電子顯微鏡下的液晶分子形態(tài) 圖片來(lái)源：谷歌圖片 液晶（liquid crystal）,，因?yàn)槠涮厥獾奈锢?、化學(xué)、光學(xué)特性,，20世紀(jì)中葉開(kāi)始被廣泛應(yīng)用在輕薄型的顯示技術(shù)上,。如今，最被普通人熟知的就是液晶屏,，它拒絕幾何失真,，帶來(lái)精細(xì)的畫(huà)質(zhì)，功耗又很低,，因此受人青睞,。不過(guò)，液晶還可以作為一種特殊的材料,，用于生物分析,，用于檢測(cè)疾病或治療，這一點(diǎn)人們知道的并不多,。 近日,，美國(guó)俄亥俄州肯特州立大學(xué)和伊利諾伊州阿爾貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室合作，將活細(xì)菌和無(wú)生命的溶致液晶結(jié)合在一起,，開(kāi)發(fā)出了一種新興的柔性工程復(fù)合材料――活液晶,，未來(lái)最直接的應(yīng)用可能是新型生物傳感器。該研究成果發(fā)表在美國(guó)《國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS） 上。 無(wú)毒害環(huán)境保證細(xì)菌生存 把活的生物體與機(jī)械材料混合在一起,，這是一種奇妙的組合,。該論文第一作者、肯特州立大學(xué)液晶研究所博士生周爽在郵件中向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者解釋了研究團(tuán)隊(duì)提出這種構(gòu)想的初衷,。 眾所周知,，人們最熟悉的物質(zhì)狀態(tài)（又稱相）就是氣態(tài)、液態(tài),、固態(tài),，但液晶的發(fā)現(xiàn)，打破了人們關(guān)于物質(zhì)三態(tài)的常規(guī)概念,。液晶態(tài)是一種中間態(tài),，作為一種凝聚態(tài)物質(zhì)，液晶的特性與結(jié)構(gòu)介于固態(tài)晶體與各向同性液體之間,。因此,，它既具有液體的流動(dòng)性、黏滯性,，又具有晶體的各向異性（液晶分子傾向于集體指向某一方向,，由此導(dǎo)致液晶在不同方向的物理化學(xué)特性也不同 ），能像晶體一樣產(chǎn)生雙折射,，也能在外場(chǎng)作用下,，產(chǎn)生熱光、電光或磁光效應(yīng),。 液晶可以分為熱致液晶和溶致液晶兩大類,。熱致液晶（Thermotropic liquid crystal，TLC）是指由單一化合物或由少數(shù)化合物的均勻混合物形成的液晶,，它只能在一定溫度范圍內(nèi)出現(xiàn),。而溶致液晶（Lyotropic liquid crystal，LLC）是由符合一定結(jié)構(gòu)要求的化合物與溶劑組成的液晶體系,，由兩種或兩種以上的化合物組成,。最常見(jiàn)的溶致液晶是由水和雙親性分子組成。只有當(dāng)溶液中溶質(zhì)分子濃度處于一定范圍內(nèi),，才出現(xiàn)液晶相,。 周爽表示，科研界在過(guò)去幾十年中對(duì)液晶的應(yīng)用研究大部分集中在熱致液晶上,，它們構(gòu)成了顯示器和其他光開(kāi)關(guān)類產(chǎn)品的核心部分。不過(guò)近年來(lái),，溶致液晶中的一大類――lyotropic chromonic liquid crystal（LCLC）越來(lái)越受到研究者們的關(guān)注,。 有意思的是，在此前的研究中，他們發(fā)現(xiàn),，和傳統(tǒng)雙親分子形成的溶致液晶相比,，由于雙親分子的碳鏈?zhǔn)怯H油基團(tuán)，極易與構(gòu)成細(xì)胞壁的磷酸酯雙分子層作用,，從而破壞細(xì)胞的機(jī)構(gòu),，因此，這類溶致液晶可以被認(rèn)為具有一定的毒性,。而LCLC分子結(jié)構(gòu)上不帶有碳鏈,，所以對(duì)大多數(shù)生物體無(wú)毒無(wú)害。目前90%的經(jīng)過(guò)FDA認(rèn)證的食品染料,，比如落日黃,、檸檬黃、誘惑紅等都能形成LCLC相,。