理论研究的倾斜检测脂质影响使用表面等离子体共振技术

文摘

有效折射率检测使用表面等离子体共振技术计算倾角的脂质影响的函数在一个多层模型。有效折射率的变化来自激发表面等离子体角度的转变。获得有效折射率的阴谋,我们确定的折射率变化与3和5纳米脂质影响厚度的函数倾斜角度和获得有效折射率和倾角之间的关系。我们还表明,有效折射率依赖于脂质影响厚度和各向异性介电系数,它随跨链的距离。

1。介绍

机械刺激(MS)等渗透压力、膜拉伸和剪切力活化剂对细胞功能包括信号、增殖,脉冲传播,和基因表达1]。女士被认为诱导形成细胞膜的变化,从而导致膜蛋白构象变化(2,3]。例如,在心血管系统,瞬时受体电位膜蛋白质,作为mechanosensitive离子通道,激活血压(4]。此外,在哺乳动物生殖领域,已经证实,生殖细胞可以激活剪应力引起的胚胎和/或流体运动(5]。尽管独特的女士和细胞激活已报告之间的关系,还没有研究提供了一个清晰的理解的机制在分子水平上。

在脂质双分子层变形,很难解开复杂的机制作为离子通道功能敏感脂质影响周围的属性(6]。如果变形脂质影响的实验观察到在应用MS,尤其是剪切力或压缩,压力在脂质双分子层和离子通道可以估计和相关的功能涉及分子。通过这些女士,倾斜的平均分子取向的层是诱导7]。是理想的脂质倾斜的角度之间的关系和离子通道活动可以调查时,脂质倾斜。获得更大的理解这些机制、测量技术来评估脂质层的变形引起的身体和女士需要开发。

重建系统脂质影响对于调查女士和分子功能非常有用因为生理分子系统过于复杂清晰地演示的关系。研究脂质影响的分布和动态substrate-supported平面脂质影响(SPBs)制造(8,9]。SPBs是有利的,因为细胞膜产生在平面基板上,可以很容易地观察到使用不同的测量技术,如原子力显微镜(AFM),荧光成像技术和表面等离子体共振(SPR)技术因为配置使用平的底物可以用于各种生物传感器。SPBs是有用的系统观察脂质层的变形。在可能的变形发生在脂质层(6),我们的目标是检测脂质影响衬底,倾斜等相关膜变形曲率和变薄。

关于观察脂质影响,荧光成像技术(10,11],AFM [12,13[],SPR测量14- - - - - -16)被频繁使用的了解脂质分布和动力学。荧光分子的荧光成像技术的劣势被添加到系统,改变脂质分子的行为由于扰动与荧光分子。此外,很难确定倾斜的脂质荧光信号的影响。关于AFM悬臂阻碍分子在脂质影响的行为,和接触成像模式可能损坏样品表面。尽管使用AFM无触点成像是可行的,当悬臂振荡频率略高于其共振频率,衬底上的流体流动,这是交换所需液体样本,导致振动噪声。我们相信SPR脂质倾斜观测是最好的技术,因为它支持非接触和nonlabel测量在液体环境中,具有较高的厚度和折射率分辨率检测脂质影响,并允许自由流动的液体由于没有物理与探测/悬臂梁。

在脂质双分子层使用SPR测量,脂质影响的各种参数,如厚度和跨链的距离,影响有效折射率,这是使用SPR检测。因此,估计脂的倾角影响的实验结果和测量结果的获得一个更好的解释,它有利于知道有效折射率之间的关系和不同厚度和倾角跨链的距离。本文推导出这种关系,我们引入一个计算模型和模拟有效折射率的变化由于倾斜角的脂质影响。

2。SPR测量

表面等离子体激元是广达电子的集体振荡兴奋在金属表面。他们可以兴奋Kretschmann配置(下17),它包含一个高折射率棱镜,涂上一层薄薄的金属层和相邻low-refractive-index电介质(插图所示图1)。在这个配置中,当光线棱镜的偏振提供从侧面,表面等离子体可以有效地结合最优入射角的光。反射光强度随着入射角的函数可以计算的基础上多次反射理论(18,19)如下: 在哪里是z组成部分,金属内部的光的波数;,,表示棱镜的折射率,金属,和较低的电介质,分别λ在真空入射光的波长,h表示金属层的厚度基于菲涅耳方程,振幅反射媒介之间的边界和光入射的来;和表示的折射角金属层和电介质之间的边界。

图1显示了反射光强度计算结果。在目前的计算,我们假设一个激励632.8 nm,玻璃棱镜的折射率为1.780,折射率为1.330的电介质和44 nm厚金层复杂的折射率(20.]。金层厚度的影响讨论了表面等离子体传感器的灵敏度(21]。

根据情节,我们可以观察到,入射光的能量是最有效地吸收在56°,称为表面等离子体的激发角。这种方法是有利的,因为激发角low-refractive-index介质折射率的变化。众所周知,这种激励角度变化足够大来检测脂质吸附的影响。检测到的折射率的变化可以估计之间的关系和表示,(22] 在哪里和是玻璃的折射率和复杂的折射率的金属,分别。

