液晶化学传感器的关键技术与应用研究进展

王普红，余建华，郑清元，张道山，杜 斌

（防化研究院，北京 102205）

0 引言

液晶［1］是物质介于固体和液体之间的一种特殊物质形态，该类物质的分子形状各向异性且不易弯曲，分子末端含有极性或可以极化的基团，通过分子间力、色散力使液晶分子保持取向有序。液晶在使用过程中附着在特殊处理的基片表面，一般具有沿面排列、垂直排列、倾斜排列等3种排列方式。然而，液晶分子的排列并不像晶体结构那样牢固，在电场、磁场、温度、应力等外部刺激的作用下，液晶将从特定的初始排列状态转变成为其它的排列状态，随着分子排列的变化，液晶的光学特性变化转换成为视觉变化，利用液晶分子在电场、磁场偏转的原理，人们制备成了液晶显示器（LCD）。1998年，液晶材料的应用有了新的突破，Abbott研究小组在《Science》上首先报道了［2］用于检测免疫球蛋白G（IgG）的液晶化学传感器。该传感器的工作原理是:液晶材料附着在具有一定微结构的化学敏感膜表面上，在敏感膜与微结构基底共同作用下，液晶分子呈整齐的空间取向排列;传感器检测目标分子时，利用目标分子与敏感膜之间更强的相互作用:如氢键、酸碱作用、配位作用等，使目标分子选择性地、可逆地键合在敏感膜表面;由于液晶与敏感膜之间的相互作用消失，改变了液晶的取向排列方式。液晶取向发生变化后，改变了液晶对可见光折射、偏振的能力，导致液晶膜的颜色和光亮度的变化，颜色变化指示出目标分子的存在，光亮度变化指示出目标分子的浓度。

本文针对液晶化学传感器的制备关键技术以及应用研究进行了综述，并对其发展趋势作一展望。

1 液晶化学传感器制备关键技术

在液晶化学传感器的制备过程中，其核心技术为具有一定微结构的化学敏感膜的制备，该种膜必须具备以下3个特点:1）能够使液晶分子在敏感膜表面整齐排列（绝大部分为垂直排列），形成均一的液晶膜;2）能够与检测目标物发生特异性反应;3）特异性反应过程中，对液晶膜的排列状态产生影响。相应现有技术中，传感器的制备方法分为倾斜沉积蒸镀Au膜法、摩擦法、自组装法、金属离子掺杂法以及软刻蚀技术等。

1.1 倾斜沉积蒸镀Au膜法

倾斜沉积蒸镀无机材料（如SiO）和金属膜（Au膜）一直为实验室中应用比较广泛的液晶取向材料的制备方法。Abbott研究小组首次［2］提出采用该种方法制备液晶化学传感器。研制过程中，该小组将普通玻璃基底表面倾斜沉积蒸镀一层纳米级波纹状Au膜，随后在Au膜表面通过自组装法进行修饰制备成对目标物具有特异选择性的材料来实现对目标物的检测。在研究中［3］，他们还发现Au膜沉积的角度和Au膜表面组装有机膜的种类对液晶分子的排列取向都有着直接的影响。目前，采用该种方法制备的传感器成功地用于检测神经性毒剂及其模拟剂［5～7］、有机胺化合物［7］、蛋白质［8］等物质。

1.2 自组装法

自组装技术由于其操作简单、成本较低，已经成为液晶化学传感器制备中的研究热点。现有报道中对自组装技术的应用大致分为2种:第一种为直接将能够诱导液晶分子垂直排列的硅氧烷分子，例如:十八烷基硅氧烷（OTS），DMOAP等组装到普通玻璃基底表面，在液晶膜底部诱导液晶分子垂直排列。Hartono D等人［9］采用该种方法制备了液晶化学传感器用来快速检测磷脂类毒素。实验中，他们在液晶膜底部采用自组装DMOAP分子膜诱导液晶分子呈垂直排列状态，液晶膜上部L-DLPC膜也可以诱导使液晶分子垂直排列;加入金环蛇毒素后，毒素分子对L-DLPC膜结构产生破坏作用，液晶分子的排列状态发生了改变。第二种为在普通玻璃基底表面组装端基为活性官能团（例如:醛基、氨基）的硅氧烷分子，通过表面接枝、改性，制备成能使液晶分子呈统一排列状态的敏感膜用来检测目标物。Zhao Y B等人［10］采用自组装法在普通玻璃基底表面组装3-氨丙基-三乙氧基硅烷，通过微接触印刷法在表面组装能够特异检测蓖麻毒素的抗体，经检测，此时液晶分子为垂直排列，当检测蓖麻毒素时，液晶分子的排列状态发生了改变。赵建军等人［11，12］在具有微米级沟槽的载玻片表面平镀一层Au膜，采用自组装法在Au膜表面组装敏感膜，制备成的液晶化学传感器成功地检测有机磷、胺化合物。

1.3 摩擦法

摩擦法为最早制备液晶取向膜的技术之一，直至现在LCD工业生产中仍然使用传统的摩擦取向法。Bi X Y等人［13］采用4-丁醛基三乙氧基硅烷组装到普通玻璃基底表面，采用丝绒类布料对表面进行摩擦，使得液晶分子沿面排列，检测中发现，不同链长的氨基酸分子对液晶分子的排列产生不同影响。Xu B等人［14］报道采用自组装法在载玻片表面组装 N-（β-氨乙基）-γ-氨基丙基-三乙氧基硅烷有机膜，表面经摩擦后用多种金属离子进行修饰。经研究发现，采用Ag+，Au3+和Cu2+修饰的敏感膜制备的液晶化学传感器可以用于检测1-辛基硫醇。熊兴良等人［15］采用该法制备的传感器研究抗体与人血清白蛋白作用时发现液晶5CB排列状态发生了改变。

