结果和讨论

界面水的光谱响应。图2显示了在2100-3100 cm-1范围内，随着亚相DNA浓度的增加，DPTAP、diC14氨基和DPPC单分子膜的VSF光谱。对这些数据的粗略检查显示出几个特征。聚焦于图2面板A，从低频向高频移动，很明显，有一个巨大的双峰结构，随着DNA的加入，其振幅突然降低（透明的红色矩形）；一个小的、更高频率的峰值（以≈2675 cm-1），随着DNA（透明绿色矩形）的加入而增加；在2800-2950 cm-1的频率范围内有几个较窄的峰值（这些峰值是CH拉伸振动的结果，显示在一个透明的蓝色矩形中，下面将进一步讨论）。

图2。VSF光谱是OD拉伸区2100-2700 cm-1和CH拉伸区2850-2975 cm-1的DNA浓度的函数。阳离子脂质单分子膜的脂质密度为52Å2/分子，两性离子脂质单分子膜的脂质密度为47Å2/分子。A组为DPTAP单层下的VSF光谱，B组为diC14氨基单层下的VSF光谱，C组为DPPC单层下的VSF光谱，D组为含有额外50 mM CaCl2的DPPC单层下的VSF光谱。所有实验中的亚相都是磷酸盐缓冲的。每个面板中的单个光谱是具有不同浓度λ-DNA噬菌体的相同系统。每个面板中都显示了该频率窗口的磷酸盐缓冲D2O光谱，以供比较。实体曲线使用公式1拟合数据。

在沈氏集团38-40的开创性努力之后，20年的实验和计算工作已经阐明，大型双峰结构是界面氢键水的OD延伸（见里士满、戈帕拉克里希南等人、奥斯特罗霍夫和沈和艾伦等人的评论，以及其中的参考文献53-56）。最近，我们已经证明，这两个峰并不是由界面水的两种不同结构类型造成的：它们是一个单峰，由于OD拉伸的费米共振和D2O弯曲的0 f 2跃迁而明显倾斜。57-59下面将进一步讨论，这种费米共振可以“关闭”，通过探测界面HOD中的OH或OD拉伸模式，产生的光谱只有一个峰值。有了这样的HOD光谱，界面水结构的半定量解释成为可能，即具有不同状态的连续统。

移动到更高的频率，在2675厘米-1处有一个小峰值。在没有DNA的情况下，该峰值不会出现在水/脂质界面上，并且在该频率窗口中没有出现已知的DNA共振。之前关于空气/水界面（水相可能含有酸、碱或盐）界面水OD（OH）延伸的许多研究表明，在较低频率下具有双峰特征，在较高频率（2735 cm-1）下具有更窄的峰。53,54,56,60,61基于真空中孤立水分子的OD拉伸模式和高水平计算，很明显，以2735 cm-1为中心的峰值是自由OD：一种D2O分子，横跨空气/水界面，其方式使一个OD粘附在气相中（参见图2中的空气/水光谱）。由于我们观察到的峰值频率均低于自由OD，且仅出现在DNA存在的情况下，因此最容易通过水直接但微弱地氢键连接到DNA或DNA吸附来解释它，从而产生一种在没有水的情况下不存在的结构类型的水（例如，疏水袋）。下面将进一步讨论此任务的限制。

