結果和討論

在下文中，我們將介紹靜態(tài)單層膜上的SFG實(shí)驗，該實(shí)驗顯示SFG信號的異常、逐級強度變化。相比之下，BAM顯微鏡圖像在SFG實(shí)驗的長(cháng)度尺度上顯示出均勻的單層。在SFG實(shí)驗過(guò)程中，通過(guò)減少通量或連續移動(dòng)單層，可以記錄單層的真實(shí)SFG響應。最后，給出了橢偏測量實(shí)驗，以補充SFG結果。

靜態(tài)單層上的SFG測量：SFG光譜的密度依賴(lài)性。在圖1的中間面板中，在每個(gè)分子的不同區域（密度）描繪了DPPC在H2O上的SFG光譜。通過(guò)在CHCl3中添加DPPC溶液液滴來(lái)改變密度。底部光譜來(lái)自空氣?水界面，并顯示來(lái)自3000至3600 cm之間氫鍵水分子的信號?1和一個(gè)信號從自由OH在～3700厘米?1.20令人驚訝的是，表面活性劑DPPC的添加不會(huì )導致SFG光譜的變化，只要壓力保持在我們的檢測限以下。盡管表面存在脂質(zhì)，但在SFG實(shí)驗中未檢測到它們，也不會(huì )對水結構產(chǎn)生可檢測的影響：在沒(méi)有脂質(zhì)的情況下以及在低密度下存在DPPC的情況下，SFG光譜無(wú)法區分（見(jiàn)圖1的下面板）?？紤]到我們的SFG實(shí)驗的信噪比，可以測量到10%的強度下降。由于強度取決于數密度的平方（所有其他條件都相等），我們得出的結論是最多3?4%的游離OH基團受脂質(zhì)影響。值得注意的是，表面活性劑也不會(huì )影響水的結構，特別是當人們意識到脂質(zhì)分子（對于完全壓縮的單層膜）占據的最小面積是～40?2.在100?2的水面積上，大約有三個(gè)OH分子，21,22，因此每自由OH的面積大約為～30?2.如果我們假設表面活性劑在表面上的統計分布，那么可以預期，在每個(gè)分子108?2的脂質(zhì)密度下，大約三分之一的游離OH基團將受到影響，這將使游離OH處的SFG信號下降到原始強度的一半。表面活性劑也沒(méi)有出現在光譜中：在2800到3000厘米之間沒(méi)有可檢測到的CH振動(dòng)?圖1中的1為低密度的中間面板-與ROKE4和陳一致。9在圖1的中間板中可見(jiàn)，通過(guò)在氯仿中加入更多的DPPC液滴來(lái)增加表面活性劑的密度導致壓力上升和SFG譜的變化：CH振動(dòng)出現在頻率上?！?850（CH2對稱(chēng)拉伸），～2880（CH3對稱(chēng)拉伸），以及～2950厘米?1（CH3費米共振和CH3不對稱(chēng)拉伸），9,23水氫鍵信號增加，自由OH峰消失。界面系統有效地從水/空氣界面逐步轉變?yōu)樗?表面活性劑界面。為了量化光譜變化的突然程度，我們在壓縮單層膜時(shí)連續測量了壓力和SFG光譜。通過(guò)添加0.5μL DPPC溶液，直到每個(gè)分子的面積為～達到100?2。DPPC在H2O上的結果如圖2a所示。如圖2a中的插圖所示，通過(guò)整合SFG光譜的不同光譜窗口可獲得不同的曲線(xiàn)。對于這些實(shí)驗，紅外脈沖的中心頻率保持固定，以在連續壓縮期間獲得足夠的信號強度。因此，在本實(shí)驗中，我們只能同時(shí)測量表面活性劑和H鍵水的CH振動(dòng)。隨后在較高的紅外頻率下測量了氫鍵水和自由OH鍵的信號。從圖2a可以清楚地看出，在85?2左右僅改變表面活性劑密度的幾個(gè)百分點(diǎn)對系統有顯著(zhù)影響。之前曾報道過(guò)CH信號的突然上升，4,9但水光譜的急劇變化尚未報道。水信號的增加似乎是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程：大約在每DPPC分子85到50?2之間，SFG強度是恒定的。將脂質(zhì)密度改變1.5倍對單層內和下層水分子的信號強度幾乎沒(méi)有影響。就像水信號一樣，脂質(zhì)C?H拉伸強度也或多或少地恒定到～每個(gè)分子50?2（圖2）。C的恒定SFG信號?文獻報道了DPPC在壓力等溫線(xiàn)平臺上的H振動(dòng)。4,9在PSS和SPS極化下，我們觀(guān)察到DPPC的SFG信號在壓縮后同樣急劇上升。此外，兩種不同的表面活性劑，棕櫚酸和1-十二醇（見(jiàn)圖2c和d），在SSP極化下測量到類(lèi)似的突然急劇上升，盡管發(fā)生臺階的每個(gè)分子的面積取決于分子（每個(gè)分子分別為20和30?2）。因此，觀(guān)察到的行為似乎是表面活性劑的一般行為：觀(guān)察到的是脂質(zhì)、酒精和脂肪酸。