1.4 掺杂法

Bungabong M L报道［16］采用掺杂有 Cu2+的液晶分子5CB膜附着在普通载玻片表面制备液晶化学传感器。研究过程中，作者发现掺入不同比例的Cu2+到液晶分子5CB内，会对液晶分子的排列和检测灵敏度产生影响。

1.5 软刻蚀技术

软刻蚀技术是20世纪90年代初期，美国Harvard大学Whitesides教授的研究小组率先研究开发并提出来的一种新的微制造技术。由于该种技术可以用于微小结构的加工，21世纪初，研究者［17，18］开始利用该法制备微纳结构沟槽来诱导液晶分子统一取向排列。2009年，王普红等人［19］采用微接触印刷法在普通玻璃基底表面制备了具有微米级沟槽的有机膜并采用Cu2+进行改性，发现敏感膜表面液晶5CB分子呈垂直排列状态，而当这种材料与DMMP接触时，液晶分子的排列取向发生改变。

2 液晶化学传感器的应用研究

2.1 气相检测中的应用研究

在气相检测中，研究最为广泛的是有机磷化合物的检测。2001年，Shah R R 等人［3］首次在《Science》上报道了采用该技术成功用于甲基膦酸二甲酯（DMMP）的检测，其最低检测限可达到10－9级。Yang K L等人［6］采用近晶相液晶8CB取代了向列相液晶5CB来制备检测DMMP的液晶化学传感器，该法在一定程度上解决了液晶5CB不浸润性的弊端。Cadwell K D等人［7］在实际应用中取得重大突破，他们采用温度范围更宽的E7（液晶相温度为－10～60℃）取代液晶分子5CB（23～35℃）来制备传感器，成功用于检测DMMP，又通过不同金属离子作为活性位点来鉴别不同种类的神经性毒剂。Shah R R的报道中［3］也对有机胺化合物进行了检测;Bi X等人［20］采用液晶化学传感器来检测空气中的有机物分子戊二醛。

2.2 液相检测中的应用研究

2.2.1 免疫蛋白的检测

Gupta Y K等人［2］首次报道了该种方法检测免疫球蛋白G（IgG）的技术。他们在纳米级波纹状半透明超薄Au膜表面组装表面抗生素修饰过的敏感膜，向列型液晶5CB在这种敏感膜表面呈沿面排列;当这种敏感膜接触到含有IgG的溶液时，IgG与抗生素AV发生专一的键合反应，液晶分子的取向由沿面排列发生扭曲，导致液晶分子对可见光的折射发生改变，传感器的颜色和光亮度发生变化。在随后的研究报道中，Abbott研究小组对该研究成果进行了定量分析［21］，并对液晶型化学传感器的作用机理做了合理解释。Kim S R等人［22］采用溶致型液晶材料代替向列型液晶材料，检测液相中的IgG，扩展了液晶材料的使用范围。

2.2.2 蛋白质的检测

Clare等人［23］利用向列型液晶5CB在自组装膜表面的取向排列变化检测不同性状的蛋白质，经研究发现Src蛋白激酶采用磷酸盐处理前后，在自组装膜上的组装密度会产生很大影响。Luk Y Y等人［24］在纳米波纹状Au膜表面组装有机膜，通过螯合方式将His-tag MEK蛋白固定于有机膜表面，在检测抗MEK IgG时，液晶5CB分子的排列状态发生了改变。Park J S［25］报道了一种采用液晶化学传感器在液相中检测特定切割酶蛋白的方法。

2.2.3 核酸的检测

Kim H R等人［26］研究了DNA杂交化过程是否会对向列型液晶分子的排列产生影响，他们发现，DNA在杂交化前液晶分子5CB为垂直排列状态，而杂交化后液晶分子呈平行状态，从而提供一种新的核酸反应检测手段。Price A D等人［27］采用液晶化学传感器检测液相中的ssDNA，他们采用溶液中加入表面活性剂分子OTAB诱导使得液晶分子呈垂直排列状态，当溶液中的ssDNA与OTAB反应时，该种诱导取向消失，液晶膜颜色和亮度发生了变化。

2.2.4 病毒、毒素的检测

Jang C H等人［28］利用向列型液晶5CB在基质表面的变化来检测不同包膜结构的病毒。他们通过研究发现，具有生物包膜的病毒与向列型液晶5CB作用时，促使液晶垂直排列，而无生物包膜的病毒却诱使向列型液晶5CB近平行排列，从而证实该法可以用于病毒的结构分析。Lin I H［29］研究发现，GM1在水相中经过较长时间的自组装，会在水相—液晶膜之间形成膜，使得液晶分子的取向发生了变化，该研究成果可以用于有GM1类似官能团毒素的检测研究。

3 结束语

液晶化学传感器由于具有不可比拟的优越性已经受到人们的广泛关注。从长远来看，该种传感器有以下发展趋势:1）针对未来发展需要，采用现代微加工技术，制备能够检测多种目标物的阵列液晶化学传感器;2）以液晶化学传感技术为核心，采用多种光谱为平台，研制用于实验室、现场检测有毒有害物质的检测仪、报警器。

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