单[6-脱氧（1，10-癸二硫醇）巯基]β-环糊精分子印迹自组装敏感膜-声表面波传感器研究

刘岩，潘勇，王文，崔志鹏，林涛

（1.防化研究院，北京102205）

（2.中国科学院声学研究所，北京100080）

（3.中国人民解放军驻394厂军代室，北京102205）

0 引言

随着冠醚基本性质的发现以及主-客体化学的发展，人们逐渐认识到超分子化学在分子识别领域中具有重要的研究意义[1～3]，特别是将自组装技术同超分子化学的结合，实现了具有识别能力的单分子层、取向有序敏感薄膜的制备，使得成膜技术取得了巨大进展，促进了超分子化合物在传感器研究领域的应用与发展。同时，为了进一步增强敏感膜的选择性吸附能力，在制膜过程中引入分子印迹技术，即在自组装过程中加入模板分子，使其与超分子化合物相结合，再去除模板分子，敏感膜上便形成了具有特异选择性的三维空穴，这样将有效地提高敏感膜对被测气体的识别能力。

环糊精及其衍生物作为一类重要的超分子主体化合物，由于具有不同尺寸的疏水内腔和亲水表面，而且具有手性的微环境，可以选择性键合不同分子，成为声表面波（Surface Acoustic Wave SAW）传感器所选用的敏感膜材料之一。该文以单[6-脱氧（1，10-癸二硫醇）巯基]β-环糊精为基础，利用自组装和分子印迹技术制备出用于SAW气体传感器检测甲氟磷酸异丙酯的敏感膜材料，并对此种敏感膜材料的成膜效果及其检测性能进行了研究。

1 实验

1.1 仪器与试剂

声表面波传感器，中心频率300 MHz，延迟线面积4 mm2；CX-1频率计，防化研究院；NanoscopeⅢa原子力显微镜，美国。

单[6-脱氧（1，10-癸二硫醇）巯基]β-环糊精，防化研究院；甲基羟基磷酸异丙酯，纯度≥99%，防化研究院；甲氟磷酸异丙酯，纯度≥99%，防化研究院；无水乙醇，分析纯，北京化工厂。

1.2 分子印迹自组装敏感薄膜的制备

自组装膜是将欲镀膜的基片浸入到含有特殊基团的表面活性剂溶液中，表面活性剂的端基通过化学键与基片表面物质相互作键合，从而自发吸附在固液或气固界面，形成的一种热力学稳定的二维有序单层膜[4]。此种制膜方法简便，敏感膜具有自发形成、成键排列有序、缺陷少、结合力强的特点，已被广泛应用[5～6]。目前，自组装膜体系主要有有机硅烷/羟基化表面，硫醇/Au、Ag、Cu，双硫醇/Au，羧酸/Al2O3、Ag等，由于环糊精本身不能与SAW传感器延迟线的金表面发生键合，因此，在实验中选取化学修饰过的环糊精——单[6-脱氧（1，10-癸二硫醇）巯基]β-环糊精来进行敏感膜的制备。同时，在自组装膜上利用分子印迹技术使与被测物甲氟磷酸异丙酯具有相似结构的甲基羟基磷酸异丙酯进入到环糊精空腔内，进行印迹，再洗去模板分子，使环糊精分子留下印迹结构，从而实现对甲氟磷酸异丙酯的特异性选择。分子识别过程如图1所示。

图1 分子识别过程Fig.1 Illustration of molecular recognition

制备方法：配制浓度为2×10-4mol/L的单[6-脱氧（1，10-癸二硫醇）巯基]β-环糊精/乙醇溶液和5×10-3mol/L的甲基羟基磷酸异丙酯水溶液，制膜前首先用Piranha溶液反复清洗延迟线表面去除杂质，再用高纯水进行多次清洗，氮气吹干。将清洗干净的延迟线浸入到单[6-脱氧（1，10-癸二硫醇）巯基]β-环糊精/乙醇溶液中，静置12 h后缓慢加入甲基羟基磷酸异丙酯水溶液，12 h后将SAW延迟线取出，多次清洗去除模板分子甲基羟基磷酸异丙酯，即完成分子印迹自组装敏感膜的制备。

1.3 分子印迹自组装敏感薄膜的表征

利用原子力显微镜技术对制备的敏感膜进行表征，获取其结构信息与特征，验证成膜效果。

原子力显微镜研究方法：利用原子力显微镜对镀膜前后的金延迟线进行表面粗糙度对比分析和形貌表征。

1.4 单[6-脱氧（1，10-癸二硫醇）巯基]β-环糊精分子印迹自组装膜-SAW传感器检测甲氟磷酸异丙酯

检测系统由气体发生装置、单[6-脱氧（1，10-癸二硫醇）巯基]β-环糊精分子印迹自组装敏感膜-SAW传感器、频率计、采样装置及数据处理系统构成，对甲氟磷酸异丙酯进行检测。

2 结果与讨论

2.1 原子力显微镜表征

通常以真空蒸汽镀膜、溅射、机械刨光等方法制得的金表面粗糙度一般在1～2 nm左右；而在镀膜之后，由于R-SH中R-S基团会与金表面发生键合作用，从而将使得金延迟线的表面粗糙度发生改变，从图2（a）、（b）的原子力显微镜测试结果可以看出：镀膜前金的表面粗糙度为2.294 nm，镀膜后增加到了12.014 nm，粗糙度增加，延迟线的表面结构发生了明显变化。

