結(jié)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(yàn)，該實(shí)驗(yàn)顯示SFG信號(hào)的異常、逐級(jí)強(qiáng)度變化。相比之下，BAM顯微鏡圖像在SFG實(shí)驗(yàn)的長(zhǎng)度尺度上顯示出均勻的單層。在SFG實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)減少通量或連續(xù)移動(dòng)單層，可以記錄單層的真實(shí)SFG響應(yīng)。最后，給出了橢偏測(cè)量實(shí)驗(yàn)，以補(bǔ)充SFG結(jié)果。

靜態(tài)單層上的SFG測(cè)量：SFG光譜的密度依賴性。在圖1的中間面板中，在每個(gè)分子的不同區(qū)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(hào)?1和一個(gè)信號(hào)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(dǎo)致SFG光譜的變化，只要壓力保持在我們的檢測(cè)限以下。盡管表面存在脂質(zhì)，但在SFG實(shí)驗(yàn)中未檢測(cè)到它們，也不會(huì)對(duì)水結(jié)構(gòu)產(chǎn)生可檢測(cè)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(qū)分（見(jiàn)圖1的下面板）?？紤]到我們的SFG實(shí)驗(yàn)的信噪比，可以測(cè)量到10%的強(qiáng)度下降。由于強(qiáng)度取決于數(shù)密度的平方（所有其他條件都相等），我們得出的結(jié)論是最多3?4%的游離OH基團(tuán)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(jié)構(gòu)，特別是當(dāng)人們意識(shí)到脂質(zhì)分子（對(duì)于完全壓縮的單層膜）占據(jù)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(shè)表面活性劑在表面上的統(tǒng)計(jì)分布，那么可以預(yù)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(tuán)將受到影響，這將使游離OH處的SFG信號(hào)下降到原始強(qiáng)度的一半。表面活性劑也沒(méi)有出現(xiàn)在光譜中：在2800到3000厘米之間沒(méi)有可檢測(cè)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(dǎo)致壓力上升和SFG譜的變化：CH振動(dòng)出現(xiàn)在頻率上?！?850（CH2對(duì)稱拉伸），～2880（CH3對(duì)稱拉伸），以及～2950厘米?1（CH3費(fèi)米共振和CH3不對(duì)稱拉伸），9,23水氫鍵信號(hào)增加，自由OH峰消失。界面系統(tǒng)有效地從水/空氣界面逐步轉(zhuǎn)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?cè)趬嚎s單層膜時(shí)連續(xù)測(cè)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(dá)到100?2。DPPC在H2O上的結(jié)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。對(duì)于這些實(shí)驗(yàn)，紅外脈沖的中心頻率保持固定，以在連續(xù)壓縮期間獲得足夠的信號(hào)強(qiáng)度。因此，在本實(shí)驗(yàn)中，我們只能同時(shí)測(cè)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(cè)量了氫鍵水和自由OH鍵的信號(hào)。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(duì)系統(tǒng)有顯著影響。之前曾報(bào)道過(guò)CH信號(hào)的突然上升，4,9但水光譜的急劇變化尚未報(bào)道。水信號(hào)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(qiáng)度是恒定的。將脂質(zhì)密度改變1.5倍對(duì)單層內(nèi)和下層水分子的信號(hào)強(qiáng)度幾乎沒(méi)有影響。就像水信號(hào)一樣，脂質(zhì)C?H拉伸強(qiáng)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(hào)?文獻(xiàn)報(bào)道了DPPC在壓力等溫線平臺(tái)上的H振動(dòng)。4,9在PSS和SPS極化下，我們觀察到DPPC的SFG信號(hào)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(cè)量到類似的突然急劇上升，盡管發(fā)生臺(tái)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，觀察到的行為似乎是表面活性劑的一般行為：觀察到的是脂質(zhì)、酒精和脂肪酸。

BAM測(cè)量。為了確認(rèn)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(cè)量，其結(jié)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(dāng)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(yàn)中產(chǎn)生暗斑和亮斑。亮區(qū)的數(shù)量，代表密度更高的液體膨脹相，隨著密度的增加而增加。在每個(gè)分子為84?2時(shí)，圖像沒(méi)有任何對(duì)比度，顯示了微米尺度上的層均勻性：系統(tǒng)處于液體膨脹相。該層的進(jìn)一步壓縮（密度增加）導(dǎo)致小而明亮的星形疇，在液體膨脹相的暗背景上呈現(xiàn)液體凝聚相。等溫線在這里顯示了一個(gè)平臺(tái)。在平臺(tái)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(jié)果與文獻(xiàn)一致。17,24

