Malin Edvardsson May 02, ’05 < 20200902

使用耗散型石英晶体微天平对磷脂双分子层进行表征

自1998年以来,耗散型石英晶体微天平技术(QCM-D)就被频繁用于磷脂双分子层的表征。在这篇文章中,我们将为您介绍为什么耗散型石英晶体微天平技术特别适用于这种分析的原因,并向您展示一些典型的测量结果。

使用QCM-D分析磷脂双分子层的形成过程

QCM-D技术测量两个参数:f和D,并由此得到芯片表面吸附层的质量、厚度和粘弹性的时间分辨信息。这意味着磷脂层结构和芯片表面之间的相互作用动力学可以实时进行监控,并且可以对形成层的结构信息进行表征。这使得该技术特别适合检测和分析从囊泡结构(small uni-lamellar vesicles)到表面支撑的磷脂双分子层(supported lipid bilayers)的转变。

Download pdf: Characterization of model membranes with QSense QCM-D

揭示磷脂双分子层形成动力学

现如今,有很多种方法可以制备磷脂双分子层,例如通过囊泡破裂和融合方法1-4,以及通过溶剂辅助脂质双层(SALB)形成方法5。制备条件对磷脂双分子层形成的动力学和制备成功性有很大的影响。QCM-D可以揭示在不同环境条件下磷脂双分子层是否可以形成。

例子:分析使用破裂和融合方法得到的磷脂双分子层过程

让我们看一个例子:使用QCM-D技术,通过破裂和融合方法形成的磷脂双分子层的形成过程。

如上文提到的,有很多种方法可以形成磷脂双分子层结构。由于能够检测到水合质量,QCM-D可以监测从囊泡到磷脂双分子层的结构重排,来追踪这种独特变化的进行。

比如:在二氧化硅表面吸附两性离子囊泡,该囊泡会有独特的两步变化。它完整地揭示了的囊泡在表面的吸附,随后在临界表面覆盖率下破裂并融合形成磷脂双分子层的过程(图1)。

f和d的最终变化是具有特征性的,它将反映所形成的双分子层的质量,以及比如是否仍有完整的囊泡存在等情况。

图1 磷脂双分子层形成示意图

1: 磷脂双分子层形成示意图(未按比例绘制)。 上图:通过QCM-D监测磷脂双分子层的形成。 基线从缓冲液囊泡的通入后稳定开始。 测得f和D的变化为囊泡破裂和融合的特征曲线。 首先,曲线有较大的吸附(f减小和D增大),表明溶液中的囊泡结构被固定在芯片表面。 接下来,f和D曲线同时变化:质量降低(f上升),并且吸附的物质变刚性(D微小下降)。 最终,曲线在特征f和D值处达到平衡,其频率是磷脂单层频率的两倍(~24Hz),耗散率非常低(<1×10-6),表明形成了刚性的磷脂双分子层。

探索在不同环境条件下如何影响磷脂双分子层的形成

如果将磷脂双分子层用作后续测试的膜平台,则在使用之前可能需要验证双分子层形成过程并评估其质量。有很多因素都会影响磷脂双分子层的质量,如使用了更复杂的脂质混合物的囊泡,或者制备环境发生了变化。

QCM-D应用举例(图2):

  • 验证磷脂双分子层形成过程
  • 探索双分子层动力学
  • 评估双分子层质量
  • 表征双分子层厚度
  • 优化制备条件(脂质体组分,环境,吸附表面材料)以达到所需的结果

图2 使用QCM-D技术研究磷脂双分子层形成动力学问题

2:使用QCM-D技术,可以解答与磷脂双分子层形成动力学相关问题,并且可以检测双分子层质量。 例如,囊泡破裂了吗(A,B)? 磷脂双分子层形成动力学是什么(A-D)? 负载的磷脂双分子层(G)的质量(E,F)和厚度是多少?

 

点击应用解决方案 使用石英晶体微天平QCM-D对磷脂双分子层进行表征下载综述,了解更多有关使用QCM-D研究磷脂双分子层平台和其他脂质模型的应用分析。

参考文献

  1. Keller C. A. and Kasemo B., Biophys. J., 75 (3), 1397-1402, (1998)
  2. Reimhult E., et al., Langmuir, 19 (5), 1681-1691 (2003)
  3. Cho N. J., et al., J. Am. Chem. Soc., 129 (33), 10050-1 (2007)
  4. Lind T. K. and Cardénas M., Biointerphases, 020801, 11 (2016)
  5. Tabaei, S.R., et al., Biomembrane Fabrication by the Solvent-assisted Lipid Bilayer (SALB) Method. J. Vis. Exp. (106), e53073, doi:10.3791/53073 (2015)

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