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液晶的性质及其在生物方面的应用
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液晶的性质及其在生物方面的应用 摘要：本文对液晶的发展史、性质、分类和应用进行了综述。着重介绍液晶的光学性质和在 生物体内以及医药方面的应用。 关键词：液晶、性质、生物、医药、应用 1 液晶概述 1.1 液晶简史 我们通常把液晶的发现归功于奥地利植物学家瑞尼泽尔（Friedrich Reinitzer）。1888 年， 瑞尼泽尔在观察与胆固醇有关的有机物的熔融行为时，提到此物质具有两个熔点。在145.5 ℃它溶解成一种混浊的液体，而在178.5℃时这种混浊液体便成了透明的液体。在冷却过程 中，一种蓝色短暂的出现在透明的液体变混浊时，而一种蓝紫色则出现在混浊的液体晶化之 前的瞬间。 瑞尼泽尔百思不得其解，于是给德国物理学家，相变方面的专家莱曼（Otto Lehmann） 送去一些样品，莱曼用他的热台偏光显微镜观察到其流动性类似于液体，而光学性质又类似 于固体，这些特征的结合使莱曼最终把这类物质称为液晶。 第二次世界大战后对液晶的兴趣几乎全然消失，但在1960 前不久情况开始有了变化， 这时由少数人对液晶进行了全面的再次审视，希望能进一步了解它们的分子结构、光学性质 以及技术应用的可能性。人们很快知道了液晶物质具有检测非常小的温度变化、机械应力、 电磁辐射以及化学环境的能力，这样通向许多可能的应用的大门打开了。1968 年美国无线 电公司的两名科学家演示了施加电压时，液晶薄层可以从混浊态切换到透明态，这是第一个 液晶显示器（LCD），随后液晶又被用作探测某些物质的溶剂或介质，这一阵的活动产生的 液晶显示器，广泛的应用于手表、计算器、时钟、个人计算机、 袖珍电视、汽车仪表盘以及能够从透明变成不透明的窗户中。其 他应用包括液晶温度计以及热敏薄膜、高强度液晶聚合物以及用 于油回收工艺的表面活性剂。我们对液晶相理解的进展还有助于 我们对细胞膜以及某些疾病如镰刀性细胞贫血症和动脉硬化的了 图1 解。[1] 1.2 液晶的定义和性质 液晶，顾名思义，是一种介于固态与液态之间的物相，又称为介晶相。它具有长程有 序短程无序的特性。 液晶最基本的、区别于固态的性质是流动性，但液晶又与液体有显著的不同——液晶 是浑浊的。我们知道晶体是具有位置有序性的，即晶体的分子只能在所占据的一定位置上振 动。此外，在这些特定位置上，分子还受到制约，使得它们彼此间还有一定的取向。因此我 们说固相还有取向有序性。当固体熔化成液体时，这两种有序性完全丧失，分子可以随意的 移动和转动。可是当固体熔融成液晶时，可能失去了其位置有序性而保留了某些取向有序性。 在液晶中，分子以和在液体中大体相同的方式自由的来回运动，所以液晶具有流动性。但是 当它们这样做时，仍倾向于保持某个确定的取向，这个取向有序性并不像固体中那样严格和 完美，事实上液晶中的分子沿着取向方向的时间只比其他一些方向稍微多一点。这种对取向 有序性的部分保留导致了它具有特殊的光学性质，[1]典型的有双折射、旋光性和选择反射性。 双折射：当一束具有x 偏振和y 偏振的光入射到一种双折射物质的表面时，光束分成 两种偏振组，相互成直角振动，并以不同的速度进行。这些组分具有不同的折射角，并且是 平行的。如图2。 图2 旋光性：胆甾型液 晶具有独特的旋光性， 这就是具有改变偏振光 振动方向的能力。旋光 性是由层状结构引起 的。