通过考虑从图2中的数据中提取的强度（即（An/n）2），我们可以更容易地讨论这些光谱特征。对于低频、大OD峰值（图2A中透明红色矩形内的光谱特征）的这种方法的结果如图3所示（对于所有系统，OD强度在没有DNA的情况下由信号标准化）。这些结果量化了我们在图2中的定性印象：将DNA的体积浓度从0增加到40 pM，会导致吸附在阳离子脂质DPTAP或diC14氨基上的DNA的OD强度损失超过80%。在两性离子脂质DPPC下面增加DNA浓度，导致OD强度从0降低到80 pM DNA，但总损失仅为初始值的20%。最后，在我们的第四个系统中，在50 mM CaCl2存在的情况下，增加DPPC单层下的DNA浓度会产生介于这两个极端之间的光谱响应：随着DNA浓度的增加，低频OD拉伸峰的强度降低≈70%.山顶≈2675 cm-1仅适用于DNA吸附到DPTAP和双氰胺上的系统（见图2A，B）。如果我们使用公式1来量化该峰值的强度，我们将得到图4所示的结果。对于这两种脂质，其趋势是相同的：强度迅速增加，饱和于≈40μm的DNA体积浓度，此后振幅略有下降。当我们在下面进一步讨论这个峰的详细分配时，我们注意到DNA链中的OH基团只存在于链的末端：对于每个DNA链，只有两个末端OH基团。由此产生的DNA OH基团的密度为每小时1个≈15000 nm2；足够小，以至于DNA OH基团的密度太低，无法引起任何观察到的光谱变化。

图3。根据图2中的数据拟合氢键OD拉伸强度（即（An/n）2）。氢键OD拉伸峰在图2A中的透明红色矩形中突出显示。这些结果清楚地表明，虽然所有脂质单分子膜下的OD强度随着DNA浓度的增加而降低，但带电脂质下的变化要大得多。

图4。图2面板A和B中所示光谱的“弱”OD拉伸峰的拟合光谱强度。这些结果清楚地表明，上述“弱”OD拉伸峰的强度稳定≈30 pM的DNA体积浓度。

原则上，我们数据中的每一个振动模式都包含三个可观测值：光谱振幅、线型和基础模式的中心频率。图3和图4所示的强度受前两个因素的影响，基本上我们观察的是总的积分光谱强度，但不涉及第三个因素。对于DNA/DPPC和DNA/DPPC/Ca2+系统，图2面板C和D的检查表明，这种从光谱中提取信息的方式是合理的：中心频率没有明显的变化。对于DNA/DPTAP和DNA/diC14氨基系统，情况更为复杂。例如，对于DNA/DPTAP系统，很明显∼相对于主峰，强度增加2500 cm-1∼2400 cm-1，随着DNA浓度的增加。下面将更详细地讨论基本模式的这种明显的频率偏移是否对应于实际的频率偏移。

因此，我们对这些系统的OD拉伸频率区域有三个主要观察结果。（i）随着DNA的加入，低频峰的积分光谱强度降低。光谱响应的强度与静电相关：阳离子脂质单分子膜下的界面水比两性离子单分子膜下的界面水对多阴离子DNA的吸附更敏感。在Ca2+存在下，两性离子单分子膜下方的水（被认为使两性离子单分子膜名义上具有阳离子16）具有中等灵敏度。（ii）在阳离子单分子膜下，这种OD拉伸模式的中心频率可能会随着DNA的加入而移动（因为它会降低振幅）；在两性离子单分子膜下，它不会。（iii）OD拉伸峰出现在更高的频率，2675 cm-1，仅在阳离子单分子膜下方存在DNA的情况下。为了理解这些观察对于分子结构的意义，我们需要更详细地考虑能够影响VSF光谱响应的因素。

随着DNA浓度的增加，有五个因素可能会导致OD拉伸光谱响应的变化。（i）由于脂质与聚阴离子DNA的相互作用，DC界面场可能会发生变化（其中初始场是带电脂质头基（DPTAP和diC14氨基）和两性离子头基（DPPC）偶极子的结果，伴随DNA吸附的场变化预计只会调制光谱振幅）。（ii）新结构类型的水（与新受体或供体氢键的水）的产生，预计会改变OD拉伸中心频率和线型，并且其他类型界面水的密度保持不变，导致光谱振幅增加。（iii）被吸附的DNA可以置换界面水，导致界面水分子数量减少（如果DNA置换所有“类型”的水的程度相同，这种置换只会导致光谱振幅降低）。（iv）DNA的吸附可能会产生额外的非中心对称区域（即，脂质-水界面可能会改变为脂质-水-DNA-水界面）。如果吸附在DNA螺旋另一侧的水分子发生破坏性干扰，这将导致光谱振幅降低。（v）吸附的DNA可能会导致界面水分子重新定向，从而使它们的OD拉伸振幅（在我们的实验几何中很明显）显著降低。