靜態(tài)單層上的SFG測(cè)量：SFG信號(hào)的通量依賴性。盡管BAM顯微鏡數(shù)據(jù)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(qū)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(qū)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(hào)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(tuán)應(yīng)受到脂質(zhì)存在的影響，無(wú)論脂質(zhì)是否卷曲。根據(jù)SFG結(jié)果，系統(tǒng)表現(xiàn)為每分子85?2以上的水/空氣。在測(cè)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(yù)期臺(tái)階相對(duì)于每個(gè)分子面積的位置將取決于實(shí)驗(yàn)中使用的激光注量。為了驗(yàn)證這一假設(shè)，我們使用四倍更低的紅外功率重復(fù)了SFG測(cè)量。當(dāng)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(hào)出現(xiàn)時(shí)每個(gè)分子的面積之間的相關(guān)性總結(jié)了通量依賴性。顯然，激光強(qiáng)度對(duì)SFG信號(hào)的外觀有影響。這一解釋也與Chen等人9的觀察結(jié)果一致，即來(lái)自頭部的P=O信號(hào)僅在高密度下可見(jiàn)，因?yàn)橹挥性诟呙芏认?，脂質(zhì)才存在于激光焦點(diǎn)中。

表面“清潔”的說(shuō)明。可以計(jì)算出，利用所使用的激光參數(shù)（光束尺寸、脈沖能量和頻率），水界面區(qū)域?qū)⒈患訜帷Ｔ敿?xì)計(jì)算見(jiàn)附錄。這些計(jì)算表明，對(duì)于紅外光譜中吸收非常強(qiáng)的區(qū)域，可用的最高脈沖能量，單脈沖溫度升高可達(dá)10°C。鑒于我們的激光重復(fù)頻率為1 kHz，重復(fù)單脈沖加熱也會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)加熱。由此產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)溫度升高可能高達(dá)數(shù)十℃。

結(jié)果，出現(xiàn)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(yīng)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(bǔ)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等人先前提出了類似的機(jī)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(qū)動(dòng)脂質(zhì)進(jìn)入激光焦點(diǎn)的擴(kuò)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(duì)表面進(jìn)行了非常有效的清潔，表面上不斷出現(xiàn)大量的淡水。隨著表面密度和相關(guān)表面壓力的增加，出現(xiàn)一個(gè)點(diǎn)，即流動(dòng)強(qiáng)度不足，無(wú)法抵消表面活性劑的擴(kuò)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(jiān)硬，因此它仍保持在原位。在相應(yīng)的表面活性劑濃度下，表面活性劑信號(hào)突然出現(xiàn)。這種界面Marangoni流動(dòng)池的出現(xiàn)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(hào)隨著壓力的增加突然出現(xiàn)，以及為什么信號(hào)出現(xiàn)的壓力取決于激光注量。

圖4。水樣近表面區(qū)域穩(wěn)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(lán)色表示冷。橙色陰影區(qū)域顯示入射到表面的激光束，箭頭表示溫度梯度誘導(dǎo)流動(dòng)的方向。（a）俯視圖，顯示近表面區(qū)域的徑向位移，（b）橫截面?zhèn)纫晥D，顯示產(chǎn)生的Marangoni流動(dòng)單元。請(qǐng)注意，在焦點(diǎn)的中心，水流向上，因此表面可以有效地持續(xù)更新。

激光焦點(diǎn)內(nèi)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(dǎo)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?yàn)槿绻僭O(shè)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(jì)約為0.15 mN/m。顯然，溫度升高會(huì)導(dǎo)致壓力升高。這種壓力增加將導(dǎo)致單層的局部膨脹——在足夠低的壓力下，系統(tǒng)局部甚至可能進(jìn)入純氣相。由于海槽的未擾動(dòng)區(qū)域比擾動(dòng)區(qū)域大許多數(shù)量級(jí)，因此很容易進(jìn)行局部擴(kuò)展。在激光點(diǎn)處，系統(tǒng)處于極低密度氣相，SFG信號(hào)可能低于我們的檢測(cè)限。在這種平衡熱力學(xué)情況下，對(duì)于氣體和液體膨脹狀態(tài)的整個(gè)共存區(qū)域，預(yù)計(jì)不會(huì)出現(xiàn)SFG信號(hào)。系統(tǒng)將局部降低其壓力，并且系統(tǒng)處于完全氣態(tài)的激光光斑處。然而，我們的數(shù)據(jù)（圖2b）表明，這一步驟可能已經(jīng)出現(xiàn)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(xiàn)。在低紅外通量下，加熱不再足以使相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀唷?