BAM測量。為了確認表面活性劑分子存在于表面，我們進(jìn)行了布魯斯特角顯微鏡（BAM）測量，其結果如圖3所示。DPPC的表面密度已經(jīng)非常低，每分子140?2。眾所周知，當DPPC密度低于約90?2/分子時(shí)，單層顯示氣相和液相膨脹相共存，分別在BAM實(shí)驗中產(chǎn)生暗斑和亮斑。亮區的數量，代表密度更高的液體膨脹相，隨著(zhù)密度的增加而增加。在每個(gè)分子為84?2時(shí)，圖像沒(méi)有任何對比度，顯示了微米尺度上的層均勻性：系統處于液體膨脹相。該層的進(jìn)一步壓縮（密度增加）導致小而明亮的星形疇，在液體膨脹相的暗背景上呈現液體凝聚相。等溫線(xiàn)在這里顯示了一個(gè)平臺。在平臺的末端，壓力急劇上升，BAM圖像是均勻的：整個(gè)表面處于凝聚相。我們的BAM結果與文獻一致。17,24

靜態(tài)單層上的SFG測量：SFG信號的通量依賴(lài)性。盡管BAM顯微鏡數據顯示，在每分子140?2的情況下，液體膨脹相中含有脂質(zhì)的區域是可見(jiàn)的，但SFG的分子是不可見(jiàn)的。正如引言中已經(jīng)提到的，在過(guò)去，CH拉伸區域的不可見(jiàn)性被指定為卷曲尾巴4或無(wú)序尾巴。9然而，這種解釋無(wú)法解釋為什么水信號不受每個(gè)分子密度約為85?2的脂質(zhì)的影響。特別是，游離OH基團應受到脂質(zhì)存在的影響，無(wú)論脂質(zhì)是否卷曲。根據SFG結果，系統表現為每分子85?2以上的水/空氣。在測量位置的激光焦點(diǎn)中，表面似乎已清潔；所有具有液相膨脹相的疇似乎都從SFG激光光斑中移除。在這種情況下，我們可以預期臺階相對于每個(gè)分子面積的位置將取決于實(shí)驗中使用的激光注量。為了驗證這一假設，我們使用四倍更低的紅外功率重復了SFG測量。當光束尺寸保持不變時(shí)，注量減少了4倍。從圖2b中可以清楚地看出，這一步實(shí)際上是向較低的密度、較高的每分子面積移動(dòng)，并且變得不那么陡峭。面板b中的插圖通過(guò)顯示通量與SFG信號出現時(shí)每個(gè)分子的面積之間的相關(guān)性總結了通量依賴(lài)性。顯然，激光強度對SFG信號的外觀(guān)有影響。這一解釋也與Chen等人9的觀(guān)察結果一致，即來(lái)自頭部的P=O信號僅在高密度下可見(jiàn)，因為只有在高密度下，脂質(zhì)才存在于激光焦點(diǎn)中。

表面“清潔”的說(shuō)明?？梢杂嬎愠?，利用所使用的激光參數（光束尺寸、脈沖能量和頻率），水界面區域將被加熱。詳細計算見(jiàn)附錄。這些計算表明，對于紅外光譜中吸收非常強的區域，可用的最高脈沖能量，單脈沖溫度升高可達10°C。鑒于我們的激光重復頻率為1 kHz，重復單脈沖加熱也會(huì )產(chǎn)生穩態(tài)加熱。由此產(chǎn)生的穩態(tài)溫度升高可能高達數十℃。

