自組裝單分子膜的制備及其在電分析化學中的應用*

王都留 楊建東

(隴南師范高等專科學校生物與化學系 甘肅成縣 742500)

隨著科學技術的發展，對材料的研究正致力于采用“自下而上”的構筑方式來代替傳統的“自上而下”的微加工技術，分子自組裝正是適應這樣一種趨勢而產生的新技術。分子自組裝的最基本層次是以有機分子為基本模塊單元(building blocks)的。在生命體系中，大量復雜、具有生物學功能的超分子系統(蛋白質、核酸、生物膜、脂質體等)正是通過分子自組裝形成的。有機化合物分子除通過化學鍵結合之外，在分子間還存在弱的相互作用，如氫鍵、靜電作用、范德華力、π-π之間的相互作用等。這些相互作用在形成分子自組裝時扮演重要的角色，可以形成一定結構、較穩定、具有某種特定功能的分子聚集體或超分子結構。這些由特殊功能分子聚集體形成的納米材料在分子器件、生物傳感等領域具有潛在的應用價值。

自組裝單分子膜(self-assembled monolayers，SAMs)是分子通過化學鍵相互作用自發吸附在固/液或氣/液界面形成的熱力學穩定和能量最低的有序膜[1]。與其他單層膜相比，自組裝膜有序度高、缺陷少、能量低；易于用物理和化學技術進行研究。自組裝膜提供了在分子水平上設計表面結構來獲得預期的界面物理和化學性質，而且為在二維或三維水平上組裝復雜界面提供了強有力的工具，因此是研究各種表面和界面復雜現象的模型體系。

1 自組裝膜研究現狀及特點

自組裝單分子膜(SAMs)是近20年來發展起來的一種新型有機超薄膜。1946年，Zisman[2]最早將表面活性劑分子利用自組裝吸附在金屬電極表面，形成單分子層。但是這一開創性的工作當時并沒有引起人們的注意。直到1983年，Nuzzo和Allara[3]利用烷基硫醇將二硫化物從稀溶液吸附在金電極上后，在金屬表面的自組裝研究才引起人們廣泛關注。各種類型的自組裝體系也隨之出現，如硫醇鹽、硫化物等分子被自組裝到各種金屬表面(Au、Ag、Cu、Pt、Ni)[4-5]和硅原子通過氧化硅[6]、有機酸或雙親分子連接在金屬氧化物表面(如Al/Al2O3、PtO、TiO2、ZrO2)等[7]。在上述各類自組裝體系中，烷基硫醇分子與金表面的自組裝是目前研究最廣泛、最徹底的自組裝體系(圖1)。Whitesides研究小組在自組裝膜研究方面做了系統、開創性的工作[8-9]。一般而言，自組裝單分子膜(SAMs)具有以下主要特征：(1) 原位自發形成；(2) 熱力學穩定；(3) 覆蓋度高，缺陷少；(4) 分子有序排列；(5) 可人為設計分子結構和表面結構來獲得預期的界面物理和化學性質；(6) 簡單易得。

圖1 金(111)面烷基硫醇自組裝膜的結構示意圖[4]

2 自組裝單分子膜制備的影響因素

在利用自組裝膜進行的電化學研究中，電極表面的預處理方法、組裝過程中的實驗條件都會對自組裝膜電極的結構和性質產生很大影響，比如固定技術、組裝液濃度、組裝溫度等。

2.1 電極預處理

電極表面的形貌和粗糙度直接影響電極表面的自組裝過程，并最終決定形成的自組裝膜的性質。因此,在對電極表面進行修飾之前，必須對電極進行預處理。一般是通過加熱、機械打磨、化學處理等手段進行預處理，使電極表面變為具有反應活性的清潔的新界面。Hogvliet[10]利用電化學方法對多晶金電極進行預處理。研究發現，在電極可重復性方面，利用脈沖電化學處理方法比機械打磨能更有效地減少電極表面的粗糙度。Carvalhal[11]等研究了不同的表面處理方法對金電極電化學響應的影響。發現Al2O3粉末機械打磨、H2SO4/H2O2的化學氧化、電化學拋光、乙醇的化學還原等方法均能改變金電極的表面特性，并利用電解液中Fe2+/Fe3+氧化對測試巰基丙酸的自組裝膜，對上述各種處理方法的效率進行比較。研究表明，硫醇類自組裝膜(Thiol-SAMs)對電化學響應能力的提高不僅與金電極實際面積的增加有關，而且與預處理過程中電極表面狀態有關。Burgess和Howlividge[12]利用氧等離子體、紫外照射、化學表面腐蝕處理后發現，形成十八烷基硫醇自組裝膜的速率可提高幾個數量級。