移動(dòng)單層上的SFG測(cè)量：SFG光譜的密度依賴性。為了獲得低表面活性劑密度下的“真實(shí)”表面SFG響應(yīng)，我們?cè)谛D(zhuǎn)槽中進(jìn)行了SFG實(shí)驗(yàn)，如圖5所示。樣品以這樣的方式旋轉(zhuǎn)：在激光焦點(diǎn)處，樣品以～0.06 m/s，在這種情況下，穩(wěn)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(zhuǎn)槽而不旋轉(zhuǎn)槽。裸水界面和非旋轉(zhuǎn)槽的SFG信號(hào)相同。通過(guò)旋轉(zhuǎn)槽，出現(xiàn)CH信號(hào)，水信號(hào)增加。信號(hào)的出現(xiàn)是轉(zhuǎn)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(duì)非聚焦的紅外光束（束腰～500μm）。轉(zhuǎn)速過(guò)低時(shí)，仍然看不到SFG信號(hào)；用于將脂質(zhì)從病灶中排斥的激光誘導(dǎo)流量仍然過(guò)高。在高密度下，信號(hào)形狀和強(qiáng)度與槽是否旋轉(zhuǎn)無(wú)關(guān)（圖5b）。圖5c描繪了當(dāng)水槽持續(xù)旋轉(zhuǎn)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DPPC密度的增加，CH和H鍵OH信號(hào)緩慢而連續(xù)地增加，而自由OH信號(hào)也平穩(wěn)地減少。

圖5。（a）DPPC在水上以230?2/分子（黑色）和不旋轉(zhuǎn)（紅色）槽的SSP極化的SFG光譜。樣品以這樣的方式旋轉(zhuǎn)：在激光焦點(diǎn)處，樣品以～0.06 m/s。不旋轉(zhuǎn)時(shí)，光譜與水相同?空中接口（藍(lán)色）。（b）在高密度（每個(gè)分子50?2）下，旋轉(zhuǎn)（黑色）和非旋轉(zhuǎn)（紅色）之間沒(méi)有區(qū)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(shù)量控制。彩色方塊標(biāo)記了圖6中使用的積分區(qū)域。本實(shí)驗(yàn)中使用了相對(duì)較低的紅外注量（1.5 mJ/cm2）。

圖6。（a）DPPC的CH信號(hào)（綠色）、Hbonded OH信號(hào)（藍(lán)色）和游離OH信號(hào)（紅色）的表面壓力（黑色，左軸）和積分SFG強(qiáng)度（右軸）作為每個(gè)分子面積的函數(shù)。數(shù)據(jù)點(diǎn)是通過(guò)整合特定光譜區(qū)域獲得的，該區(qū)域由圖5的光譜中的彩色方塊標(biāo)記。純水層的CH、OH和游離OH面積（在表面活性劑攤鋪前測(cè)量）分別表示為綠色、藍(lán)色和紅色圓點(diǎn)。為清晰起見(jiàn)，集成SFG信號(hào)已被標(biāo)準(zhǔn)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(duì)振幅/帶寬比（|A/Γ|），通過(guò)使用洛倫茲線型模型擬合圖5中的數(shù)據(jù)獲得。（c）和b一樣，但是對(duì)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(qiáng)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(shù)。CH強(qiáng)度隨著表面DPPC分子數(shù)量的增加而非線性增加。水信號(hào)持續(xù)增加，而自由OH信號(hào)隨著表面分子數(shù)量的增加而持續(xù)減少，正如預(yù)期的那樣，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到液體膨脹相時(shí)，27達(dá)到零值。原則上，在氣相和液相膨脹相的共存區(qū)（如上～每個(gè)分子100?2），人們可能會(huì)看到波動(dòng)的SFG信號(hào)，因?yàn)闅庀嗖话l(fā)出信號(hào)，而液相膨脹相發(fā)出信號(hào)。用二次諧波發(fā)生器28和橢偏儀觀察到了這種波動(dòng)信號(hào)。29然而，此處未觀察到這些波動(dòng)，因?yàn)槌尸F(xiàn)的SFG光譜平均超過(guò)10分鐘，這在磁疇擴(kuò)散的時(shí)間尺度上很長(zhǎng)，發(fā)生在數(shù)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(shù)。通過(guò)比較在不同通量下測(cè)得的高壓（高脂密度）下脂層的兩個(gè)SFG光譜（圖7），在CH峰處觀察到差異，而水帶大致相同。在相對(duì)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(qiáng)度（2880和2950 cm?1）與低通量測(cè)量相比，相對(duì)于水而言，低通量測(cè)量。這兩個(gè)觀察結(jié)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(dǎo)致更多的凹凸不平的缺陷，因此存在CH2峰和CH3信號(hào)減弱。顯然，激光的重復(fù)激發(fā)導(dǎo)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?yàn)閷?shí)驗(yàn)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(jié)論，在高通量情況下，樣品的穩(wěn)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(jì)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(duì)于低通量情況（頂部面板），穩(wěn)態(tài)溫升不超過(guò)18°C，因?yàn)槲覀內(nèi)匀豢梢钥吹接行虻奈膊?，通過(guò)停止槽的旋轉(zhuǎn)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(duì)光譜進(jìn)行了偏移，并根據(jù)相對(duì)紅外強(qiáng)度進(jìn)行了縮放。注意，由于在高通量下發(fā)生的熱效應(yīng)，形狀非常不同。這兩種光譜都是用非旋轉(zhuǎn)槽測(cè)量的。