結果，出現橫向和軸向溫度梯度。橫向溫度梯度，即沿表面的溫度梯度，沿表面產(chǎn)生應變，進(jìn)而觸發(fā)水流。25如圖4a所示，水將從輻照點(diǎn)中心徑向流出。為了保存質(zhì)量，來(lái)自下方的淡水將補充從輻照點(diǎn)流出的水。通過(guò)這種方式，將產(chǎn)生一個(gè)多納型圓形Marangoni型流動(dòng)池，如圖4b所示。Bain等人先前提出了類(lèi)似的機制。26由此產(chǎn)生的流動(dòng)池解釋了為什么激光焦點(diǎn)中不存在脂質(zhì)。如果注量太高，則驅動(dòng)脂質(zhì)進(jìn)入激光焦點(diǎn)的擴散力、熵力不足以抵消脂質(zhì)離開(kāi)激光焦點(diǎn)的水的Marangoni流。激光對表面進(jìn)行了非常有效的清潔，表面上不斷出現大量的淡水。隨著(zhù)表面密度和相關(guān)表面壓力的增加，出現一個(gè)點(diǎn)，即流動(dòng)強度不足，無(wú)法抵消表面活性劑的擴散力和熵力。雖然水仍可能在脂質(zhì)單層下面流動(dòng)，但單層足夠堅硬，因此它仍保持在原位。在相應的表面活性劑濃度下，表面活性劑信號突然出現。這種界面Marangoni流動(dòng)池的出現解釋了為什么壓力足夠低時(shí)表面看起來(lái)很原始，為什么表面活性劑信號隨著(zhù)壓力的增加突然出現，以及為什么信號出現的壓力取決于激光注量。

圖4。水樣近表面區域穩態(tài)加熱引起的流動(dòng)示意圖。溫度示意圖上用顏色表示，其中紅色表示熱，藍色表示冷。橙色陰影區域顯示入射到表面的激光束，箭頭表示溫度梯度誘導流動(dòng)的方向。（a）俯視圖，顯示近表面區域的徑向位移，（b）橫截面側視圖，顯示產(chǎn)生的Marangoni流動(dòng)單元。請注意，在焦點(diǎn)的中心，水流向上，因此表面可以有效地持續更新。

激光焦點(diǎn)內局部脂質(zhì)密度降低的另一個(gè)原因可能是加熱層時(shí)壓力增加。水的表面壓力將大致增加0.15 mN/m K.25。10°C的溫度升高將導致裸露水面的壓力增加1.5 mN/m。在頂部有脂質(zhì)的情況下，這種壓力增加很可能會(huì )更大，因為如果假設理想氣體、溫度升高10 K和密度為1018分子/m2，則僅表面活性劑層中的壓力增加估計約為0.15 mN/m。顯然，溫度升高會(huì )導致壓力升高。這種壓力增加將導致單層的局部膨脹——在足夠低的壓力下，系統局部甚至可能進(jìn)入純氣相。由于海槽的未擾動(dòng)區域比擾動(dòng)區域大許多數量級，因此很容易進(jìn)行局部擴展。在激光點(diǎn)處，系統處于極低密度氣相，SFG信號可能低于我們的檢測限。在這種平衡熱力學(xué)情況下，對于氣體和液體膨脹狀態(tài)的整個(gè)共存區域，預計不會(huì )出現SFG信號。系統將局部降低其壓力，并且系統處于完全氣態(tài)的激光光斑處。然而，我們的數據（圖2b）表明，這一步驟可能已經(jīng)出現在共存點(diǎn)，這表明平衡熱力學(xué)無(wú)法解釋一切。我們也可能有動(dòng)力的貢獻。在低紅外通量下，加熱不再足以使相轉變?yōu)闅庀唷?