2.2 固定技術

通常，金屬電極的表面修飾只是簡單地將電極浸泡在組裝液中24小時，就認為形成了飽和自組裝膜修飾電極。在組裝過程中，分子吸附在電極表面通常被認為發生了兩個過程[13-14]：首先，在開始的幾分鐘內發生的是一個快速的分子吸附過程，膜厚度的80%～90%將在這一過程完成；隨后發生的是一個較緩慢的過程，約為10～20小時，在這一過程中，膜的厚度和潤濕性均達到平衡。形成飽和的、高覆蓋度的自組裝膜一般要將電極浸泡在溶液中超過24小時[15]，當然浸泡電極的時間也與自組裝膜的用途有關。但是這種浸泡的方法對于生物分子的多層組裝存在不足。另一種簡單、有效、快速、便捷形成高覆蓋度自組裝膜的方法是直接滴涂法[16]，將定量的沉積液滴在干凈的金電極表面，約20分鐘使其變干。基于這樣一種簡單、快速的固定方法，Akram[17]等在金電極表面獲得細菌蛋白的自組裝膜。與浸泡方法相比，此法形成的自組裝膜有更低的雙電層電容。由此可以看出，直接滴涂的方法不僅可以得到穩定的自組裝膜，而且可以縮短自組裝膜的制備周期。

另外，自組裝膜的吸附、脫附和結構也與電極電位有關。自組裝動力學與電極電位的變化有關[18-20]，自組裝膜結構的可逆性變化也與電極電位有關[21]，如烷基硫醇形成的自組裝膜的吸附或脫附很容易通過控制電極電位來實現，所以這也是制備微陣列電極的一種方法。

2.3 溫度

溫度是影響自組裝膜結構和電化學性質的另一個重要因素。研究表明：帶有功能基團的SAMs表現出復雜的相互作用。比如靜電作用[22]、高覆蓋層引起的空間位阻[23]和氫鍵作用等[24]。這些作用在很大程度上都與溫度有關[25]，因此溫度的變化會改變SAMs的結構和性質。比如溫度降低時，SAMs和電解液中氧化還原電對之間的膜電容和電子轉移速率會降低。Murray研究小組[26]在超低溫下考察了不同電極(金、銀和超導電極)形成以及電活性自組裝膜的電化學動力學。研究表明溫度維持在低溫區的時間越長，電極表面化學吸附的烷基硫醇SAMs就越穩定；另外也發現異相電荷轉移動力學也依賴溫度變化。

3 自組裝單分子膜的表征

目前有很多技術和方法用來表征自組裝單分子膜,大致可分為電化學方法和非電化學方法(或稱為物理方法)。電化學表征主要是通過研究探針分子與電極表面修飾劑發生相關的電化學反應產生的電流、電壓、電容和時間等參數間的關系來表征自組裝膜。電化學方法的表征可以方便、快捷地給出SAMs的界面結構和性質的直接信息。其中由電容法、阻抗法可獲得膜電容、膜電阻等信息。常見的電化學方法主要有以下幾種：

(1) 循環伏安法(CV)。循環伏安表征又可分為電容表征、阻礙效應表征以及還原解析表征等。例如利用電容表征法對金電極表面的巰基卟啉自組裝膜的表征[27]，由于膜電極的電容隨膜厚度的增加而線性減少，所以可利用這一關系對電極表面形成的自組裝膜進行表征。在眾多表征膜結構方法中，循環伏安是一種較靈敏的電化學方法，該方法能直接給出關于膜結構中存在的針孔和膜缺陷等信息。董紹俊等人[28]利用循環伏安法結合膜的阻礙效應對金電極表面自組裝進行了電化學表征。Porter等人[29]利用烷基硫醇的解析還原對其在金電極表面形成的自組裝膜進行了表征，通過連續掃描可知烷基硫醇在KOH溶液中的逐步解離。該法不僅可以用來表征膜的形成，還可用于處理電極等。

(2) 電化學交流阻抗(EIS)法。通過探針分子在不同膜引起的阻抗譜行為的變化，可以得出電荷傳遞電阻(Rct)和雙電層電容(Cap)以及膜層數之間的關系。當膜層較少時，擬合參數呈現不規律性的變化，而隨著層數增加，擬合參數顯示出很好的線性規律[30]。