效应（iv）表明，DNA的吸附产生了大量新的界面水。对DNA结构的检查表明，这种水很可能是氢键结合在双螺旋外部的磷酸盐上。然而，对水合双层膜进行的大量红外和模拟研究表明，磷酸盐是比大量水更好的氢键受体：吸附到DNA上的VSF活性水的增加应导致OD拉伸带中心频率的红移。62,63当我们看到含有阳离子脂质的系统的该频带向更高频率转移，而含有DPPC的系统的该频带没有转移时，这种效应似乎不太可能起到显著作用，因此不再进一步讨论。界面水VSF光谱响应的偏振分析表明，我们看到的氢键OD拉伸强度的振幅降低（图2面板A中的红色特征）将需要水分子重新定向超过60°（相对于表面法线）。60据我们所知，没有对于这种或任何其他水性界面，存在这样的极端重新取向的独立证据，我们也没有进一步考虑效应（V）。在下文中，我们更详细地考虑效应（I）-（III）。

许多以前的工作已经证明，由于界面液体分子定向力较弱的表面场减小，或由于（3）对和频信号的贡献减小，或两者兼而有之，和频强度随着表面电位的降低而降低。64-66 McLoughlin等人已经证明，DNA吸附到阳离子脂质DODAB（二十八烷基二甲基溴化铵）上会导致≈0.3 V，而在Ca2+存在下，两性离子脂质DSPC（二硬脂酰-sn-甘油-3-磷酸胆碱）对DNA的吸附（未测量裸DSPC单层在DNA存在下的表面电位变化）导致表面电位降低小于0.1 V。如果我们假设DPTAP和双氰胺表现类似对于DODAB和DPPC，与DSPC类似，光谱响应随DNA吸附的变化似乎定性地映射到电位降低：DNA吸附到阳离子脂质上导致比吸附到两性离子上更大的表面电位降低，前者显示氢键OH拉伸强度比后者更大的降低。

这些表面电位和OD拉伸强度的定性趋势也与之前的许多X射线、模拟和热力学工作一致。已知DNA对含有阳离子脂质的脂质单层或双层具有相对较强的吸附（伴随着相对较大的表面电位变化），并具有相对较高的最大吸附密度。对于含有阳离子单分子膜的系统，我们看到界面水对DNA存在的最强光谱响应。另一方面，已知DNA对仅含有两性离子脂质的单层或双层吸附较弱（如果有的话）；19,21,31,33,67在两性离子脂质DPPC下面，我们看到界面水对DNA浓度增加的微弱光谱响应。最后，已知含有两性离子脂质和二价或更高价小阳离子的系统既有DNA的中间吸附能，中间最大吸附密度，也有吸附表面电位的中间变化。17-19,31,67对于我们使用DPPC/Ca2+和增加DNA浓度的实验，界面水的光谱响应显然是中间的。

因此，表面电位的降低似乎定性地解释了吸附在脂质单层上的DNA的VSF水信号的减少。我们之前使用简单的表面络合+Gouy-Chapman（SCGC）模型，通过调节阳离子脂质的界面场，对导致VSF光谱振幅降低的DNA吸附进行了定量描述。48该模型的逻辑（我们采用的特定公式仅适用于DNA吸附到阳离子脂质的情况）是，增加DNA的体积浓度对阳离子单层下方VSF OD拉伸强度的影响是减少有效表面电荷，从而降低表面电位（古伊-查普曼方程无法量化）。考虑到这种方法没有明确解释DNA吸附自由能的熵贡献，也没有考虑到随着DNA体积浓度的变化，界面水结构的变化，这种方法的效果出人意料地好。