周爽認(rèn)為,，這就給研究團(tuán)隊(duì)提供了一個(gè)機(jī)會(huì)，可以觀察生物體在這種溶致液晶環(huán)境下的行為,。 “活”材料的潛在應(yīng)用 小尺度下在液體環(huán)境下運(yùn)動(dòng)的物體被稱作為微泳體,，微生物基本都是微泳體，比如細(xì)菌,、水藻,、精子等?！八h(huán)境是最簡(jiǎn)單的物理環(huán)境,，因?yàn)樗哂懈飨蛲裕蛘哒f(shuō)是均質(zhì)性,，所以大多數(shù)之前的研究是針對(duì)這個(gè)環(huán)境,。但液晶本身可以提供各向異性環(huán)境，因此,，活液晶提供了一個(gè)獨(dú)特的了解微泳體的平臺(tái),。”周爽介紹道,。 “此外,，‘活’意味著有能量的流動(dòng)：細(xì)菌不停地在把化學(xué)能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能，所以活液晶這個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)非平衡態(tài)系統(tǒng),。平衡態(tài)液晶的穩(wěn)態(tài)是液晶分子均勻排布的狀態(tài),對(duì)應(yīng)彈性勢(shì)能最低的基態(tài),。活液晶的穩(wěn)態(tài)不是均勻狀態(tài),，而是一種持續(xù)變化的混亂狀態(tài),?！敝芩硎荆啾扔谄胶鈶B(tài)系統(tǒng),，人們對(duì)于非平衡態(tài)系統(tǒng)的了解和利用還很少,，很多應(yīng)用前景還有待開(kāi)發(fā)。 盡管他在采訪中強(qiáng)調(diào),，目前這項(xiàng)研究更接近于基礎(chǔ)理論而非實(shí)際應(yīng)用,，但談到這種新材料在未來(lái)的潛在應(yīng)用，制造新型生物傳感器可能被寄予厚望,。 研究人員發(fā)現(xiàn),，通過(guò)液晶特殊的光學(xué)特性――雙折射性，只需一臺(tái)簡(jiǎn)單的偏振顯微鏡,，就能清晰看到24納米粗細(xì)的細(xì)菌鞭毛的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)引起的液體擾動(dòng),。活液晶能放大納米水平的微小反應(yīng),，而這恰恰也是分子和病毒相互作用的尺度范圍,，任何可以引起細(xì)菌活動(dòng)變化的外在影響，都可以通過(guò)簡(jiǎn)單的圖像處理加以定量分析,。通過(guò)這種視覺(jué)放大器的作用制造傳感設(shè)備,，可以幫助臨床醫(yī)生早期診斷，并且監(jiān)測(cè)疾病的生物生理發(fā)展過(guò)程,。 此外,，微流技術(shù)是當(dāng)下集合了微電子、微機(jī)械,、生物工程和納米技術(shù)等的熱門的“會(huì)聚技術(shù)”,。簡(jiǎn)單說(shuō)，就是用半導(dǎo)體集成技術(shù)制作新型固體元件或“芯片實(shí)驗(yàn)室”,，它可對(duì)微量流體,，包括液體和氣體，進(jìn)行復(fù)雜,、精確的操作,，比如混合和分離微量流體、化學(xué)反應(yīng),、微量分析等等,。傳統(tǒng)的微流技術(shù)一般通過(guò)光刻機(jī)技術(shù)形成三維溝道，通過(guò)壓力梯度來(lái)驅(qū)動(dòng)流體運(yùn)動(dòng),。但周爽表示,，在活液晶中控制細(xì)菌的運(yùn)動(dòng)則不需要這些條件，只需要簡(jiǎn)單控制液晶的取向,，有多種靈活的方法,，比如表面摩擦,、外加電磁場(chǎng)、局部融化等,。從這個(gè)角度看，活液晶在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的微流體技術(shù)中也能大有作為,。 液晶與生命的不解之緣 液晶分子作為一種良好的敏感材料,，用于生物傳感器的研究早已有之。