(3) 掃描電化學顯微鏡(scanning electrochemical microscopy，SECM)。SECM是以電化學原理為基礎的一種掃描探針新技術。通過壓電控制器精確控制微探針(超微電極)在x、y、z3個方向自由運動，根據微探針電流變化可以實現基底形貌的反饋。它具有多種不同工作模式。其中電流反饋模式和產生收集模式是目前使用較為廣泛的主要模式[31]。SECM可以給出自組裝膜在基底表面的較高分辨率圖像，可以通過探針感應電流的大小來定量表征自組裝膜的覆蓋度。

除以上電化學方法表征自組裝膜以外，一些物理方法也被用于自組裝膜的研究。主要有：① X射線光電子能譜(XPS)。XPS在表征有機化合物單分子膜時不僅可給出有機膜中存在的元素，而且還可以提供有關元素的原子組成分析。此外，通過考察光電子的衰減波長，還可檢測單分子膜的厚度[32]。② 掃描電子顯微鏡(SEM)和原子力顯微鏡(AFM)。AFM能借助針尖與所觀察材料中逐個原子發生作用，是從原子水平上研究自組裝體系的最有力工具[33]。③ 掃描隧道顯微鏡(STM)[34]。STM不僅能夠觀察導體和半導體材料表面的形貌，而且能夠研究材料的局域物理和化學特性，能實現納米量級的改性以及加工，從而在納米科學與技術中發揮著越來越重要的作用。目前STM已成為表面科學、納米電子學、分子電子學和超高密度存儲器件研究中不可或缺的工具，在納米科技中占有舉足輕重的地位。④ 傅立葉變換紅外光譜(FTIR)[35]。⑤ 表面增強拉曼光譜(SERS)[36]。SERS是用于研究金屬表面吸附的有力工具，巨大的增強因子(數量級一般在104～106)使其具有亞單分子層的檢測靈敏度，大量的振動光譜信息可用來確定吸附分子的種類、吸附狀態取向等，在單分子膜的研究中有廣泛應用。

4 自組裝膜在電分析化學的應用

自組裝單分子膜在電分析化學領域顯示出巨大的優勢。主要表現在: 在分子水平上預先設計膜結構，獲得特殊的性能和功能，達到研究對象的目的。膜與研究對象的相互作用可通過對膜的預先設計和修飾達到最佳效果。另外，有序規則單分子膜提供了均相的電極表面，能有效避免電活性物質向電極表面的擴散。因此，SAMs 技術在電分析化學領域獲得了廣泛的應用。

4.1 化合物電化學性質研究

利用自組裝膜的活性基團，將具有氧化還原中心的化合物引入自組裝膜分子中，在電極表面形成特定的修飾層來研究這些化合物的電化學性質。常常研究的化合物有二茂鐵、偶氮苯、醌、染料及它們的衍生物等。另一類研究是將具有氧化還原中心的化合物共價鍵合在自組裝膜上，研究該氧化還原中心對其他電活性物質的電催化作用。醌、染料及其衍生物對生物分子(如蛋白質及其他小分子)的電催化研究最為廣泛。例如，John[37]等利用1,8,15,22-四氨基鎳酞菁形成的自組裝修飾電極研究了鎳酞菁對鳥嘌呤的催化性能。與裸玻碳電極相比，在腺嘌呤的干擾下，該自組裝膜電極表現出對鳥嘌呤良好的催化活性和選擇性；鳥嘌呤的氧化電流與它的濃度呈線性關系，檢測限可達到3×10-8mol/L。Cao[38]等構筑了基于杯芳烴的自組裝膜固定在石英微天平上(QCM),通過微天平的頻移響應來檢測甲醛分子的濃度,甲醛濃度與頻移表現出良好的線性關系。對照氣相色譜法，二者測試結果一致。該傳感器表現出良好的重現性和穩定性，可應用于生活環境中甲醛含量的檢測。