移動(dòng)單層上的SFG測量：SFG光譜的密度依賴(lài)性。為了獲得低表面活性劑密度下的“真實(shí)”表面SFG響應，我們在旋轉槽中進(jìn)行了SFG實(shí)驗，如圖5所示。樣品以這樣的方式旋轉：在激光焦點(diǎn)處，樣品以～0.06 m/s，在這種情況下，穩態(tài)加熱最小。圖5a顯示了水的SFG光譜?空氣接口和230?2/分子DPPC，同時(shí)旋轉槽而不旋轉槽。裸水界面和非旋轉槽的SFG信號相同。通過(guò)旋轉槽，出現CH信號，水信號增加。信號的出現是轉速和紅外注量之間的微妙平衡。以獲得足夠低的紅外注量(～1.5 mJ/cm2）我們使用相對非聚焦的紅外光束（束腰～500μm）。轉速過(guò)低時(shí)，仍然看不到SFG信號；用于將脂質(zhì)從病灶中排斥的激光誘導流量仍然過(guò)高。在高密度下，信號形狀和強度與槽是否旋轉無(wú)關(guān)（圖5b）。圖5c描繪了當水槽持續旋轉時(shí)，DPPC在水中密度（從下到上）增加的SFG光譜。通過(guò)在氯仿中添加DPPC滴來(lái)控制脂質(zhì)密度。底部光譜是空氣光譜?水界面。顯然，隨著(zhù)DPPC密度的增加，CH和H鍵OH信號緩慢而連續地增加，而自由OH信號也平穩地減少。

圖5。（a）DPPC在水上以230?2/分子（黑色）和不旋轉（紅色）槽的SSP極化的SFG光譜。樣品以這樣的方式旋轉：在激光焦點(diǎn)處，樣品以～0.06 m/s。不旋轉時(shí)，光譜與水相同?空中接口（藍色）。（b）在高密度（每個(gè)分子50?2）下，旋轉（黑色）和非旋轉（紅色）之間沒(méi)有區別。（c）裸露水面的SFG光譜（SSP極化）（底部光譜）和密度增加的水中DPPC的SFG光譜。壓力（mN/m）和每個(gè)分子的面積（?2）分別從底部到頂部增加和減少，在圖表旁邊給出。每個(gè)分子的面積由氯仿溶液滴的數量控制。彩色方塊標記了圖6中使用的積分區域。本實(shí)驗中使用了相對較低的紅外注量（1.5 mJ/cm2）。

圖6。（a）DPPC的CH信號（綠色）、Hbonded OH信號（藍色）和游離OH信號（紅色）的表面壓力（黑色，左軸）和積分SFG強度（右軸）作為每個(gè)分子面積的函數。數據點(diǎn)是通過(guò)整合特定光譜區域獲得的，該區域由圖5的光譜中的彩色方塊標記。純水層的CH、OH和游離OH面積（在表面活性劑攤鋪前測量）分別表示為綠色、藍色和紅色圓點(diǎn)。為清晰起見(jiàn)，集成SFG信號已被標準化，并且彼此略微偏移。（b）表面壓力（黑色，左軸）和不同CH3共振（右軸）的絕對振幅/帶寬比（|A/Γ|），通過(guò)使用洛倫茲線(xiàn)型模型擬合圖5中的數據獲得。（c）和b一樣，但是對于CH2共振。典型誤差條如圖所示。

SFG光譜中不同振動(dòng)的積分SFG強度與圖6a中的表面壓力一起繪制，作為每個(gè)分子面積的函數。CH強度隨著(zhù)表面DPPC分子數量的增加而非線(xiàn)性增加。水信號持續增加，而自由OH信號隨著(zhù)表面分子數量的增加而持續減少，正如預期的那樣，當系統達到液體膨脹相時(shí)，27達到零值。原則上，在氣相和液相膨脹相的共存區（如上～每個(gè)分子100?2），人們可能會(huì )看到波動(dòng)的SFG信號，因為氣相不發(fā)出信號，而液相膨脹相發(fā)出信號。用二次諧波發(fā)生器28和橢偏儀觀(guān)察到了這種波動(dòng)信號。29然而，此處未觀(guān)察到這些波動(dòng)，因為呈現的SFG光譜平均超過(guò)10分鐘，這在磁疇擴散的時(shí)間尺度上很長(cháng)，發(fā)生在數十秒的時(shí)間尺度上。28,29