2.2 对甲氟磷酸异丙酯的检测结果

图3 SAW传感器检测甲氟磷酸异丙酯（1.7 mg/m3）的频率-时间曲线Fig.3 Frenquency-time curve of SAW sensor detect to O-Isoprohyl methylphosphonofluoridatee(1.7 mg/m3)

图3为单[6-脱氧（1，10-癸二硫醇）巯基]β-环糊精分子印迹自组装膜-SAW传感器对甲氟磷酸异丙酯的检测曲线，可以看出传感器基线噪音小，对被测气体甲氟磷酸异丙酯具有较大的响应频移，检测前后频率变化2 170 Hz。开始检测阶段，被测气进入环糊精空腔内部，发生吸附、键合，使SAW传感器延迟线上的质量负载增加，检测频率信号在很短时间内产生迅速变化；随着检测时间延长，膜材料对被测气体的吸附趋于饱和，表现为Δf/t的斜率减小；当停止通入被测气体，并用氮气进行吹扫时，被测气体在敏感膜上发生解析，延迟线上的质量负载减小，频率信号基本恢复到检测前的初始值。

采用单[6-脱氧（1，10-癸二硫醇）巯基]β-环糊精分子印迹自组装膜-SAW传感器对相同浓度的甲氟磷酸异丙酯进行连续5次检测，设通入被测气体时的基频为f0，检测2 min时的频率为f1，计算5次检测频率变化Δf（Δf=f0-f1），结果如表1。

表1 SAW传感器对同浓度甲氟磷酸异丙酯5次连续重复检测结果Tab.1 The stability of SAW sensor to O-Isoprohyl methylphosphonofluoridatee repeating 5 times（1.7 mg/m3,27℃,RH=96%）

可以看出5次检测的最大响应频移值一致性较好，标准差为0.157 kHz，离散系数为0.070，说明传感器对相同浓度的甲氟磷酸异丙酯进行连续检测具有较好的重复性。

2.3 吸附动力学研究

SAW传感器对被测气体的响应主要是由敏感膜对被测气体的吸附产生的，由于敏感膜间理化性质、结构特征的差异使得吸附过程有所不同，因此，在选取模型对吸附过程进行描述时应当考虑膜材料的种类、实验温度、膜厚等多种影响因素[7]。

单[6-脱氧（1，10-癸二硫醇）巯基]β-环糊精分子印迹自组装膜具有单分子层薄膜的理化性质，所引起的声波衰减效应不明显，因此在建立模型时可以只考虑质量负载对频率变化的影响。Skládal等[8]在研究单克隆抗体作为压电传感器检测2，4-二氯苯氧基乙酸时建立的动力学方程可以用来很好的描述单[6-脱氧（1，10-癸二硫醇）巯基]β-环糊精分子印迹自组装膜与甲氟磷酸异丙酯间的吸附动力学过程。设被测气体甲氟磷酸异丙酯的浓度为[A],敏感膜材料单[6-脱氧（1，10-癸二硫醇）巯基]β-环糊精浓度为[B],吸附过程中两者的包结物浓度为[AB],整个过程可以看做如下基元反应：

ka为结合常数和kd为解离常数，反应速率方程为：

在SAW传感器检测过程中，传感器的频率信号变化值与质量负载间的关系符合Sauerbray方程：

其中Δf为检测前后频率的变化值，f0为传感器的中心振荡频率，S为镀膜区延迟线面积，Δm为敏感膜上沉积的气体质量，从式（3）可以看出频率的变化正比于敏感膜上吸附气体的质量变化，吸附量增加频率下降，因此，在这里可以将反应速率方程式（2）中的浓度值转化成频率值来表示:

fm为从开始检测到吸附平衡频率的变化值（即Δf），包结物AB的浓度以频率f来表示，则B的自由浓度可以表示成（fm-f），c为甲氟磷酸异丙酯的自由浓度（在检测过程中保持恒定）。

将式（4）进行等式变换就可以得到一个自变量为f，因变量为

在实验中，通常所获得的吸附-解析曲线（如图3）就是一条频率～时间曲线，从开始检测到吸附平衡这一段范围内曲线上每一点的切线值即体现了频率随时间的变化（如图4），如果在这段曲线上以等间隔频率值取各点的切线斜率就可以得到一f变化的线性关系曲线（如图5），直线的斜率SL=-（kac+kd），与y轴的截距INT=kafmc，这样就可以计算出吸附过程的结合常数和解离常数。

气体在通入的瞬间产生的质量转移以及气体在传感器气室内的填充过程使检测初始的一段时间内的频率信号受到一定影响，考虑到这一点在计算ka、kd值时以频率271 450 Hz为参考零点，得到-df/dt～f关系曲线如图5所示。

计算得到，ka=1.017×105mol-1·l·s-1；kd=2.434×10-3s-1。

通过实验得到ka、kd值后，可以得到吸附过程的平衡常数：

图4 开始检测到吸附平衡（单[6-脱氧（1，10-癸二硫醇）巯基]β-环糊精分子印迹自组装膜检测1.7 mg/m3甲氟磷酸异丙酯）Fig.4 The results from gas on to adsorption balance(Imprinted and self-assembled Mono[6-deoxy(1,10-Decanedithiol)]β-CD film detect to 1.7 mg/m3 O-Isoprohyl methylphosphonofluoridatee)

图5 df/dt～f关系曲线Fig.5 The curve of df/dt～f

3 结论

以单[6-脱氧（1，10-癸二硫醇）巯基]β-环糊精为原料制备出分子印迹自组装敏感膜，制膜方法简单，成膜效果好，在SAW传感器中对甲氟磷酸异丙酯具有理想的检测效果，为含磷化合物的检测提供了一种有效的方法。

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