为了使SCGC模型适用，界面水结构不能随界面DNA浓度的变化而变化。如果发生任何此类变化，我们预计它们会导致界面水OD延伸的中心频率发生偏移。与本文报道的实验类似，将NaCl添加到DPTAP单层下方的水相中，48并将各种离子添加到CaF2 68和Alumina69下方的水相中，表明界面水键拉伸的中心频率没有变化：添加离子似乎只会减弱界面D2O（H2O）的OD（OH）拉伸。与这些系统类似，随着DNA浓度的增加，DPPC和DPPC/Ca2+系统在D2O中OD拉伸的中心频率没有明显变化（见图2面板C和D）。因此，观察到的DPPC和DPPC/Ca2+系统与DNA相互作用时的水响应变化与由于脂质与聚阴离子DNA相互作用导致的DC界面场变化一致。

然而，如上所述，DPTAP/DNA（图2A）或diC14氨基/DNA（图2B）系统的情况更不透明。对于这些系统，光谱响应明显发生显着变化，但通过检查图2中的数据，很难判断这些变化是否可以纯粹由线形或光谱振幅的变化来解释。正如我们之前所讨论的，由于与分子内和可能的分子间耦合相关的效应，在这种情况下提取界面水的中心频率变化是困难的。57-59这种分子内耦合使得很难通过检查和将数据与等式1中的线形模型进行拟合来确定基础OD（OH）拉伸模式的中心频率或宽度是否随DNA的添加而改变。57,58这个问题是使用VSF光谱研究界面水的一般问题。正如我们之前所指出的，并证明了水和二氧化硅/水界面上的几种不同的脂质单层，通过检查HOD的OD延伸而不是D2O，可以克服这种复杂性。59这种方法的结果，对于双14-氨基体系，如图5所示。从这些HOD数据可以明显看出，HOD共振的中心频率向更高的频率偏移了≈80 cm-1，随着DNA体积浓度的增加。

图5。HOD在H2O中OD拉伸频率窗口的光谱，给出了在diC14氨基单层下含有增加浓度DNA的磷酸盐缓冲亚相。HOD的OD拉伸光谱只有一个单峰结构，并且清楚地表明，随着DNA浓度的增加，共振振幅降低，共振向更高的频率移动。

观察到OD拉伸共振频率的变化，证明了界面水的结构随着DNA的吸附而发生变化。因此，与我们之前的结论相反，阳离子脂质的界面水VSF强度的降低不能完全由表面电位的降低来解释。48也就是说，添加阳离子脂质的DNA后，界面水明显重组。随着DNA浓度的增加，HOD谱向更高频率移动，这表明界面水的平均氢键强度降低。例如，在反胶束中所含的欠配位水中，已经观察到平均氢键强度弱于水在本体中所经历的氢键强度。70,71

因此，我们观察到，随着吸附在阳离子脂质上的DNA浓度的增加，低频OD拉伸峰（图2中的透明红色矩形）移向更高的频率，而随着吸附在两性离子脂质上的DNA浓度的增加，这种模式的中心频率没有明显的变化。我们和其他人之前对小离子在不同界面上吸附的观察表明，与两性离子脂质/DNA的情况类似，中心频率没有变化。48,68,69由于单个带负电荷的碱基的分子足迹是有序的，因此脂质头基的大小（相对于阴离子如Cl-）和DNA链的吸附能比小离子的吸附能大得多，聚合物DNA的吸附明显扰乱了界面水结构，而单体离子的吸附则没有，这也许并不奇怪。