此外，激光的熱效應(yīng)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(qū)。這可以通過(guò)掃描C?H和O?H拉伸區(qū)域：在低頻時(shí)，紅外強(qiáng)度高于高頻時(shí)，導(dǎo)致在C中的界面處積聚更多的熱量?H區(qū)比O區(qū)小?H區(qū)域（見(jiàn)附錄）。請(qǐng)注意，與穿透深度相比，激光發(fā)射之間的熱擴(kuò)散發(fā)生在較大的長(zhǎng)度范圍內(nèi)，因此只有激光強(qiáng)度（而不是穿透深度）與穩(wěn)態(tài)溫度升高相關(guān)（參見(jiàn)附錄圖9）。一旦紅外光源達(dá)到低頻（C?H區(qū)域），由于更大的熱梯度，由于流動(dòng)，脂質(zhì)被更有效地運(yùn)走。如果紅外頻率稍高，則累積熱量稍少，并且可以檢測(cè)到磁疇。這解釋了水信號(hào)的存在，但沒(méi)有CH信號(hào)。與Casson等人26在納秒紅外激光實(shí)驗(yàn)中的觀察結(jié)果一致，我們的數(shù)據(jù)表明，通過(guò)使用高強(qiáng)度飛秒紅外激光，必須注意由于樣品加熱導(dǎo)致的結(jié)果失真。在這兩種情況下，穩(wěn)態(tài)加熱主要負(fù)責(zé)觀察到的畸變，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(xù)壓縮單分子層，直到達(dá)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(shù)（紅色，右軸）。（b）水上DPPC的表面壓力（黑色，左軸）和橢圓系數(shù)（紅色，右軸）是每個(gè)分子面積的函數(shù)。通過(guò)逐滴添加更多DPPC，每次滴加間隔幾分鐘，改變了該區(qū)域。以這種方式達(dá)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(shù)（對(duì)于一個(gè)特定實(shí)驗(yàn)（紅色）和三個(gè)實(shí)驗(yàn)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(dá)到每分子45?2的面積，連續(xù)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(shù)（紅色，右軸）。在噴灑表面活性劑之前測(cè)量的純水橢圓度在每個(gè)面板中以藍(lán)色圓點(diǎn)表示。

