Optical trapping of nanometer-sized lipid vesicles has been challenging due to the low refractive index contrast of the thin lipid bilayer to the aqueous medium. Using an “optical bottle”, a recently developed technique to measure interactions of nanoparticles trapped by an infrared laser, we report, for the first time, quantitative measurements of the trapping energy of charged lipid vesicles.
We found that the trapping energy increases with the relative amount of anionic lipids (DOPG) to neutral lipids (DOPC) in vesicles. Moreover, as monovalent salt is added, the trapping energy rapidly approaches zero, and this decrease in trapping energy strongly depends on the amount of anionic lipids in vesicles. A simple model with our experimental observations explains that the trapping energy of charged lipid vesicles is highly correlated with the surface charge density and electric double layer.
Also we found that the repulsive interactions between vesicles with the relative amount of charged lipids by measuring the second virial coefficient B2 of various lipid vesicles. This implies that the electrostatic potential energy between vesicles determine the interactions. Moreover, this repulsive interaction is saturated over a certain charged lipid ratio and we conclude that this feature is related with the maximum effective charge of a lipid vesicle.
나노미터 크기를 갖는 인지질 vesicle의 광학 trapping은 vesicle이 물과 크게 차이가 나지 않는 굴절률을 가진 얇은 막으로만 이루어져 있다는 점에서 쉽지 않은 일이었다. 최근 개발된 optical bottle 실험 기법을 이용하여 우리는 처음으로 전하를 띄고 있는 인지질 vesicle의 광학 trapping 에너지를 정량적으로 측정하였다.
우리는 전체 인지질 중 전하를 띄고 있는 인지질 (DOPG) 의 양이 증가할수록 레이저에 의해 trapping이 더 잘 되는 것을 발견하였다. 그리고 전해질이 추가되면 trapping 에너지가 급격하게 감소하여 0이 되는 것을 보았고 이 현상 또한 전하를 띄고 있는 인지질의 양에 따라 달라지는 것을 관찰하였다. 실험적인 결과를 바탕으로 간단한 이론적인 모델을 세웠고 이를 통하여 전하를 띄고 있는 인지질 vesicle의 광학 trapping 현상은 표면 전하 밀도와 표면 근처의 전하 구름이 중요한 역할을 한다는 것을 밝혀내었다.
또한 우리는 다양한 인지질 vesicle의 2차 virial 계수를 측정함으로써 vesicle 사이의 반발력이 전하를 띄고 있는 인지질의 비율이 높아질수록 증가한다는 것을 정량적으로 분석하였다. 이것은 vesicle 사이의 상호작용이 정전기적 현상에 의해 결정된다는 것을 의미한다. 또한 이러한 반발력이 전하를 띈 인지질의 비율이 특정 값을 넘어가면서 포화된다는 것을 발견하였고 이는 콜로이드의 최대 유효 전하량과 관련 있는 현상이다.