要理解为什么吸附在阳离子脂质单层上的DNA会改变界面水结构，而吸附在两性离子脂质上的DNA不会改变界面水结构，则更为微妙。之前的X射线散射和衍射研究已经阐明，DNA与阳离子脂质的结合是化学计量的：对于双组分（一种阳离子脂质、一种两性离子脂质和DNA）脂复合物，观察到吸附的DNA量随着相对阳离子脂质浓度的增加而线性增加（在很大范围内），12,13,15,72而对于单组分阳离子脂质单层，吸附的DNA密度随着总脂质密度的增加而线性增加。73这些观察结果的含义是，人们可能会写出一个化学上真实的公式，描述单个DNA碱基与单个阳离子脂质分子的结合。更定量地说，在Mg2+存在下，对吸附在阳离子脂质甲基三十八烷基溴化铵和两性离子脂质1,2-二吡啶基磷脂酰乙醇胺单层上的DNA的X射线反射研究表明，在与我们的实验类似的脂质密度下，阳离子单层上的链间距达到≈30Å而两性离子单层膜上的是≈42Å.17,18,73在二价阳离子Mg2+、Mn2+、Ca2+和Co2+存在下对DNA和阳离子脂质的脂复合物的研究表明，在临界离子浓度以上（由于2D离子凝聚），可能会出现更小的链间间隔，但这一现象尚未针对单层进行探索。15最后，与这些实验研究一致的是，简单的热力学论证表明，吸附在阳离子脂质单层上的每个DNA分子都将平铺（见Wurpel等人48的支持信息）。总的来说，这项先前的工作描绘了DNA以相对较高的表面覆盖率吸附到阳离子脂质上的图片，其方式与脂质环境有关，并为小阳离子提供了独特的界面环境。鉴于这种界面环境在DNA、脂质和小阳离子方面是高度结构化的，我们希望提出一个问题，这个顺序对最终主要界面化学物种水的光谱响应有什么影响？

由于已知水化脂质头基团经历高度非均相氢键环境，58,59,63,74-78我们预计DNA对阳离子脂质的吸附将以两种方式影响界面水的光谱响应。首先，界面上的水分子数量减少：DNA取代了水。由于水在脂类附近经历了一个不均匀的氢键环境，并且由于DNA不可能以同样的效率置换所有这些类型的界面水，因此这种脱水（正如我们观察到的）预计会导致潜在模式的中心频率发生移移移，同时振幅降低。第二，由于已知DNA阳离子脂质复合物的化学计量比，已知阳离子脂质上的DNA吸附密度高，并且已知吸附的DNA会创造一种独特的离子环境，因此我们希望看到一种在没有DNA的情况下不存在的界面水。

只有当DNA吸附到阳离子脂质上时，才会出现额外的水结构类型，这一预期表明，只有当DNA吸附到阳离子脂质上时，才会出现OD模式。如前所述，2675 cm-1峰值最容易理解为这种模式。虽然在大量水的红外测量中不存在，但在各种不同的系统中都可以看到界面水的多个分离良好的共振。到目前为止，最常见的例子是出现在空气/水界面上的自由和氢键OD共振（见里士满、戈帕拉克里希南等人、艾伦等人的评论，以及其中的参考文献53,54,56）。在其他系统中，多个分离良好的界面水共振出现的频率低于游离OD（OH）的频率不太常见，但在一些简单表面活性剂和磷脂Langmuir单分子膜的VSF研究中已观察到。61,79同样，在部分水合Nafion膜和聚合物系统的红外吸收研究中也观察到了分裂OH拉伸模式。80,81对于Langmuir单层和Nafion膜研究，更高频率模式的起源归因于存在于相对疏水微环境中的水分子。对于水合聚合物材料，这些峰归因于与相对非极性酯氧键合的水。81