4.2 生物傳感器

利用自組裝膜技術將酶或具有活性的細胞組織固定在自組裝膜電極上，可制成對生物物質有選擇性響應的傳感器,對特定物質選擇性地產生電催化反應，并對產物進行檢測。酶固定在SAMs表面后，由于自組裝膜具有很高的致密性，常使酶催化反應產物無法在電極表面產生響應。這就需要在自組裝膜內固定一電子媒介，它參與電極表面反應，并且產生電信號響應，響應的大小與待測底物濃度成正比，從而可對底物進行定量分析。目前研制的自組裝膜生物傳感器有葡萄糖傳感器[39]、 蘋果酸傳感器[40]、過氧化氫傳感器[41]等。另外，將抗體固定在自組裝膜電極表面，研制快速、簡單、高選擇性的免疫傳感器已見報道[42]。例如，日本科學家Matsumoto[43]等開發了基于苯硼酸(phenylboronic acid )的電位式傳感器，用于唾液酸(sialic acid，SA)的檢測。他們將苯硼酸固定在場效應晶體管的自組裝膜中，當溶液pH=7.4時，苯硼酸中的羧酸根陰離子與糖鏈中的唾液酸選擇性結合，引起場效應晶體管的閾值電壓變化，從而形成對SA的控制和檢測。該診斷技術通過分析兔子紅細胞對SA的改變表達，作為糖尿病的診斷模型。將已知數量的細胞懸液放置到該傳感器上，只需要通過簡單比較正常和病變SA的表達分析，就很容易診斷出是否患有糖尿病。

4.3 離子選擇性電極

引入特定基團或化合物的自組裝膜修飾電極對金屬離子有選擇性的響應，可制成離子選擇性電極。已有一些利用自組裝膜修飾電極對金屬離子進行選擇性測定的報道。Rubinstein 及合作者[44]首次設計了基于SAMs的離子選擇性電極。他們利用2,2-乙硫醇基乙酰乙酸(TBEA)與十八硫醇在金表面自組裝成混合膜，由于十八硫醇使混合膜更致密，可避免其他離子在膜內擴散而產生的干擾。該膜中的TBEA對Cu2+有親合作用， 因而對Cu2+具有選擇性響應。具有超分子結構的冠醚，杯芳烴及杯芳醚對金屬離子及有機分子有很高的識別能力，將這些物質鍵合在自組裝膜電極上，可對金屬離子及有機分子進行選擇性測定。例如，Hickwan45]等報道了環糊精自組裝膜電極的特征及其對苯胺萘磺酸鹽的識別研究。最近，由溶液pH變化引起自組裝膜形貌的變化也有報道。Liu[46]等構建了羧甲基殼聚糖(CM-CHI)的自組裝膜。在不同pH溶液中，利用原子力顯微鏡(AFM)的輕敲模式觀察發現，其膜表面的形貌變化與溶液的酸度有關；作者把這種變化歸因于膜上分子的靜電作用和氫鍵作用的競爭結果。

4.4 電子轉移

利用電化學技術求電子轉移動力學參數是一項具有挑戰性的工作。相對溶液中的分子而言，電極表面附近分子的濃度、方向和結構發生了很大的變化或變形。對于異相電子轉移反應而言，由于反應很迅速，傳統金屬電極受到擴散限制而無法進行檢測。利用SAMs 的分子設計和結構可控性特點，可將電活性分子與電極分開，從而降低反應速率常數。通過SAMs分子表面基團的設計，在自組裝過程中，使用一系列帶有不同烷基鏈的硫醇分子，可精確控制電極與活性基團之間電子傳輸距離，進而考察電子轉移速率對距離的依賴性，從而使我們能深入了解電子傳輸的機制[47]。最近，Kimura[48]等研究了特殊結構分子形成的自組裝膜的電子轉移，通過比較一元羧酸、多元羧酸形成的二茂鐵和具有雙螺旋肽結構的二茂鐵分子的電子轉移，表明電子轉移的速率與電子轉移通道數量沒有必然的聯系，可能的原因是分子的剛性結構阻礙了多通道電子的加速效應。

5 展望

自組裝單分子膜是超分子化學的重要分支，目前已成為凝聚態物理、材料科學、合成化學、結構化學、微電子學及生物化學等研究領域的交叉性前沿課題，并被廣泛應用于生物傳感器和分子、電子學器件等領域。但從目前的研究進展來看，大多數成果基于自組裝過程的基礎研究，比如成膜過程動力學、自組裝過程的各種影響因素(溫度、濃度以及設計形成各種組裝體的有機分子等)。如何提高生物活性分子自組裝膜的穩定性以及自組裝膜的功能化可能是未來自組裝技術在電化學、生命科學、分析科學的研究熱點；發展快速、高效和微型化的自組裝膜生物傳感器是電分析技術走向實用化的前提。相信經過科學家的不斷努力，自組裝技術必將會廣泛應用到人類社會生活、工業生產中去。