湖南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,、化學(xué)生物傳感與計(jì)量學(xué)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室教授吳朝陽(yáng)告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者,，液晶生物傳感器是基于液晶對(duì)外界刺激物（如電場(chǎng)或磁場(chǎng)）的快速反應(yīng)。而且,，由于各向異性,，有序排列的液晶會(huì)被引入的抗體分子或細(xì)胞打亂。而這種排列上的變化可通過(guò)光學(xué)信號(hào)傳達(dá),，初始狀態(tài)的任何變化與引入物的性質(zhì)和濃度有關(guān),，這正是液晶可用于生物傳感器的原理。 他表示,，目前國(guó)內(nèi)液晶生物傳感器研究用的主要是熱致液晶,，可用于免疫分析、蛋白質(zhì)分析,、核酸分析等等,。國(guó)外科研界也有發(fā)現(xiàn)新的溶致型液晶，可擴(kuò)展液晶生物傳感技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域,，用于藥物傳遞檢測(cè)或者檢測(cè)微生物,，甚至有可能實(shí)現(xiàn)液晶生物傳感技術(shù)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。 不過(guò),，吳朝陽(yáng)也坦言,，液晶生物傳感器用于生物分析事實(shí)上還處在研究的初級(jí)階段，與傳統(tǒng)的生物傳感技術(shù)相比,，研究人員對(duì)于它的性能并沒(méi)有完全掌握,。 如果說(shuō)，液晶生物傳感技術(shù)顯得相對(duì)冷門,，液晶與生命現(xiàn)象之間的關(guān)系,，則是液晶領(lǐng)域非常重要的研究方向。 中科院學(xué)術(shù)期刊《液晶與顯示》編委,、陜西師范大學(xué)物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院教授孫潤(rùn)廣向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者介紹,，液晶態(tài)普遍存在于生物體內(nèi)，人的細(xì)胞膜,、表皮,、肌肉,、神經(jīng)、視網(wǎng)膜,、蛋白質(zhì),、脂類、核酸,、碳水化合物等等, 都是由生物大分子在水溶液中有序排列而成的,，它們本質(zhì)上都屬于溶致液晶。正是由于生物體內(nèi)存在的液晶態(tài)與生物體的生長(zhǎng)發(fā)育,、肌體的新陳代謝,、細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換、信息傳遞,、物質(zhì)傳輸?shù)榷济芮邢嚓P(guān),，液晶態(tài)生物材料的開(kāi)發(fā)才越來(lái)越受到關(guān)注。 據(jù)了解,，溶致液晶在藥物生產(chǎn)中可用作囊壁材料將藥劑封成膠囊,，避免在消化過(guò)程中受到酶的破壞，而將藥物控制傳輸?shù)缴矬w的特定部位后,，液晶外殼溶解從而釋放出藥物, 最終達(dá)到靶向給藥的目的,。 生物材料由于在使用過(guò)程中會(huì)與血液發(fā)生接觸，容易出現(xiàn)凝血現(xiàn)象,，在臨床應(yīng)用上受到限制,。而如果材料具有與生物膜相似的液晶態(tài)， 利用液晶的特性及其與生物體之間的聯(lián)系,， 讓材料的分子有序性與其接觸的血管內(nèi)皮及血細(xì)胞的有序性基本一致,，就可以降低材料表面與血液之間的界面張力， 改善材料的血液相容性,。因此,，模仿生物體的結(jié)構(gòu)、功能開(kāi)發(fā)血液相容性的液晶生物材料也很受矚目,。 此外,，諸如糖類液晶態(tài)材料、蛋白質(zhì)液晶態(tài)材料,，因?yàn)榫哂辛己蒙锵嗳菪?、生物降解性以及良好的組織誘導(dǎo)性能，還可作為人們需要的新型仿生組織工程支架材料,，同時(shí)也為人工模擬組織器官提供基礎(chǔ),。 轉(zhuǎn)自求是理論網(wǎng)-科學(xué)普及 |