高密度下不同的SFG光譜是激光注量的函數。通過(guò)比較在不同通量下測得的高壓（高脂密度）下脂層的兩個(gè)SFG光譜（圖7），在CH峰處觀(guān)察到差異，而水帶大致相同。在相對較高的通量下（底部面板）～10 mJ/cm2，CH2峰值為2850 cm?1仍然清晰可見(jiàn)，而該峰值在低通量的頂部面板中不存在(～1.5 mJ/cm2）。此外，在高通量譜中，CH3峰的強度（2880和2950 cm?1）與低通量測量相比，相對于水而言，低通量測量。這兩個(gè)觀(guān)察結果清楚地表明，在高通量條件下，單層膜受到激光的影響：由于熱，尾部更加無(wú)序，導致更多的凹凸不平的缺陷，因此存在CH2峰和CH3信號減弱。顯然，激光的重復激發(fā)導致了從具有有序尾的凝膠狀態(tài)到具有較少有序尾的液晶狀態(tài)的相變。30，因為實(shí)驗是在室溫下進(jìn)行的(～23°C），相變溫度為41°C，30我們可以得出結論，在高通量情況下，樣品的穩態(tài)加熱至少為18°C，考慮到基于焦點(diǎn)尺寸和紅外光穿透深度（見(jiàn)附錄）估計的單發(fā)溫升在2到19°C之間（取決于紅外頻率），這并非不合理。對于低通量情況（頂部面板），穩態(tài)溫升不超過(guò)18°C，因為我們仍然可以看到有序的尾部，通過(guò)停止槽的旋轉指示凝膠狀態(tài)。

圖7。高密度水上DPPC的SFG光譜（SSP極化）(～每分子45?2）在低濃度下(～1.5 mJ/cm2）和高通量(～10 mJ/cm2），單脈沖加熱量分別在0.3至3°C（取決于紅外頻率）和2至19°C之間。為了清晰起見(jiàn)，對光譜進(jìn)行了偏移，并根據相對紅外強度進(jìn)行了縮放。注意，由于在高通量下發(fā)生的熱效應，形狀非常不同。這兩種光譜都是用非旋轉槽測量的。

此外，激光的熱效應在圖1中每分子78?2的面積處的光譜中已經(jīng)可見(jiàn)，其中，引人注目的是，O?H，但不在C中?H拉伸區。這可以通過(guò)掃描C?H和O?H拉伸區域：在低頻時(shí)，紅外強度高于高頻時(shí)，導致在C中的界面處積聚更多的熱量?H區比O區小?H區域（見(jiàn)附錄）。請注意，與穿透深度相比，激光發(fā)射之間的熱擴散發(fā)生在較大的長(cháng)度范圍內，因此只有激光強度（而不是穿透深度）與穩態(tài)溫度升高相關(guān)（參見(jiàn)附錄圖9）。一旦紅外光源達到低頻（C?H區域），由于更大的熱梯度，由于流動(dòng)，脂質(zhì)被更有效地運走。如果紅外頻率稍高，則累積熱量稍少，并且可以檢測到磁疇。這解釋了水信號的存在，但沒(méi)有CH信號。與Casson等人26在納秒紅外激光實(shí)驗中的觀(guān)察結果一致，我們的數據表明，通過(guò)使用高強度飛秒紅外激光，必須注意由于樣品加熱導致的結果失真。在這兩種情況下，穩態(tài)加熱主要負責觀(guān)察到的畸變，因此只有激光注量是重要的。

圖8。（a）在制備單分子層后，通過(guò)快速添加DPPC溶液持續壓縮單分子層，直到達到130?2的每分子面積，水上DPPC的表面壓力（黑色，左軸）和橢圓系數（紅色，右軸）。（b）水上DPPC的表面壓力（黑色，左軸）和橢圓系數（紅色，右軸）是每個(gè)分子面積的函數。通過(guò)逐滴添加更多DPPC，每次滴加間隔幾分鐘，改變了該區域。以這種方式達到的每個(gè)分子的最小面積為2000?2。插圖顯示了橢圓度系數（對于一個(gè)特定實(shí)驗（紅色）和三個(gè)實(shí)驗的平均值（灰色））以及非常低密度下的壓力。（c）在制備單分子層后，通過(guò)快速添加棕櫚酸溶液，直到達到每分子45?2的面積，連續壓縮單分子層期間，水上棕櫚酸的表面壓力（黑色，左軸）和橢圓系數（紅色，右軸）。在噴灑表面活性劑之前測量的純水橢圓度在每個(gè)面板中以藍色圓點(diǎn)表示。