受之前这项工作的启发，似乎很清楚，两种分子情景，或其组合，可以解释2675 cm-1峰的出现。首先，我们可以想象水分子相对独立于大量水，与其他水分子相比，水分子向较弱的受体提供氢键。第二，几何因素导致的集体效应，限制使某些水分子亚群不可能满足其全部氢键配额。虽然很难确定这两种情况中的哪一种或某种组合更适合DNA/阳离子脂质系统，但值得强调的是，VSF对磷脂单分子膜下的水的研究，单糖溶剂化的IR研究，部分水合双层叠层的红外光谱研究也没有显示出这种分离的水键拉伸振动。63,75-78,82综上所述，这些研究表明，在DNA存在的情况下，这种2675 cm-1的出现可以最容易地解释为一种欠协调的承压水物种的出现，类似于之前提出的在此类系统中的二价阳离子。15注意，我们在DPTAP上吸附的DNA（具有相对非极性的酯氧）和diC14-氨基（不具有）上都看到了这种模式，这一事实澄清了这个峰值不太可能是水氢键与相对非极性受体的结果。

虽然已知DNA以化学计量的方式吸附到阳离子脂质单分子膜上，但之前的许多研究表明，吸附到两性离子脂质DPPC上的DNA并非如此。16-19,21在这个系统中，在没有Ca2+或其他多价离子的情况下，DNA的吸附非常弱，并且在这种离子存在的情况下，不会以化学计量方式吸收：在存在过量DNA和大量Ca2+的情况下，观察到被吸附DNA的表面密度与脂质密度无关。18,31,33这种吸附缺乏特异性被认为是单层中相对较高的Ca2+迁移率的结果（导致每个DNA链感觉到一个平均的钙吸附场）。在没有Ca2+的情况下，DNA对DPPC的弱吸附及其在该离子存在下的非特异性吸附都与低频OD拉伸峰在振幅降低时没有移动以及2675 cm-1处没有峰相一致。这两种观察结果最容易理解为一种结构化的、化学计量比的DNA/脂质复合物的结果，该复合物也会产生结构化的、相对受限的界面水，对于含有DNA和DPPC的系统来说，两者都不存在。

脂质尾部CH模式的光谱响应。如果我们回到图2所示的数据，很明显在2800-2950 cm-1区域（透明的蓝色矩形）也有几个峰值。在几十年的红外吸收和自发拉曼测量的基础上，利用脂类单层或简单表面活性剂的VSF光谱进行的先前研究已经确定，该光谱区域包含六种CH拉伸模式：CH2对称拉伸、CH3对称拉伸、，CH2对称拉伸和弯曲泛音的费米共振，CH2不对称拉伸，CH3不对称拉伸和CH3对称拉伸和弯曲泛音的费米共振。52,74,83-86因为界面光谱中这六个峰的出现是每个模式的横截面、VSF设置的光谱分辨率和单层结构的函数，在许多系统中，只有一部分是明显的。图6显示了DPTAP和双14氨基单分子膜（在没有DNA的情况下）的情况。

图6。diC14 amdine在26 mN/m（灰色）下的SFG光谱（点）和DPTAP（黑色）在20 mN/m下的SFG光谱（点）。垂直线表示亚甲基对称拉伸（CH2SS）、甲基对称拉伸（CH3SS）、亚甲基非对称拉伸费米共振（CH2FR）、亚甲基非对称拉伸（CH2AS）的位置，甲基对称拉伸费米共振（CH3FR）和甲基不对称拉伸（CH3AS）。为清晰起见，DPTAP频谱偏移。实体曲线使用洛伦兹模型拟合数据。

