1、生 物 液 晶液 晶 概 述液 晶 （ Liquid Crystal， 简 称 LC） 是 一 种 高 分 子 材 料 ， 因 为 其 特 殊 的 物 理 、 化 学 、光 学 特 性 ， 20 世 纪 中 叶 开 始 被 广 泛 应 用 在 轻 薄 型 的 显 示 技 术 上 。 人 们 熟 悉 的 物 质 状 态（ 又 称 相 ） 为 气 、 液 、 固 ， 较 为 生 疏 的 是 电 浆 和 液 晶 （ Liquid Crystal， 简 称 LC） 。液 晶 相 要 具 有 特 殊 形 状 分 子 组 合 始 会 产 生 ， 它 们 可 以 流 动 ， 又 拥 有 结 晶 的 光 学
2、性 质 。 液晶 的 定 义 ， 现 在 已 放 宽 而 囊 括 了 在 某 一 温 度 范 围 可 以 是 现 液 晶 相 ， 在 较 低 温 度 为 正 常 结晶 之 物 质 。 而 液 晶 的 组 成 物 质 是 一 种 有 机 化 合 物 ， 也 就 是 以 碳 为 中 心 所 构 成 的 化 合 物 。 同 时 具 有 两 种 物 质 的 液 晶 ， 是 以 分 子 间 力 量 组 合 的 ， 它 们 的 特 殊 光 学 性 质 ， 又 对 电 磁 场敏 感 ， 极 有 实 用 价 值 。液 晶 的 分 类液 晶 存 在 的 领 域 相 当 广 ， 目 前 已 被 发 现 或 经 人
3、 工 合 成 的 液 晶 已 不 下 几 千 种 。 根据液晶态的形成条件和组成的不同，可分为热致液晶和溶致液晶两大类。热 致 液 晶 是 指 由 单一 化 合 物 或 由 少 数 化 合 物 的 均 匀 混 合 物 形 成 的 液 晶 。 它 只 能 在 一 定 温 度 范 围 内 出 现 。典 型 的 长 棒 形 热 致 液 晶 的 分 子 量 一 般 在 200500g/mol左 右 ， 分 子 的 长 度 比 大 约 在 4到 8之 间 。 按 照 棒 形 分 子 排 列 方 式 把 热 致 晶 体 分 为 三 种 ： 向 列 相 液 晶 ， 近 晶 相 液 晶 ， 胆甾 相 液 晶
4、。 溶 致 液 晶 1是 一 种 包 含 溶 剂 化 合 物 在 内 的 两 种 或 多 种 化 合 物 形 成 的 液 晶 。是 在 溶 液 中 溶 质 分 子 浓 度 处 于 一 定 范 围 内 时 出 现 液 晶 相 。 溶 致 液 晶 也 可 分 为 层 状 相 、立 方 相 、 六 方 相 等 类 型 。存 在 于 生 物 体 内 的 液 晶 称 为 生 物 液 晶 。 生 物 液 晶 就 其 形 成 方 式 而 言 都 是 溶 致 液 晶 。现 在 已 经 发 现 不 但 所 有 的 生 物 膜 都 处 于 液 晶 态 ， 而 且 还 在 不 少 的 组 织 器 官 中 都 发 现
5、 了 液晶 态 的 物 质 ， 组 成 生 命 的 不 少 物 质 分 子 也 都 可 以 形 成 液 晶 态 。生 物 膜 液 晶所 谓 生 物 膜 是 指 细 胞 本 身 及 周 边 以 及 大 多 数 细 胞 质 内 的 组 成 ， 包 括 叶 绿 体 、 细 胞 核 、线 粒 体 、 高 尔 基 体 、 液 体 泡 和 内 质 网 都 被 一 层 “轨 道 ”结 构 的 膜 所 包 裹 ， 这 种 膜 统 称 为生 物 膜 。 生 物 膜 的 主 要 成 分 是 类 脂 化 合 物 ， 其 中 磷 脂 占 重 要 部 分 。 磷 脂 分 子 是 极 性 双 亲分 子 ， 在 水 和 油