橢偏儀。有趣的是，在橢偏儀中，當脂質(zhì)和脂肪酸在低密度（接近零壓力）下壓縮層時(shí)，已反復觀(guān)察到橢圓系數的一個(gè)步驟。14?18此處也觀(guān)察到同樣的情況：在圖8a中，描述了作為DPPC每個(gè)分子面積函數的橢圓系數以及同時(shí)測量的表面壓力。每個(gè)分子130?2的反射率與水的反射率相當?空中接口。在最初通過(guò)添加氯仿溶液滴到每個(gè)分子的面積為130?2壓縮單層后，觀(guān)察到與SFG數據中類(lèi)似的步驟，但該步驟出現在每個(gè)分子的不同面積，95 vs 85?2。對于棕櫚酸，通過(guò)橢偏儀在～每個(gè)分子37?2（圖8c），與SFG實(shí)驗相反，SFG實(shí)驗中每個(gè)分子20?2（圖2c）。與SFG實(shí)驗相反，橢偏儀實(shí)驗中使用的激光與分子躍遷不共振，且激光的注量非常低，因此，可以排除由于加熱效應而出現的Marangoni流細胞作為信號階躍的原因。使用IR附錄中給出的相同表達式計算的溫升在1s內低于0.001°C。值得注意的是，如果橢偏儀實(shí)驗以不同的方式進(jìn)行，不是在連續壓縮下，而是通過(guò)添加更多DPPC溶液來(lái)改變面積，橢偏系數的表現非常不同（圖8b）：橢偏系數中不存在不連續性。我們注意到，與這些橢偏測量結果相比，SFG結果與單層的制備方式無(wú)關(guān)。對于已經(jīng)處于非常低密度的橢偏儀，即使在添加第一滴DPPC溶液后，橢圓度系數也明顯不同于純水的橢圓度系數。每個(gè)分子高達300?2左右，該值波動(dòng)，因為大小與激光光斑大小相當的液體膨脹疇在周?chē)?dòng)。我們可以預期，在對多個(gè)實(shí)驗取平均值后，該系數將隨著(zhù)密度的增加而線(xiàn)性增加，在這種情況下，我們可以看到一個(gè)實(shí)驗的波動(dòng)。事實(shí)上，從圖8b插圖中的灰線(xiàn)可以看出，平均三次實(shí)驗接近這種線(xiàn)性關(guān)系。在較高密度下，從～每個(gè)分子300到90?2，當系統仍然處于氣相和液相膨脹相共存時(shí)，橢圓度系數是平的。在較低密度下，其上升方式與壓縮下觀(guān)察到的相似（圖8a）。這兩種實(shí)驗的主要區別在于允許系統放松和平衡的時(shí)間。在第一個(gè)實(shí)驗中，在連續壓縮下，快速添加DPPC溶液，直到每個(gè)分子的面積達到130?2。在第二個(gè)實(shí)驗中，該層在每個(gè)分子2000?2時(shí)為幾分鐘，然后在每個(gè)分子1000?2時(shí)為幾分鐘，依此類(lèi)推。Ducharme等人14之前曾觀(guān)察到壓縮實(shí)驗中低密度平臺的開(kāi)始取決于初始表面密度。他們認為，在低初始密度下，分子有空間定向，從而形成一個(gè)在橢偏測量中活躍的層；i、例如，分子在與表面法線(xiàn)類(lèi)似的角度下排列和定向。14如果初始濃度過(guò)高，由于缺乏空間，分子在運動(dòng)中受到限制，并陷入亞穩狀態(tài)，沒(méi)有或只有很少的界面雙折射，橢偏儀對此非常敏感。在高初始密度下，表面活性劑層內的分子間相互作用明顯阻止脂質(zhì)分子的有序排列。每個(gè)分子的臨界面積預計約為300?2，即平放DPPC分子的面積。對于這種在橢偏儀中不提供任何對比度的初始動(dòng)力學(xué)冷凍單層，需要顯著(zhù)的分子間相互作用（隨著(zhù)單層被壓縮而變得更重要）來(lái)誘導脂質(zhì)分子的集體排列。我們的觀(guān)察結果與Ducharme等人的假設完全一致：對于緩慢制備的層，平臺的起始密度為每分子250?2左右的低密度（每分子的高面積），而對于初始表面覆蓋率為每分子130?2的層，臺階出現的密度要高得多。有趣的是，橢偏系數在每分子約300?2的范圍內保持不變，直到壓力開(kāi)始以每分子約90?2的速度上升。盡管氣相和液相膨脹相共存時(shí)的密度變化了3倍，但系數是完全平坦的。然而，BAM結果表明，壓縮層會(huì )產(chǎn)生更多的液相膨脹相（疇變大）。只有當有效折射率或層厚度減小時(shí)，這些結果才能相互一致。使用洛倫茲線(xiàn)型模型（參見(jiàn)，例如，參考文獻4）對旋轉槽（圖5）獲得的SFG結果進(jìn)行擬合表明，在橢偏系數恒定的相同密度區域，CH2對稱(chēng)拉伸振動(dòng)的振幅也是平坦的。擬合結果如圖6b和6c所示。盡管脂質(zhì)密度增加，但粗齒缺陷的平均數量保持不變，表明該層改變了方向。顯然，該層以這樣一種方式做到了這一點(diǎn)，即橢圓偏振系數和CH2對稱(chēng)拉伸振動(dòng)的SFG信號保持不變。