[2]如图3。 选择反射性：如果 具有各种不同波长的光 入射到胆甾型液晶上， 其中大部分光将以某种 旋光性而透射过去---除 了那些在液晶中波长等 于螺距（胆甾型液晶相 邻两层平面的取向方向 改变一固定的角度，形 成一种螺旋状结构，分 子排列方向相同的两层 之间的距离称为螺距， 图3 如图）的光，这个现象 叫做选择反射。因为只有一个波长的光被反射。如果这个波长落在可见光范围，光就将呈现 一种特定的颜色。由于这个原因胆甾型液晶在反射中常常显示出来明亮的色彩，该色彩完全 由液晶的螺距决定。[1] 图4 电子显微镜下的液晶结构 1.3 液晶的分类 依据液晶的形成方式，可将液晶分为热致液晶和溶致液晶。把某种物质加热、冷却的得 到的液晶叫做热致液晶；把某种物质中加入溶剂使其溶解得到的液晶叫做溶致液晶。热致液 晶的组成只有一种物质，大部分是有机物，在高温时是各向同性的液体，低温时是各向异性 的固体。[2] 溶致液晶至少要有两种物质组成，其中之一是溶剂。它广泛存在于自然界特别 是生物体组织内，所以在生物化学和生物物理学仿生学等领域十分引人注目。可以说多数生 物体组织例如脑、神经、肌肉、血液等于生命现象关系密切的主要组织就是由溶致液晶结构 构成的。生物体中的知觉作用和信息传递、新陈代谢等生命现象与液晶结构可能也关系密切。 [3] 根据分子排列的有序性，液晶相分为三种：向列相（有序性最差），仅有沿分子长轴的 取向有序；近晶相，除沿分子长轴的取向有序外，还有一个沿某一方向的平移有序；胆甾相， 有序性最高。 近晶型液晶结构：在近晶型液晶中棒状分子形成层状结构，每个分子都垂直于层面，或于层 面成一定角度排列，并且不论是哪一种排列状态， 分子之间都是互相平行的排列的，这种排列的分子 层之间的 作用力比较弱，相互之间容易滑动，因而近晶型液 晶呈现二维流体的性质。此类液晶与通常液体相比具 有高粘度的特性。[7] 向列型液晶结构：分子是长棒状，棒状分子保持与分子轴方向相平行的排列状态，但没有近 晶型液晶那种层状结构。向列型液晶黏度小，富于流动性。 胆甾型液晶结构：基于胆甾醇结构；分子的特点是长形、平形、棒形，带有柔软的尾端， 分子沿长轴排列，成层状；分子柔软的尾端使层与层之间产生扭曲，这种扭曲使液晶带有颜 色。 图6 图5 近晶A 近晶C 2 液晶的生物应用 2.1 液晶与生物结构 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。 在组织结构和生物化学功能方面，液晶也起了作用。例如细胞膜就是很好的例子。如 图7。细胞膜的主要组分是磷脂，蛋白质和胆甾醇，围绕在膜周围的水也可以作为膜的一个 主要组分。由于类脂的层状溶致液晶结构特点，使细胞膜的分子排列具有层状液晶相的二维 结构。 细胞膜的这种层状结构不是刚性的实体，但可以是致密的堆积，致密堆积的层状体系表 现出双折射特征，但这种双折射现象在间隔较宽和有序性较差的体系中不明显。磷脂在膜中 处于凝胶态还是液晶态，对膜的功能有显著的影响，因为当磷脂处于液晶态时，小分子可以 相当容易地透过膜，即膜具有较好的渗透性。 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 图7 磷脂双分子层双亲结构 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分敏感。 由此可见，生物体中的液晶态现象极为普遍。 