我们和其他人之前的许多工作已经表明，可以使用CH拉伸光谱的变化（例如，作为表面压力或胆固醇浓度的函数）作为单层中脂质尾部局部有序性的探针。尤其是87-90，我们对脂质尾部顺序的度量是CH3模式的强度与CH2模式的强度之比。这样的比率是一个有序的探针，因为在低脂密度下，末端甲基倾向于彼此随机定向，因此，平均而言，几乎不会产生VSF信号。相比之下，在高脂密度下，尾巴被认为是紧凑的全反式排列。在这种配置中，终端CH3指向相似的方向（从而产生强VSF信号），而单个CH2基团与其相邻基团具有反转对称性（从而减少亚甲基相关模式中的VSF信号）。在这里，我们特别感兴趣的是DNA吸附对双14氨基尾序列的影响。在此之前的工作之后，87-90我们通过拟合CH拉伸频率区域中的原始数据，提取相关CH强度，确定CH3SS/CH2SS的比率，以及测量双氰胺单层在存在和不存在DNA的情况下的压缩等温线来解决这一主题。这些实验的结果如图7所示。

图7。（上图）在不存在（红线）和存在（蓝线，150μm）DNA的情况下，磷酸缓冲亚相上方的diC14氨基单层的π-面积等温线。对于给定的脂质密度，将DNA添加到亚相会导致表面压力增加，或者相当于脂质分子的凝聚。（下图）不同浓度的DNA溶液上的CH2SS和CH3SS共振（三角形和圆形，右轴）的VSF强度及其比率R（正方形，左轴）。实线是眼睛的向导。

图7（上图）所示的压缩等温线清楚地表明，DNA对diC14氨基单层膜的影响，在很大的密度范围内，是增加表面压力，或等效地降低表面张力。也就是说，加入DNA后，表面生成的自由能总是变得更有利。然而，在没有进一步信息的情况下，这些实验几乎无法深入了解表面热力学变化的分子基础。双14-氨基单分子膜的CH区域的VSF光谱作为DNA浓度的函数，以及由此产生的CH3SS/CH2 SS比率，提供了这样的见解。如图7（下图）所示，向亚相添加DNA，即使在40 pM以下的体积浓度下，也会导致脂质尾部顺序的强烈增加。在解释电子自旋共振研究的结果时，贝纳蒂及其同事曾认为，吸附的DNA使凝胶相双氰胺双层（低于23°C）流态化，并使液相双层（高于23°C）僵化，从而有效地平滑了在没有DNA的情况下急剧的热相变。91我们的光学和压力等温线测量都是在略低于熔融温度的情况下进行的。我们的压缩等温线表明，DNA的作用是增加表面上单个链之间的相互作用（降低表面张力），而光学测量表明，链相互作用的增加导致脂质尾部更有序。有趣的是，这些结果与这样一种情况是一致的，即DNA的加入似乎会产生脂质，两者之间的相互作用比没有DNA时更强烈，尾巴比没有DNA时更有序，链的流动性增强。这种脂链流动性和脂链顺序的解耦类似于之前观察到的胆固醇和DPPC混合物随温度变化的情况。92

总结和结论

了解脂质复合体中DNA/脂质关联的分子水平的详细相互作用有可能从根本上改善基因治疗。虽然许多研究人员已经证明了结构探测技术（主要是X射线和中子反射和衍射）对这些系统的适用性，但光谱研究，尤其是那些直接探测分子间相互作用的研究，频率要低得多。缺乏应用这些技术来研究脂丛形成的部分原因可以理解为，难以应用光谱技术来描述本质上是界面的现象，而光谱技术是体敏的。在这里，我们通过应用振动和频光谱学来研究脂质/DNA关联，从而绕过了这个问题。我们以界面重水分子的OD拉伸为报告，间接研究了DNA与脂质头基的络合，并以阳离子脂质双14酰胺尾的CH拉伸模式，直接研究了吸附的DNA对单层结构的影响。

我们发现，光谱响应中最显着的差异与静电学的变化有关：阳离子脂质下界面D2O的OD拉伸的振幅和线型比两性离子脂质DPPC下的OD振幅和线型对DNA浓度的增加更敏感。对于DPPC/DNA/Ca2+系统，观察到一种介于阳离子脂质/DNA和DPPC/DNA之间的反应，这与之前的工作一致，之前的工作提出Ca2+的作用是部分中和DPPC磷酸基团，使两性离子DPPC多少呈阳性，从而使脂质/DNA结合。16-19,21