橢偏儀。有趣的是，在橢偏儀中，當(dāng)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(fù)觀察到橢圓系數(shù)的一個(gè)步驟。14?18此處也觀察到同樣的情況：在圖8a中，描述了作為DPPC每個(gè)分子面積函數(shù)的橢圓系數(shù)以及同時(shí)測(cè)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(dāng)?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，觀察到與SFG數(shù)據(jù)中類似的步驟，但該步驟出現(xiàn)在每個(gè)分子的不同面積，95 vs 85?2。對(duì)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(yàn)相反，SFG實(shí)驗(yàn)中每個(gè)分子20?2（圖2c）。與SFG實(shí)驗(yàn)相反，橢偏儀實(shí)驗(yàn)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(yīng)而出現(xiàn)的Marangoni流細(xì)胞作為信號(hào)階躍的原因。使用IR附錄中給出的相同表達(dá)式計(jì)算的溫升在1s內(nèi)低于0.001°C。值得注意的是，如果橢偏儀實(shí)驗(yàn)以不同的方式進(jìn)行，不是在連續(xù)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(shù)的表現(xiàn)非常不同（圖8b）：橢偏系數(shù)中不存在不連續(xù)性。我們注意到，與這些橢偏測(cè)量結(jié)果相比，SFG結(jié)果與單層的制備方式無(wú)關(guān)。對(duì)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(shù)也明顯不同于純水的橢圓度系數(shù)。每個(gè)分子高達(dá)300?2左右，該值波動(dòng)，因?yàn)榇笮∨c激光光斑大小相當(dāng)?shù)囊后w膨脹疇在周?chē)?dòng)。我們可以預(yù)期，在對(duì)多個(gè)實(shí)驗(yàn)取平均值后，該系數(shù)將隨著密度的增加而線性增加，在這種情況下，我們可以看到一個(gè)實(shí)驗(yàn)的波動(dòng)。事實(shí)上，從圖8b插圖中的灰線可以看出，平均三次實(shí)驗(yàn)接近這種線性關(guān)系。在較高密度下，從～每個(gè)分子300到90?2，當(dāng)系統(tǒng)仍然處于氣相和液相膨脹相共存時(shí)，橢圓度系數(shù)是平的。在較低密度下，其上升方式與壓縮下觀察到的相似（圖8a）。這兩種實(shí)驗(yàn)的主要區(qū)別在于允許系統(tǒng)放松和平衡的時(shí)間。在第一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，在連續(xù)壓縮下，快速添加DPPC溶液，直到每個(gè)分子的面積達(dá)到130?2。在第二個(gè)實(shí)驗(yàn)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，依此類推。Ducharme等人14之前曾觀察到壓縮實(shí)驗(yàn)中低密度平臺(tái)的開(kāi)始取決于初始表面密度。他們認(rèn)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(cè)量中活躍的層；i、例如，分子在與表面法線類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(yùn)動(dòng)中受到限制，并陷入亞穩(wěn)狀態(tài)，沒(méi)有或只有很少的界面雙折射，橢偏儀對(duì)此非常敏感。在高初始密度下，表面活性劑層內(nèi)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(yù)計(jì)約為300?2，即平放DPPC分子的面積。對(duì)于這種在橢偏儀中不提供任何對(duì)比度的初始動(dòng)力學(xué)冷凍單層，需要顯著的分子間相互作用（隨著單層被壓縮而變得更重要）來(lái)誘導(dǎo)脂質(zhì)分子的集體排列。我們的觀察結(jié)果與Ducharme等人的假設(shè)完全一致：對(duì)于緩慢制備的層，平臺(tái)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(duì)于初始表面覆蓋率為每分子130?2的層，臺(tái)階出現(xiàn)的密度要高得多。有趣的是，橢偏系數(shù)在每分子約300?2的范圍內(nèi)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(shù)是完全平坦的。然而，BAM結(jié)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(dāng)有效折射率或?qū)雍穸葴p小時(shí)，這些結(jié)果才能相互一致。使用洛倫茲線型模型（參見(jiàn)，例如，參考文獻(xiàn)4）對(duì)旋轉(zhuǎn)槽（圖5）獲得的SFG結(jié)果進(jìn)行擬合表明，在橢偏系數(shù)恒定的相同密度區(qū)域，CH2對(duì)稱拉伸振動(dòng)的振幅也是平坦的。擬合結(jié)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(shù)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(shù)和CH2對(duì)稱拉伸振動(dòng)的SFG信號(hào)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(hào)的不連續(xù)性，但起源似乎不同。在SFG測(cè)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(qiáng)調(diào)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(qū)動(dòng)分子進(jìn)入激光焦點(diǎn)的擴(kuò)散力。發(fā)生這種情況的密度，以及SFG信號(hào)出現(xiàn)的位置，以與等溫線類似的方式取決于表面活性劑的類型。壓縮時(shí)，壓力越早偏離零，在壓縮等溫線中觀察到從無(wú)SFG信號(hào)到信號(hào)的步驟越早。我們想強(qiáng)調(diào)的是，只有通過(guò)使用旋轉(zhuǎn)槽刷新激光脈沖之間的樣品，才能完全消除SFG實(shí)驗(yàn)中觀察到的臺(tái)階。只有在這種情況下，穩(wěn)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(zhuǎn)槽，可以在非常低的密度下測(cè)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(duì)該層造成相同程度的干擾。橢偏儀中的步驟起源于亞穩(wěn)狀態(tài)，該狀態(tài)發(fā)生在初始脂質(zhì)密度過(guò)高時(shí)。對(duì)于這樣一個(gè)系統(tǒng)，它需要大量的壓縮來(lái)誘導(dǎo)分子從不可見(jiàn)的無(wú)序態(tài)轉(zhuǎn)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(duì)齊尾到對(duì)齊尾的過(guò)渡（負(fù)責(zé)橢偏測(cè)量中的步驟）不能解釋SFG情況下觀察到的行為，因?yàn)槿绻砻婊钚詣┑奈矊?duì)齊，則氫鍵和游離OH的水信號(hào)不應(yīng)顯示一個(gè)步驟。