2.2 液晶的医药应用 在健康的生物体系中，分子的液晶相广泛存在于许多组织结构中，当液晶遭到破坏而发 生液晶的聚集沉淀时，生物体即处于病态，这常常是由于特殊分解代谢酶的缺少，使某些类 脂的代谢平衡受干扰而导致类脂的聚集，从而破坏了细胞的功能所致。 类脂中的磷脂和胆甾醇及其酯是天然存在的。胆甾醇由于双亲性质，在磷脂双层内有很 高的溶解度。但是当胆甾醇的浓度超过它在类脂双层或胶团中的溶解度极限时，便以胆甾醇 -水合结晶沉积。这种沉淀发生在人类的某些疾病中，最值得注意的是动脉粥硬化和胆石症。 此外，由于分子液晶序的破坏，还引起其他的疾病，如癌等。 动脉粥硬化是一种造成死亡的常见病。这种疾病是随着过剩的胆甾醇在动脉内膜中积累 开始的。当内膜被胆甾醇饱和时，它的特性开始改变，并积累胆甾醇酯这种积累到一定量时， 造成脂肪条纹损伤。早期的脂肪条纹损伤被当作纤维状类脂。它至少出现两种构相：被胆甾 醇或胆甾醇酯饱和的类脂层状相和被胆甾醇饱和的油状相。对粥样硬化斑点的整个组织剖析 的结果表明，除上述两相外，还存在第三相，即胆甾醇-水合晶体。如果发现存在胆甾醇晶 体，说明发生了严重的动脉粥样硬化。 癌症主要是正常组织的功能发生变异引起的。造成细胞变异的原因很复杂，究竟是由于 类脂相液晶性质的改变，还是由于含有凝集素蛋白质分子彼此引力增加所造成的，目前仍不 清楚。但是表面液晶相的破坏显然对解释恶性细胞的表面性质是重要的。 由于液晶十分敏感，外界条件有细微变化，液晶就会作出反应。这 一特性与液晶的指向矢敏感的响应与各种类型的变化有关。它对热、光、 磁的灵敏度十分惊人，据实验测定，液晶对摄氏十分之一度的温度变化 也会作出反应。有的液晶只要用手一摸，就会出现花纹。它对光、磁也 如此，例如，人们已制出一种液晶玻璃，它会根据光的强弱呈现透明或 昏暗状。科学家正是根据液晶的敏感而制成诊断仪。因为人体组织都有 一定的温度和磁场，诊断仪会把人体组织的温度、磁场等细微变化的情 图8 况向医生报告。如果经检测超过某一正常值，那么就可以肯定某一组织 出了毛病。例如，恶性癌区以热点的形式被检查出来，死细胞和动脉梗塞以冷点的形式被检 查出来。如图8。 在药物生产中,溶致液晶用作囊壁材料将药剂封成胶囊,这样即可避免在消化过程中受 到酶的破坏,又可将药物控制传输到生物体的特定部位,在那里液晶的外壳溶解释放出药物, 从而达到靶相给药的目的。用溶致液晶包裹的药物,可以通过控制溶致液晶的挤压速度来调 节药物的释放速度和在体内的溶解能力。这样使生物体内药物的浓度保持相对恒定,以减少 生物体在用药物后由于药物浓度的急剧增加而产生的有害影响。[6] 小结： 液晶这一特殊的甚至神奇的物相还有许多不被我们了解的方面，他在生物领域、 病情诊断以及医药领域的前景不可限量。大自然赋予我们这样的奇迹，应该得到我们充分的 关注和重视。 参考文献： 1、彼得.J.柯林斯 ，《液晶——自然界中的神秘物象》，上海：上海科技教育出版社 2、G.H.布朗、J.J.伏尔肯，《液晶与生物结构》，北京：科学出版社 3、《国外液晶及其应用》，上海：上海科学技术情报研究所，1971 4、周其凤、王新久，《液晶高分子》，北京：科学出版社，1994。 5、http://www.tclc.com.cn，清华液晶中心网站。 6、田晓红、蒋青、谢明贵，《化学研究与应用》，2002，14：119 7、松本正、，角田市良，《液晶的最新技术-物性·材料·应用》，北京：化学工业出版社 [ Last edited by huyuchem on 2006-7-14 at 23:54 ] |
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