6、 的 界 面 上 可 以 形 成 厚 度 约 为 一 个 分 子 长 度 的 单 层 膜 。 在 足 够 浓 的 水 溶 液中 ， 两 片 单 层 面 的 疏 水 面 可 以 合 并 形 成 厚 度 约 为 两 个 分 子 长 度 的 双 层 膜 。 双 层 膜 中 的 烃链 有 一 定 的 排 列 有 序 性 。 双 层 膜 的 疏 水 作 用 不 太 强 ， 不 能 限 制 分 子 在 膜 中 的 移 动 ， 因 此分 子 双 层 的 行 为 既 像 液 体 又 具 有 晶 体 有 序 结 构 ， 所 以 生 物 膜 是 呈 液 晶 态 的 ， 一 般 认 为 是层 状 的 溶 质 液 晶
7、 。生 物 液 晶 膜 的 相 变 非 常 复 杂 ， 它 的 相 变 除 与 浓 度 变 化 有 关 外 ， 还 与 温 度 变 化 有 关 。因 此 维 持 生 物 膜 的 正 常 状 态 ， 需 要 一 定 水 的 浓 度 和 一 定 的 温 度 。 一 旦 水 的 浓 度 和 温 度 偏离 了 正 常 所 要 求 的 状 态 ， 生 物 膜 就 不 能 维 持 正 常 的 功 能 ， 从 而 使 细 胞 以 至 生 物 体 处 于 病态 。组 织 器 官 中 的 液 晶 态 物 质许多生物体系呈现液晶性质，人体的很多组织如肌肉、腱、卵巢、肾上腺皮质和神经等含有大量介晶态化合物，它们都呈
8、现出光双折射的性质，这是液晶的特征。这些化合物通常为胆固醇或类脂的衍生物。许多病理组织，特别是在大的类脂沉积方面，已经证实介晶状态的存在。液晶相至少牵涉到两类退化性疾病，即动脉粥硬化和镰刀细胞贫血症。介晶相化合物作为胆甾相衍生物大量沉积，已在肾、肝、脑、骨髓和主动脉壁上发现。内分泌组织如肾上腺皮质和黄体的分泌物具有向列相小液滴形成的液晶，各种多肽在溶液中可以形成向列相和胆甾相液晶。核酸在浓溶液中是介晶相。脱氧核糖核酸（DNA）具有胆甾相的结构。肌肉纤维早就被认为是类似液晶的物质，它是由两种主要的肌原纤维-肌球蛋白和肌动蛋白所组成的丝。平滑肌与横纹肌之间在结构上的不同，类似于向列相与近晶相液晶之
9、间的不同。而横纹肌（节肢动物，脊椎动物）和斜纹肌（环节动物、软体动物）的区别则类似于近晶A 型与近晶C 型液晶。在光学上它们都具有双折射现象。胶原纤维是构成眼睛角膜的主要组分。胶原纤维平行排列，形成厚度均匀的层状结构，每一层的斜断面排列成弧形或抛物线的圆形，相邻层之间的扭转结构显示出胆甾相-向列相液晶的共同特点。胶原在角膜内的这种排列，形成了衍射光栅单元，使角膜具有光散射和透光性。不仅如此，在视觉系统中，已证明光感觉体（杆状体和圆锥体）也是层状结构，它是类脂和蛋白质的双分子膜所构成，因而与细胞膜一样，具有液晶态物质的特性，在临界温度可以进行相转变，而对光、电、压力等外来刺激和化学环境的变化也十