結(jié)論

我們已經(jīng)闡明了在表面活性劑單分子膜的SFG實(shí)驗(yàn)中觀察到的信號(hào)隨表面活性劑密度的函數(shù)突然增加的原因。我們通過(guò)測(cè)量水信號(hào)證明，表面活性劑被激光脈沖從探測(cè)區(qū)域置換。旋轉(zhuǎn)槽的使用避免了樣品的穩(wěn)態(tài)加熱導(dǎo)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(nèi)測(cè)量DPPC水上CH和OH區(qū)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(tuán)的振動(dòng)：脂質(zhì)有序，沒(méi)有粗糙缺陷。水信號(hào)持續(xù)增加，直到達(dá)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(zhuǎn)槽，則在密度非常高的情況下不會(huì)檢測(cè)到SFG信號(hào)，因?yàn)橐后w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(qū)域，結(jié)合紅外激光束，可能能夠可視化穩(wěn)態(tài)加熱的效果。

附錄

單次激發(fā)的溫升可以根據(jù)給定頻率下的光束尺寸和吸收截面來(lái)計(jì)算。根據(jù)參考文獻(xiàn)31，朗伯吸收系數(shù)為α（λ）=4πk（λ）/λ，其中λ為光的波長(zhǎng)，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(qiáng)度I0到入射點(diǎn)距離l處的剩余強(qiáng)度I為I/I0=e?α*l，可以容易地計(jì)算出界面區(qū)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(yàn)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(xì)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(dá)到19 K，而在CH區(qū)域（在～2940厘米?1與～6μJ IR）上升為2 K，50%穿透深度為10μm。對(duì)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(dǎo)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(duì)可見(jiàn)光光束的相同計(jì)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(jì)。

然而，本文中描述的效應(yīng)不是由單次激發(fā)引起的，而是由穩(wěn)態(tài)加熱引起的。假設(shè)水的熱擴(kuò)散系數(shù)為1.11×10?3 cm2/s，假設(shè)垂直于水面的一維熱擴(kuò)散，可以計(jì)算出在1 ms（兩次激光發(fā)射之間的時(shí)間）內(nèi)，熱擴(kuò)散距離界面約20μm。更準(zhǔn)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(kuò)散長(zhǎng)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(qū)域）在低頻下產(chǎn)生更多穩(wěn)態(tài)熱。在CH和OH振動(dòng)激發(fā)后的兩個(gè)不同時(shí)間，從此類計(jì)算中獲得的熱分布如圖9所示。

圖9。對(duì)于與CH（綠色）或OH（藍(lán)色）振動(dòng)共振的紅外光束，溫度隨著進(jìn)入水層的深度而升高。實(shí)線和虛線分別表示t=0和t=1 ms。插圖顯示了相同的圖形，但帶有擴(kuò)展的yaxis。

作者信息

筆記

作者聲明沒(méi)有相互競(jìng)爭(zhēng)的經(jīng)濟(jì)利益。

致謝

這項(xiàng)工作是“材料研究基金會(huì)（FOM）”研究項(xiàng)目的一部分，該項(xiàng)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(duì)橢偏儀實(shí)驗(yàn)的幫助，并非常感謝Ron Shen、Colin Bain和Harald Pleiner的許多有益討論。