盡管橢偏儀和SFG在壓力開(kāi)始上升的表面活性劑密度之前或周?chē)@示出信號的不連續性，但起源似乎不同。在SFG測量中，該步驟與水相的加熱有關(guān)。由于這種加熱，表面活性劑將凈流出激光焦點(diǎn)，如圖4所示。在低表面活性劑密度下，表面在激光焦點(diǎn)處被清潔：所有脂質(zhì)分子有效地從SFG激光光斑中去除。我們想強調的是，共振紅外激光的極低通量（每脈沖的溫升小于3°C，且紅外處于OH波段的最大值）已經(jīng)足以將表面活性劑的疇移出焦點(diǎn)，如圖2和圖5所示。在較高的表面活性劑密度下，排斥激光力不再來(lái)自驅動(dòng)分子進(jìn)入激光焦點(diǎn)的擴散力。發(fā)生這種情況的密度，以及SFG信號出現的位置，以與等溫線(xiàn)類(lèi)似的方式取決于表面活性劑的類(lèi)型。壓縮時(shí)，壓力越早偏離零，在壓縮等溫線(xiàn)中觀(guān)察到從無(wú)SFG信號到信號的步驟越早。我們想強調的是，只有通過(guò)使用旋轉槽刷新激光脈沖之間的樣品，才能完全消除SFG實(shí)驗中觀(guān)察到的臺階。只有在這種情況下，穩態(tài)加熱才足夠低，以避免磁疇排斥出激光焦點(diǎn)。通過(guò)旋轉槽，可以在非常低的密度下測量“真實(shí)”SFG光譜。

在橢偏儀中，由于峰值功率低得多，且輻射與分子躍遷不共振，因此激光不會(huì )對該層造成相同程度的干擾。橢偏儀中的步驟起源于亞穩狀態(tài)，該狀態(tài)發(fā)生在初始脂質(zhì)密度過(guò)高時(shí)。對于這樣一個(gè)系統，它需要大量的壓縮來(lái)誘導分子從不可見(jiàn)的無(wú)序態(tài)轉變?yōu)榫哂屑w排列尾的可見(jiàn)態(tài)。然而，發(fā)生該步驟的密度取決于該層的制備。如果該層是通過(guò)讓分子有足夠的空間和時(shí)間松弛而制備的，則該步驟甚至完全不存在。從未對齊尾到對齊尾的過(guò)渡（負責橢偏測量中的步驟）不能解釋SFG情況下觀(guān)察到的行為，因為如果表面活性劑的尾對齊，則氫鍵和游離OH的水信號不應顯示一個(gè)步驟。