10、分敏感。另外有的学者还分别发现在鸡胚、鱼胚发育过程中，胚体的许多器官组织都先后呈现液晶态;牛眼的角膜、晶状体也能产生双折射现象，都可能是以液晶态存在。在胆石成核成石机制的研究中，国内外学者开展的模拟胆汁模型和动物模型实验研究均证实胆汁液晶是胆囊结石形成过程中的一种重要成核因子，其光性符号为单轴正性。胆汁中的液晶微泡构成了胆石形成和生长的基本结晶核，在胆石形成过程中起重要作用，甚至是关键性的作用。目前，对生物组织中的液晶态物质的研究仍是生物物理研究中一个引人注目的内容。生命现象中的液晶行为液晶态普遍存在于生物体内。生物体内的蛋白质、核酸、脂类、多糖等在溶液中多呈棒状或扁平状,分子链上有苯环和能够
11、形成氢键的极性基团及不对称原子,因此它们具备形成液晶态的条件,可以形成溶致液晶。生物体内蛋白质P胶原、核酸PDNA 等生物大分子的液晶行为,近年来成为人们研究的热点。蛋白质蛋白质是组织的天然基质,胶原是一组高度特异化的蛋白质,含量占人体蛋白质总量的30 %以上,在体内以胶原纤维的状态存在,是硬骨、结缔组织、皮肤以及脊椎动物眼角膜的主要成分。胶原分子呈三维螺旋结构;在肌腱、软骨等中含量高达几十mgPmL ,可以呈现液晶态。核酸核酸包含脱氧核糖核酸(DNA) 和核糖核酸(RNA) ,自Robinson17 在1958 年观察到DNA 分子在溶液中呈棒状、达到临界浓度时呈胆甾相液晶以来,DNA的液晶
12、行为就成为人们关注的热点.夏若虹等采用小牛胸腺DNA 为原料,将其溶于去离子水制备DNA 薄膜,通过偏光显微镜观察到在浓度大于5 %时,DNA 能形成较好的液晶态,且呈典型的胆甾相液晶结构。Yevdokimov 等把含少量壳聚糖的水溶液加入到DNA 的盐水溶液中,达到临界浓度后呈胆甾相液晶,通过进一步研究发现,DNA 和壳聚糖形成的右手螺旋的胆甾相,有正的圆二色性;与传统利用相分离制得的DNA 胆甾相液晶不同,后者是左手螺旋的,有负的圆二色性;经研究表明加入中间体正定霉素等可以改变DNA-壳聚糖复合物的胆甾相液晶态的旋光性, 其作用机理还在进一步研究中。Knupp 等24 报道了角鲨鱼( Sc
13、rliorhinusSanicula) 卵的形成过程中,其胶原分子自组装过程中也呈现液晶态。Blanc 等通过低温电子显微镜观察到在人和牡马精中,DNA 分子呈胆甾相液晶并存在相错,局部螺旋被破坏,形成有间隔的六角形。这些报道证实,生物体内的脱氧核糖核酸在一定的条件下是以液晶态的形式存在的。多糖壳聚糖是一种天然多糖,是甲壳素脱乙酰化的衍生物,甲壳素广泛存在于甲壳类动物如虾和蟹的甲壳内。甲壳素及壳聚糖分子链中含有羟基、氨基等可以形成氢键的基团,因此具有很强的链刚性,可以形成液晶,其液晶行为近年来成为人们研究的热点。大量研究表明, 壳聚糖及其衍生物可以呈现液晶态, 可能是壳聚糖大分子中含有OH、N
14、H2 、; 三种可以形成氢键的基团,其形成的分子内氢键阻碍了 - (1 ,4) 甙键内旋转而引起构象的改变,从而使得构象持续长度较大,链刚性较强;而其衍生物由于引入了极性侧基,使得其主链刚性增强,因此也可以呈现液晶态。脂类磷脂、糖脂及类固醇等是脂类的主要组成部分,它们都是双亲性分子,在适当的溶剂中可以呈现液晶态。胆固醇本身是一种液晶基元,且具有诱导作用,Hwang 等将胆固醇接枝到L-乳酸低聚物上,从而制备出液晶态的胆甾醇聚乳酸生物材料。Vill 等报道了糖脂热致液晶和溶致液晶行为,其立方形的液晶构型为细胞的黏附提供了新的位点,从而为更好地促进细胞的生长与增殖以及药物释放提供了新的思路。生物液