表面等离子体引发的电场穿透金属表面,可以调查的样本中折射率的变化。穿透深度,测量深度,几百纳米。由于测量深度比脂质影响的厚度大,脂质测量结果中发现价值的有效折射率可以被定义为一个加权平均折射率的测量深度(23- - - - - -25]。

3所示。计算模型和方法

3.1。计算模型

图2示意图描述了衬底上的脂质影响的模型26]。它由六层:玻璃衬底,非盟电影、SiO₂层,降低水、脂质双分子层和上部水层。玻璃衬底和非盟电影形式产生spr的基本配置。SiO₂层用于保护衬底表面的亲水特性和形成双分子层亲水表面没有缺陷(20.]。因为SiO的总厚度₂层、水层和脂质双分子层小于测量深度,获得的平均在SiO吗₂层,两层,水和脂质双分子层。

在模型中,α倾斜的脂质影响。确定脂质双分子层的折射率,使用以下方程: 在哪里ε表示介电常数的脂质影响。脂质双分子层各向异性介电常数,与组件和代表介电常数垂直与平行于衬底,分别。SPR测量,平行于衬底介电常数可以忽略(27]。因此,(3)可以表示使用如下: 在哪里表示折射率的脂质影响检测SPR测量。在,因为等于,(4)改写如下: 来表达的倾斜角度αSPR测量的结果的基础上对各向异性分子倾斜(液晶细胞)28,29日),我们假设的价值线性变化的的范围从来,前提是,鉴于

3.2。计算方法

计算过程中用于确定有效折射率的函数给出了倾斜的脂质影响。计算过程如下:(1)反射光强度计算的入射角的函数模型如图2与;(2)据估计,推导出使用(2);(3)α增加了1°步骤,折射率和厚度吗脂质影响的计算使用(6),分别设置为模型参数;(4)步骤(1)-(3)执行0°倾斜角度-50°。有效折射率检测规范化是水的折射率(1.330)在金属表面。倾角的计算范围确定的基础上,认为脂质影响小倾斜角度一般讨论研究脂质功能(30.]。此外,脂质影响大的倾斜角度与真正的细胞膜结构不一致,很难保持这样的脂质双分子层的形式。

4所示。结果与讨论

4.1。厚度和折射率的脂质影响的函数倾斜角度

数据3(一个)和3 (b)显示厚度和折射率情节倾斜角度的函数,分别。在计算中,我们使用相同的参数被用于部分的折射率2。SiO的折射率₂被假定为1.515,非盟电影和SiO的厚度吗₂层是假定为44岁和12海里,分别为(20.]。脂质双分子层的厚度,设置为5 nm,因为完全水化脂质双分子层的结构据估计约为5 nm (31日),还因为它已经实验证实了AFM [32]。脂质各向异性介电常数的影响随跨链的距离。我们设置0.500 nm,这个值通常被认为对液体石蜡(33]。的值和分别为2.288和2.124,(33]。

根据人物的情节3(一个)和3 (b),脂质厚度和折射率的影响减少随着倾斜角度。因此,预期的有效折射率随倾斜角度的增大而减小。

4.2。有效折射率的函数倾斜角度

基于模型图2和部分中描述的计算方法3,我们计算了有效折射率的函数倾斜角度。在计算中,脂质厚度影响和折射率参数为每个倾斜角度α从人物的情节吗3(一个)和3 (b)。计算结果时纳米和nm,红色的情节在图所示4表明,有效折射率随倾斜角度的增大而减小。当倾角在0°和10°之间,有效折射率的变化。这个值足够大来区分不同的五度,如果我们假设SPR的折射率分辨率(34]。

为了进一步调查分辨率和灵敏度的影响,跨链的距离0.475 nm略有不同,一个值称为(33]。我们也不同的厚度3海里,这是价值衡量局部SPR显微镜(20.]。绿线显示了使用结果在海里海里,一个各向异性的介电常数和(33]。粉色和蓝色块显示的结果在海里纳米和在海里分别nm。这些结果表明,山坡陡峭,增加厚度和各向异性介电常数,即增加厚度和各向异性介电常数提供了更敏感测量倾斜的脂质影响。

5。结论

我们从理论上确定有效折射率和倾角之间的关系的脂质影响,并演示了倾角的脂质影响衬底可以使用SPR检测技术。我们还表明,由于脂质影响检测灵敏度的变化与不同厚度和各向异性介电常数。这一观点有助于检测脂质倾斜的剪切力或压缩SPBs含有跨膜mechanosensing离子通道。使用这种测量技术,脂质倾斜的角度之间的关系和离子通道活动可以调查时,脂质倾斜。

确认

本研究在一定程度上支持的年轻科学家的科研补助金(a)(没有。22680036 k松浦)和特殊协调资金从教育部推动科学和技术,科学,体育,文化,日本。

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