[1] Swanlson L D,Robinson B I,Hoffbaue M A,etal.JAmChemSoc,1993,115(15):6975

[2] Bigelow W C,Pickett D L,Zisman W.JColloidInterfaceSci,1946,1(3):513

[3] Nuzzo R G,Allara D L.JAmChemSoc,1983,105(13):4481

[4] Ulman A.ChemRev,1996,96(4):1533

[5] Bain C D,Troughton E B,Tao Y T,etal.JAmChemSoc,1989,111(13):321

[6] Sagiv J.JAmChemSoc,1980,102(1):92

[7] Taylor C E,Schwartz D K.Langmuir,2003,19(7):2665

[8] Bain C D,Whitesides G M.Science,1988,240:62

[9] Laibinis P E,Hickman J J,Whitesides G M,etal.Science,1989,245:845

[10] Hoogvliet J C,Dijksma M,Kamp B,etal.AnalChem,2000,72(9):2016

[11] Carvalhal R T,Freire R S,Kubota L T.Electroanalysis,2005,17(14):1251

[12] Burgess J D,Hawkridge F M.Langmuir,2000,13(18):3781

[13] Pan W,Durning C J,Turro N J.Langmuir,1996,12(18):4469

[14] Kawasaki M,Sato T,Tanaka T,etal.Langmuir,2000,16(4):1719

[15] Cheng Q,Brajter-Toth A.AnalChem,1996,68(23):4180

[16] Ding S J,Chang B W,Wu C C,etal.AnalChimActa,2005,554(2):43

[17] Akram M,Stuart M C,Wong D K Y.AnalChimActa,2004,504(2):243

[18] Rohwerder M,Weldige K,Stratmann M.JSolidStateElectrochem,1998,2(1):88

[19] Chidsey C E D.Science,1991,251:919

[20] Chidsey C E D,Bertozzi C R,Putvinski T M,etal.JAmChemSoc,1990,112(11):4301

[21] Schweizer M,Hagenstrom H,Kolb D M.SurfSci,2001,490(12):627

[22] Borkovec M.Langmuir,1997,13(19):2608

[23] Bain C D,Whitesides G M.Langmuir,1989,5(6):1370

[24] Hu K,Bard A J.Langmuir,1997,13(19):5114

[25] Aoki K,Kakiuchi T.JElectroanalChem,1998,452(1-2):187

[26] Peck S R,Curtin L S,McDevitt J T,etal.JAmChemSoc,1992,114(17):6771

[27] Yang J D,Li M R,Lu X Q,etal.JPhysChemC,2010,114(28):12320

[28] Liu S Q,Wang E K,Dong S J,etal.JElectroanalChem,1998,458(1):87

[29] Walczak M M,Popenoe D D,Porter M D,etal.Langmuir,1991,7(11):2687

[30] 程志亮,楊秀榮.分析化學,2001,29(9):6

[31] 邵元華.分析化學,1999,27(11):1348

[32] Bian C D,Troughton E B,Tao Y T,etal.JAmChemSoc,1989,111(1):321

[33] Lu X Q,Jin J,Kang J W,etal.MaterChemPhy,2002,77(3):952

[34] Tominaga M,Ohira A,Yamaguchi Y,etal.JElectroanalChem,2004,566(2):323

[35] Schoenfisch M H,Pemberton J E.JAmChemSoc,1998,120(18):4502

[36] Stranick S J,Atre S V,Parikh A N,etal.Nanotechnology,1996,7(4):438

[37] John J A,Abraham J S.AnalBiochem,2012,21(1):191

[38] Cao Z,Cao X Q,He Y H.AdvMaterRes,2011,239-242(1):2054

[39] 朱梓華,盛曉霞,劉忠范，等.高等學校化學學報,2001,22(8):1368

[40] Willer I,Riklin A,Shoham B,etal.AdvMater,1993,5(12):912

[41] Greager S E,Olsen K G.AnalChimActa,1995,307(2-3):227

[42] Itamar W,Azallazalia R.AnalChem,1994,66(9):1535

[43] Matsumoto A,Kataoka K,Miyahara Y.JAmChemSoc,2009,131(34):12022

[44] Rubinstein I,Steinberg S,Tor Y,etal.Nature,1988,332:426

[45] Hickwan J J,Offer D,Whitesides G M,etal.Science,1991,252:688

[46] Liu W T,Zhang S W,Zhu C S.JAppPolySci,2011,122(2):993

[48] Okamoto S,Morita T,Kimura S.Langmuir,2009,25(5):3297