15、晶物理理论的建立及其进展生物结构与液晶的联系一直受到各界的关注。1854年维乔在研究麦琳结构时, 注意到麦琳具有液晶结构的特性。随后莱曼晚撰文叙述了液晶在生命科学中的重要前景。1933年, 在法拉第液晶讨论会上, 生物结构具有液晶特性的观点被提出讨论, 到1965年, 这一论点便正式成为独立议题。1973年, 德国液晶物理学家海尔弗里特根据向列相液晶与类脂膜的相似性, 对生物膜形状的液晶模型进行了讨论, 提出膜的自发曲率弹性理论, 并在此基础上数值计算了人的红细胞正常与非正常情况下的形状。而后, 我国理论工作者欧阳钟灿等也介人这一领域的研究, 与海尔弗里特合作将研究成果于1987年以论文形式发
16、表在美国的物理评论上。随后, 我国理论物理工作者开始独立研究, 做出了一系列有影响的工作。1990年, 欧阳钟灿在海尔弗里特模型的框架内, 相继得出脂双层膜泡的一系列解析解, 首次预告了脂双层膜的环形形状, 并指出它的两个生成圆的半径必须满足r/R=1/ 或0. 这2个预言得到了实验的验证。近来, 通过对膜泡状态方程的微扰分析和数值模拟, 又得到若干与临床发现的病态红细胞形状类似的膜泡形状, 此外, 根据最近的实验结果, 研究出在膜蛋白影响下出现的轴对称开口膜泡形状。最近, 又预告了一个被命名为超德罗尔曲面的新的解析解, 这正在等待实验的验证。生物结构与液晶具有密切的联系已被越来越多的事实所证
17、实。神经细胞髓磷脂溶液具有液晶所具有的偏光特性, 哺乳动物发育过程中肢节轴索的诞生与液晶相变产生的几何拓扑结构联系在一起, 生物肌肉组织与细胞结构同样显示出与液晶各相相似的分子堆积结构。生物学家公认的生物膜流体镶嵌模型认为膜糖蛋白是浸泡在2维脂类双亲分子液体膜中, 如果把双亲分子脂类分子膜当成普通流体, 则无法解释蛋白质在细胞膜上的扩散本领, 也无法解释为什么人的红细胞是双碟形而不是其他形状, 只有将分子膜视为液晶, 并采用液晶膜曲率弹性理论才能让上述现象得到证明。不仅如此, 根据生物膜是液晶的线索, 生命科学中许多困难的问题, 如细胞膜的融合, 蛋白质在膜上的奇异扩散, 以及细胞分泌的胞吐与
18、内吞现象都正在一一得到理论上的解释,以胆幽相液晶为模型所建立的手征分子生物膜理论很好地解释了分子的自组装螺旋结构, 并被物理学家和病理学家联合应用于研究胆结石的螺旋结构。目前, 用液晶理论研究生物现象的内容更加深入广泛, 液晶相的拓扑缺陷和相变理论用于研究生物膜融合的机制当中, 人们认为, 层状液晶提供了可以研究膜相互作用、局部缺陷和相变的有用的膜模型系统, 它们类似于一叠完整的膜, 中间被极薄的水层隔开, 可以应用相变的现代物理理论。膜上分子的迁移率也会像液晶里那样的相变而发生改变。液晶显示技术原理也用来试图解释生物体内信息的传递。我们知道, 外加电场会引起液晶分子的重新排列与堆积, 而基因和药物用生物膜泡包裹在体内传递相当于外加电场蛋白质或药物诱发膜融合, 并推动蛋白质移动。这些都是液晶生物膜动力学理论大有可为的课题。从液晶的发现, 到液晶显示技术及生物液晶理论的建立, 生物液晶物理作为交叉学科的凝聚态研究对象, 揭示了物理学的发展前景, 为物理学的发展提供了创新机遇。尽管已经取得了一系列与实验相符的理论结果, 但这个领域的研究还处于初期, 还期待着更多理论上和实验上的进展。在物理、化学、生命科学等交叉领域中, 做别人没能做过的工作是物理工作者今后的重要任务。 r()
