓力與經(jīng)過時(shí)間的關(guān)系）。首先將單層壓縮至純水亞相上的一定表面壓力，然后小心地將600μL 1 mg/mL GO分散液緩慢注入單層下方的水亞相。

朗繆爾原子力顯微鏡圖像?Blodgett（LB）薄膜。原子力顯微鏡（AFM）是一種在高分辨率下觀察LB膜形貌的強(qiáng)大、非破壞性方法。轉(zhuǎn)移到基板上的LB膜表面可以重復(fù)成像，而不會(huì)損壞樣品。在本研究中，首先從空氣中轉(zhuǎn)移表面壓力為20 mN/m的DODAB或DSEPC的Langmuir單層?純凈水或空氣?將水分散體界面轉(zhuǎn)移到新切割的云母基板上，然后在空氣中干燥并進(jìn)行AFM成像。圖5a顯示了將5μL 0.02 mg/mL GO分散液涂在云母上并干燥后的GO納米片的形態(tài)。圖中的白色曲線顯示了白色虛線橫截面軌跡的提取輪廓。發(fā)現(xiàn)GO納米片高度均勻約為1 nm，長度分布較大。

圖5.新切割云母表面上的AFM圖像（比例尺=1μm）：（a）干燥后的一滴GO分散液；（b）LB膜在空氣中不沉積脂質(zhì)的對(duì)照實(shí)驗(yàn)?GO-水界面；（c）從空氣中轉(zhuǎn)移的DODAB LB膜?純水界面；（d）從空氣中轉(zhuǎn)移的DODAB LB膜?GO-水界面；（e）從空氣中轉(zhuǎn)移的DSEPC的LB膜?純水界面；（f）從空氣中轉(zhuǎn)移的DSEPC的LB膜?轉(zhuǎn)到水界面。所有脂質(zhì)LB膜在20 mN/m的恒定表面壓力下轉(zhuǎn)移。

這證實(shí)了圍棋確實(shí)是單層的。16,34,35圖5c和5e顯示了以20 mN/m的速度從空氣中轉(zhuǎn)移的DODAB和DSEPC的LB膜的AFM圖像?分別為純水界面。在這兩種情況下，薄膜相當(dāng)均勻，表明形成了均勻的單層。36有一些深度為0.4的小孔?0.5 nm，可以假設(shè)為DODAB或DSEPC的單個(gè)分子層的高度。為了研究在空氣中形成的DODAB和DSEPC LB膜的形貌?GO分散界面，在相同條件（面積、壓縮速度和提升率）下進(jìn)行LB膜的控制實(shí)驗(yàn)，而不在空氣中擴(kuò)散DODAB或DSEPC?GO色散界面。如圖5b所示，觀察到幾乎裸露的云母表面，表明GO分散子相的GO納米片不可能轉(zhuǎn)移到云母表面。這可能是由于帶負(fù)電的GO納米片和帶負(fù)電的云母表面之間存在不利的相互作用。當(dāng)DODAB或DSEPC LB膜以20 mN/m的速度從空氣中轉(zhuǎn)移時(shí)?如圖5d和5f所示，在DODAB或DSEPC的LB膜中可以清楚地找到GO分散界面和GO納米片。LB膜中GO的高度也約為1 nm。GO的存在證實(shí)了GO納米片確實(shí)吸附或結(jié)合到DODAB或DSEPC的單層中。值得注意的是，脂質(zhì)DODAB和DSEPC直接沉積在GO分散體的亞相上，以獲得用于AFM成像的LB膜。關(guān)于GO與脂質(zhì)單層結(jié)合時(shí)的方向（圖5d，f），AFM成像在LB膜上僅觀察到GO的“面內(nèi)”方向。即使可以想象，當(dāng)DODAB或DSEPC沉積在空氣中時(shí)，GO的方向應(yīng)該存在一些“邊緣”?對(duì)于水分散體界面，原子力顯微鏡無法觀察到這種方向。這是因?yàn)樵谵D(zhuǎn)移過程中，圍棋的方向很容易改變。當(dāng)轉(zhuǎn)移到云母表面時(shí)，“邊緣”取向不太可能仍然“站立”在其尺寸為1 nm的邊緣上，而不“躺著”在其大平面上。因此，在AFM圖像中觀察到GO的“面內(nèi)”取向并入或吸附在單層結(jié)構(gòu)中。

結(jié)論

在本研究中，朗繆爾單層技術(shù)作為二維方法應(yīng)用于空氣中?水/水界面，以了解GO和脂質(zhì)模型之間相互作用的性質(zhì)和方向。為了使可能的相互作用合理化，我們特意選擇了五種具有相同18碳烷基鏈但不同電荷頭基團(tuán)的脂質(zhì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這些脂質(zhì)和GO之間的相互作用明顯受靜電相互作用的控制。當(dāng)這些脂質(zhì)在空氣中傳播時(shí)?GO分散界面，GO可以結(jié)合或吸附到帶正電的脂質(zhì)DODAB和DSEPC的單層中，增加平均分子面積。然而，由于沒有有利的靜電相互作用，帶中性電荷的頭基（磷酸膽堿）或帶負(fù)電荷的頭基（磷酸和羧基）的單分子膜不吸附GO。由于生物系統(tǒng)中的磷脂帶負(fù)電荷或中性電荷，細(xì)胞可能將GO攝取到膜中不應(yīng)是由于GO和磷脂之間的直接靜電相互作用，而是通過膜的生物活性。

當(dāng)將GO注入DODAB和DSEPC正電荷單層下方的子相時(shí)，發(fā)現(xiàn)了不同的表面壓力觀察結(jié)果。GO可以以20mN/m的速度插入到DODAB的單層中，從而增加表面壓力。然而，由于乙基磷酸基團(tuán)的屏蔽作用，即使在低得多的表面壓力下，GO也不能擴(kuò)散以與DSEPC單層結(jié)合。提出了GO與DODAB和DSEPC單分子膜結(jié)合時(shí)的取向模型，以解釋GO在空氣中的不同吸附行為?水界面。當(dāng)GO納米片插入到DODAB的單層中時(shí)，提出了“邊緣入”方向而不是“面入”方向來描述GO納米片的方向。