对这四个体系中DNA浓度增加时OD拉伸反应的更详细研究表明，对于阳离子脂质，而不是两性离子脂质，额外的高频OD峰仅在DNA存在时出现。这一峰值的存在可以很容易地解释为由不协调的水物种造成的。要使这种物种在VSF光谱中可见，它必须在显微镜下有序（即在分子长度尺度上破坏反转对称性）。X射线研究表明，阳离子脂质/DNA系统具有良好的有序性，且吸附的DNA链间距较小。12,13,15,72我们的水质结果与这样一个有序的环境是一致的。与DNA/阳离子脂质系统的X射线研究相比，DNA/两性离子脂质系统的研究表明，在没有二价阳离子的情况下，DNA几乎没有吸附，而在Ca2+存在的情况下，DNA的非特异性吸附具有较低的链间顺序。16-18因此，这种系统没有明显的2675 cm-1峰值的观察结果也与这里的X射线结果一致。

对于两性离子脂质，通过D2O亚相收集的光谱检查表明，随着DNA浓度的增加，中心频率没有变化，只是光谱振幅降低。对于阳离子脂质下面的OD拉伸，响应确实会发生变化，但对于D2O，这种变化很难量化，部分原因是这种共振具有明显的双峰性质。我们通过关注HOD的OD拉伸光谱随diC14脒下DNA浓度增加的变化来克服这个问题。这些结果表明，随着DNA的加入，共振的振幅降低，并移向更高的频率。这一观察到的蓝移与我们从这些系统2675 cm-1峰的出现中得出的结论一致：低频OD拉伸峰揭示了仅在DNA存在的情况下发生的界面水的结构形式的信息。

最后，我们还通过测量存在和不存在DNA时的压缩等温线，以及检查作为DNA浓度函数的CH拉伸频率区域的演变，研究了DNA吸附改变二氢吡啶脂质顺序和堆积的方式。π/面积实验表明，在所有脂质密度中，DNA的存在导致脂质单层的表面张力降低。CH频率范围的光谱显示，添加DNA的效果是使脂质尾部有序（在有DNA的情况下，平均而言，双14-氨基尾部比没有DNA的情况下更接近全反式构象）。这一结构信息补充了通过其他手段（如电子自旋共振）获得的信息，并与之前的研究一起呈现了一幅有趣的图片，在我们的实验温度下，脂质尾部顺序和链流动性是解耦的。

总的来说，我们的结果在很大程度上证实了之前许多X射线和中子研究的预期，并提供了关于界面水在DNA/脂质相互作用中的作用的额外信息，这些工具无法实现。更一般地说，这些结果强调了在DNA/脂质相互作用的研究中，VSF光谱补充了更常用的结构探针的方式。我们相信，这里给出的结果只是初步了解了VSF光谱在这一重要系统中可能的应用。例如，未来VSF光谱学在DNA/脂质系统中的应用应该能够为某些阳离子脂质单分子膜上发生的DNA双链体分裂提供明确证据（目前根据X射线实验93中测量的吸附DNA厚度推断）。此外，在更复杂的实验中，人们可能会想象，正如我们中的一些人最近为更简单的系统所证明的那样，94在存在和不存在DNA的情况下，探测界面水和脂质官能团之间的能量转移，以进一步了解在这些条件下水域局部环境如何变化。

致谢

这项工作是“粘着voor Fundamenteel Onderzoek der Materiale（FOM）”研究项目的一部分，该项目由“荷兰voor Wetenschapelijk Onderzoek（NWO）组织”资助。玛丽·居里（Marie Curie）即将获得的国际奖学金（R.K.C.）提供了进一步的资助。

可用支持信息：完整参考文献3。该材料可通过互联网http://pubs免费获取。acs。组织。