結論

我們已經(jīng)闡明了在表面活性劑單分子膜的SFG實(shí)驗中觀(guān)察到的信號隨表面活性劑密度的函數突然增加的原因。我們通過(guò)測量水信號證明，表面活性劑被激光脈沖從探測區域置換。旋轉槽的使用避免了樣品的穩態(tài)加熱導致光清洗，并使樣品在空間上均勻。這允許在整個(gè)密度范圍內測量DPPC水上CH和OH區域的“真實(shí)”SFG光譜。液態(tài)膨脹相光譜中CH2振動(dòng)的存在表明分子的尾部不是有序的。在液體凝聚相中，僅存在來(lái)自CH3基團的振動(dòng)：脂質(zhì)有序，沒(méi)有粗糙缺陷。水信號持續增加，直到達到液體冷凝相。自由OH峰（代表頂部沒(méi)有DPPC的水分子）減少，直到不再存在氣相。如果使用非旋轉槽，則在密度非常高的情況下不會(huì )檢測到SFG信號，因為液體膨脹相疇很容易被同一激光器從激光光斑中移除。布魯斯特角顯微鏡顯示了這些區域，結合紅外激光束，可能能夠可視化穩態(tài)加熱的效果。

附錄

單次激發(fā)的溫升可以根據給定頻率下的光束尺寸和吸收截面來(lái)計算。根據參考文獻31，朗伯吸收系數為α（λ）=4πk（λ）/λ，其中λ為光的波長(cháng)，k為折射率的虛部。用于頻率為3100 cm的紅外激光束?1，α為0.36μm?1.忽略表面約1%的光反射，并考慮到從原始透射強度I0到入射點(diǎn)距離l處的剩余強度I為I/I0=e?α*l，可以容易地計算出界面區域的平均吸收功率，其中50%的紅外光被激光脈沖吸收。

具體而言，在實(shí)驗部分給出了高通量情況下（圖1、2（圖2b除外）和7底板）的紅外光束（功率：6μJ；束腰：200μm；入射角：40°）和水的熱容（4.2 J/gK）的詳細信息，在表面激光束尺寸和50%穿透深度形成的體積上，我們獲得了平均9 K的單次激發(fā)溫度增加。在吸水率的峰值（在～3300厘米?1與～4μJ IR），在50%穿透深度為0.6μm時(shí)，上升甚至達到19 K，而在CH區域（在～2940厘米?1與～6μJ IR）上升為2 K，50%穿透深度為10μm。對于低通量情況（圖5、圖6和圖7，頂部面板），束腰大約大2.5倍，導致通量大約低6倍。因此，單次激發(fā)的溫度跳變也降低了6倍。

對可見(jiàn)光光束的相同計算表明，可見(jiàn)光光束與加熱過(guò)程無(wú)關(guān)：可見(jiàn)光光束的單次升溫僅為0.06 mK，因此可以忽略不計。

然而，本文中描述的效應不是由單次激發(fā)引起的，而是由穩態(tài)加熱引起的。假設水的熱擴散系數為1.11×10?3 cm2/s，假設垂直于水面的一維熱擴散，可以計算出在1 ms（兩次激光發(fā)射之間的時(shí)間）內，熱擴散距離界面約20μm。更準確地說(shuō)，在脈沖撞擊表面1毫秒后，熱量呈高斯分布，在最大值處有一半寬度～20μm。由于我們所有頻率下的紅外穿透深度都小于擴散長(cháng)度20μm，因此1ms時(shí)的熱分布或多或少與頻率無(wú)關(guān)。因此，1 ms時(shí)表面的熱量主要由紅外功率決定，該功率在低頻時(shí)較高（即，在C?H區域）在低頻下產(chǎn)生更多穩態(tài)熱。在CH和OH振動(dòng)激發(fā)后的兩個(gè)不同時(shí)間，從此類(lèi)計算中獲得的熱分布如圖9所示。

圖9。對于與CH（綠色）或OH（藍色）振動(dòng)共振的紅外光束，溫度隨著(zhù)進(jìn)入水層的深度而升高。實(shí)線(xiàn)和虛線(xiàn)分別表示t=0和t=1 ms。插圖顯示了相同的圖形，但帶有擴展的yaxis。

作者信息

筆記

作者聲明沒(méi)有相互競爭的經(jīng)濟利益。

致謝

這項工作是“材料研究基金會(huì )（FOM）”研究項目的一部分，該項目由“荷蘭材料研究基金會(huì )（NWO）”資助。作者感謝Remco Fokkink和Marc Jan van Zadel對橢偏儀實(shí)驗的幫助，并非常感謝Ron Shen、Colin Bain和Harald Pleiner的許多有益討論。