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Interfacial structure of water and lipid monolayer probed by sum-frequency generation spectroscopy

초록/요약

Lipids are abundant in nature and are main building block of cell membrane in living organism. Being amphiphilic molecule, lipids molecules make micelle, vesicle, and bilayer form in aqueous solution. And depending on its functional headgroup, lipids interact differently with ions, proteins, and also water molecules by electrostatic forces. So, in biological applications such as non-viral transfection and manufacturing of the bio membrane which reacts with specific kinds of proteins or molecules, detailed knowledge of the electrostatic condition at the interface is essential. As model systems for experimental studies of electrostatic interfacial problems near a membrane, Langmuir monolayers have been commonly used with surface charges controlled by the charged headgroups of the amphiphilic molecules. But, those electrostatic interactions only take place in a few nm length scales apart from the surface. So, to monitor such phenomena, surface sensitive experimental techniques are required. In this thesis, we used sum-frequency vibrational spectroscopy (SFVS) and pressure area ( isotherm to understand how electrostatic interaction within charged Langmuir monolayer affected the interfacial water structure as well as monolayer itself. First, interfacial water structures under positively charged 1,2-dipalmitoyl-3-trimethylammonium-propane (DPTAP) and negatively charged 1,2 dimyristoyl-sn-glycero-3-phospho-(1'-rac-glycerol) (DMPG) Langmuir monolayers in the condition of liquid condensed (LC) phase were observed by SFVS. From the sum-frequency spectra of charged lipid monolayer / water interface, SF intensity of OH vibrational modes was significantly enhanced under charged lipid monolayers due to the alignment of water dipoles along the surface normal direction. Apparent peak positions in CHx region, however, are different in positively and negatively charged monolayer cases since relative orientation of water molecules with respect to the terminal methyl groups in lipid molecules is opposite. To confirm this, phase sensitive sum-frequency measurement was perform in CHx and OH region. Second, structural change of the charged Langmuir monolayer was investigated for different chemical composition and surface areas. Here, we performed SFVS on DPTAP, DMPG, and 1-to-1 mixture / water interfaces together with the pressure-area isotherm measurement. In the case of purely negative and positive Langmuir monolayer / water interface where electrostatic repulsion occurs between lipid molecules, SFVS result shows that monolayer has many gauche defect while surface pressure is high. On the contrary, 1-to-1 mixture has more ordered (low defect) monolayer even in very low surface pressure caused by electrostatic attraction between phosphate and trimethylammonium headgroups.

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초록/요약

지질분자는 생명체의 세포막을 구성하는 주요 구성요소이며 자연에 풍부히 존재한다. 소수성과 친수성의 성질을 가지고 있는 지질분자의 특성상, 수용액 내에서 지질분자들은 micelle, vesicle, bilayer의 구조를 형성한다. 또한 친수성을 가지는 headgroup의 종류에 따라 지질분자들이 주변의 이온, 단백질, 물 분자들과 가지는 정전기적 상호작용은 다르게 나타난다. 따라서, 비 바이러스성 형질감염이나 특정 단백질, 분자들과 반응하는 생체막의 제작과 같은 생물학적 응용에서 계면의 전자기적 상호작용에 대한 지식은 필수적이다. 생체막주위의 정전기적인 표면현상을 연구하기 위한 실험적 모델로서, headgroup을 종류를 다르게 하여 표면전하밀도를 조절한 랭뮤어 단 분자막 (Langmuir monolayer)이 보편적으로 사용되어왔다. 그러나 생체막 근처의 정전기적 상호작용은 표면에서 수 나노미터 이내에서 일어나기 때문에 이러한 상호작용을 관찰하기 위해서는 표면에 민감한 실험적 기술들이 요구된다. 본 논문에서는 정전기적인 상호작용과 물의 표면구조 및 랭뮤어 단 분자막의 구조변화를 이해하기 위하여 sum-frequency vibrational spectroscopy(SFVS)와 pressure-area isotherm의 실험방법을 사용하여 연구를 진행하였다. 첫 번째로, liquid condensed (LC) 형태를 가지는 양과 음의 표면전하를 가진 1,2-dipalmitoyl-3-trimethylammonium-propane (DPTAP)와 1,2-dimyristoyl-sn-glycero-3-phospho-(1'-rac-glycerol) (DMPG)의 랭뮤어 단 분자막에서의 물의 표면구조의 변화를 SFVS을 통해 관찰하였다. 합주파수 스펙트럼결과 전하를 띈 랭뮤어 단 분자막에서 물의 OH 진동모드에 해당하는 신호가 크게 증가되었음을 확인하였다. 반면 물의 쌍극자의 반대방향의 배열에 의해 지질분자의 CHx 진동모드에 해당하는 스펙트럼은 양과 음으로 대전된 단 분자막에서 서로 다르게 나타났다. 이를 실험적으로 정확히 확인하기 위해 CHx 진동모드와 OH 진동모드에 해당하는 파수에서 합주파수 위상분석을 실행하였다. 두 번째로, 지질 분자들의 조성과 밀집 정도에 따라서 대전된 랭뮤어 단 분자막의 구조가 변화되는 정도를 연구하였다. 이를 위해, 우리는 DPTAP, DMPG, 그리고 이 두 지질분자의 일대일 혼합으로 구성된 랭뮤어 단분자 막을 물의 표면에 형성시키고 합주파수 스펙트럼과 pressure-area isotherm을 측정하였다. 정전기적 척력이 존재하는 양과 음으로 대전된 단 분자막의 경우 표면압력이 큰데 반해 많은 gauche defect을 가짐을 합주파수 스펙트럼을 통해 알 수 있었다. 반면, 정전기적인력이 형성된 단 분자막의 경우 매우 낮은 표면압력에도 불구하고, LC 형태와 같은 매우 잘 정렬된 구조를 가짐을 확인하였다.

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