利用光漂白后的荧光恢复技术研究向列型彩色液晶中的各向异性扩散

《Journal of Colloid and Interface Science》：Anisotropic Diffusion in Lyotropic Chromonic Liquid Crystal using Fluorescence Recovery After Photobleaching

　　

崔圭焕|全智永|郑俊宇|高取翔二

斯坦福大学化学工程系，美国加利福尼亚州斯坦福市

摘要

各向异性扩散控制着多种软材料和生物材料中的物质传输过程，其中微观结构和分子相互作用共同决定了物质的运动方式。在此，我们利用光漂白后的荧光恢复（FRAP）技术，定量研究了向列色液晶（LCLCs）中的各向异性分子传输。二钠克罗莫甘酸酯（DSCG）被用作模型LCLC系统，我们在改变浓度和温度的情况下，测量了其在等向、向列和柱状相中的扩散行为。

为了区分微观结构和分子相互作用的作用，我们使用了两种对LCLC聚集体具有不同亲和力的荧光示踪剂：吖啶橙（AO），它可以插入DSCG聚集体中；另一种是Bodipy，其与聚集体的相互作用较弱，主要存在于水相中。傅里叶空间FRAP分析能够独立地解析这两种染料相对于液晶方向的平行和垂直扩散系数。

在向列相中，扩散变得各向异性，沿着液晶取向方向的传输速度更快。随着DSCG浓度的增加，与聚集体紧密结合的AO染料分子在所有方向上的传输速度都减慢，这反映了液晶微观结构的紧密堆积和空间限制。相比之下，在向列相中，Bodipy染料分子的传输速度随着DSCG浓度的增加而加快，这表明出现了引导运动的微观通道，类似于定向多孔介质中的传输现象。这些结果揭示了LCLCs不断演变的微观结构如何控制有效扩散，并为理解和设计各向异性传输提供了定量框架。

引言

生物系统中的大分子由于其周围环境的有序性和结构，常常表现出各向异性扩散。例如，在哺乳动物细胞膜中，脂质双层平面内和平面外的扩散速率不同[1]，[2]。理解各向异性扩散对于阐明这些系统中的物质传输至关重要，特别是在模仿生物结构（如膜和细胞外基质）的液晶环境中[2]，[3]。

在向列色液晶（LCLCs）中，类似浮游生物的分子通过面面对面的堆叠相互作用自组装形成棒状聚集体[4]，[5]，[6]，[7]。当浓度超过某个阈值时，这些聚集体会排列成向列和柱状相。在这方面，LCLCs与DNA束、胶原蛋白基质和脂质双层等生物材料具有关键的物理特性：它们发展出微观结构上的定向排列，从而产生方向依赖性的传输。在所有这些系统中，分子运动都受到潜在各向异性结构的引导，导致沿优选方向的传输更快，而在垂直方向的传输受阻[8]，[9]，[10]。尽管LCLCs在结构和传输方面与生物系统相关，但各向异性扩散如何从微观排列和分子尺度相互作用中产生仍然知之甚少。以往的研究主要集中在向列液晶的自扩散或溶解分子的扩散上，而没有在同一结构化系统中同时描述两者[3]，[8]，[11]，[12]。

为了解决这一难题，我们使用二钠克罗莫甘酸酯（DSCG）作为模型系统，并采用光漂白后的荧光恢复（FRAP）作为定量测量方法，研究了LCLCs中的各向异性扩散。我们使用了两种与LCLC聚集体具有不同相互作用强度的荧光染料，以区分DSCG聚体的扩散与周围介质中分子示踪剂的扩散。通过系统地改变DSCG浓度，我们检查了其在等向、向列（N）和柱状（M）相中的传输行为。

FRAP通过监测局部光漂白后荧光的时空恢复来提供有效的体积扩散率的稳健测量[13]，[14]。在本研究中，FRAP测量结果的解释基于使用UV-Vis光谱学独立表征染料与DSCG分子之间的相互作用[15]，从而将扩散行为直接与LCLC系统内的分子定位联系起来。为了量化传输各向异性，我们在傅里叶空间分析了荧光恢复，从而能够独立提取出平行于和垂直于液晶方向的扩散系数[1]，[2]，[3]，[16]，[17]，[18]。这一框架为液晶微观结构与LCLCs中的各向异性分子传输之间提供了可靠且定量的联系。

章节片段

LCLC的制备

为了进行FRAP测量，我们准备了含有染料的DSCG水溶液，将DSCG（≥95%，Sigma-Aldrich）和荧光染料溶解在去离子水中（≥18.2 MΩ·cm），DSCG的浓度范围为16%至20%（重量百分比）。两种不同的荧光染料吖啶橙（AO）和Bodipy-NHS分别从Thermo Fisher购买，最终添加浓度为和M，这些浓度选择是为了确保FRAP测量时有足够的荧光信号同时又保持稀释状态

染料-聚集体相互作用强度

荧光染料与DSCG聚集体之间的相互作用强度是通过UV-Vis光谱学确定的，如图2所示。最大吸收峰的移动被认为是强染料-DSCG分子相互作用的证据，例如染料嵌入DSCG堆叠中。相反，如果没有峰值移动，则表明相互作用较弱或可以忽略不计，染料在水中自由扩散[15]。

吸收数据直接反映了染料在

结论

在本研究中，我们使用两种荧光染料吖啶橙（AO）和Bodipy作为探针，研究了向列色液晶（LCLC）系统中的各向异性扩散，这两种染料的相互作用强度不同。UV-Vis光谱学显示AO与DSCG聚集体有较强的结合，而Bodipy的结合较弱，主要溶解在水相中。通过FRAP，我们量化了这两种示踪剂对浓度依赖的LCLC微观结构的响应。

参考文献图3缺失。

CRediT作者贡献声明

崔圭焕：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原始草稿，研究，概念化。全智永：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原始草稿，研究，概念化。郑俊宇：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原始草稿，监督，项目管理，资金获取，概念化。高取翔二：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原始草稿，监督，项目管理，资金获取，概念化。

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

崔圭焕（KHC）和高取翔二（SCT）得到了美国国家科学基金会的资助（资助编号：2440029）。SCT还获得了Packard科学奖学金的支持。全智永（JC）和郑俊宇（JJ）感谢韩国国家研究基金会的资助（资助编号：RS-2024-00345749）。X射线散射实验在韩国浦项加速器实验室（PAL）的PLS-II 6D光束线上进行（提案编号2023-2nd-6D-A011）。