自组装单分子膜的制备及其在电分析化学中的应用*

王都留 杨建东

(陇南师范高等专科学校生物与化学系 甘肃成县 742500)

随着科学技术的发展，对材料的研究正致力于采用“自下而上”的构筑方式来代替传统的“自上而下”的微加工技术，分子自组装正是适应这样一种趋势而产生的新技术。分子自组装的最基本层次是以有机分子为基本模块单元(building blocks)的。在生命体系中，大量复杂、具有生物学功能的超分子系统(蛋白质、核酸、生物膜、脂质体等)正是通过分子自组装形成的。有机化合物分子除通过化学键结合之外，在分子间还存在弱的相互作用，如氢键、静电作用、范德华力、π-π之间的相互作用等。这些相互作用在形成分子自组装时扮演重要的角色，可以形成一定结构、较稳定、具有某种特定功能的分子聚集体或超分子结构。这些由特殊功能分子聚集体形成的纳米材料在分子器件、生物传感等领域具有潜在的应用价值。

自组装单分子膜(self-assembled monolayers，SAMs)是分子通过化学键相互作用自发吸附在固/液或气/液界面形成的热力学稳定和能量最低的有序膜[1]。与其他单层膜相比，自组装膜有序度高、缺陷少、能量低；易于用物理和化学技术进行研究。自组装膜提供了在分子水平上设计表面结构来获得预期的界面物理和化学性质，而且为在二维或三维水平上组装复杂界面提供了强有力的工具，因此是研究各种表面和界面复杂现象的模型体系。

1 自组装膜研究现状及特点

自组装单分子膜(SAMs)是近20年来发展起来的一种新型有机超薄膜。1946年，Zisman[2]最早将表面活性剂分子利用自组装吸附在金属电极表面，形成单分子层。但是这一开创性的工作当时并没有引起人们的注意。直到1983年，Nuzzo和Allara[3]利用烷基硫醇将二硫化物从稀溶液吸附在金电极上后，在金属表面的自组装研究才引起人们广泛关注。各种类型的自组装体系也随之出现，如硫醇盐、硫化物等分子被自组装到各种金属表面(Au、Ag、Cu、Pt、Ni)[4-5]和硅原子通过氧化硅[6]、有机酸或双亲分子连接在金属氧化物表面(如Al/Al2O3、PtO、TiO2、ZrO2)等[7]。在上述各类自组装体系中，烷基硫醇分子与金表面的自组装是目前研究最广泛、最彻底的自组装体系(图1)。Whitesides研究小组在自组装膜研究方面做了系统、开创性的工作[8-9]。一般而言，自组装单分子膜(SAMs)具有以下主要特征：(1) 原位自发形成；(2) 热力学稳定；(3) 覆盖度高，缺陷少；(4) 分子有序排列；(5) 可人为设计分子结构和表面结构来获得预期的界面物理和化学性质；(6) 简单易得。

图1 金(111)面烷基硫醇自组装膜的结构示意图[4]

2 自组装单分子膜制备的影响因素

在利用自组装膜进行的电化学研究中，电极表面的预处理方法、组装过程中的实验条件都会对自组装膜电极的结构和性质产生很大影响，比如固定技术、组装液浓度、组装温度等。

2.1 电极预处理

电极表面的形貌和粗糙度直接影响电极表面的自组装过程，并最终决定形成的自组装膜的性质。因此,在对电极表面进行修饰之前，必须对电极进行预处理。一般是通过加热、机械打磨、化学处理等手段进行预处理，使电极表面变为具有反应活性的清洁的新界面。Hogvliet[10]利用电化学方法对多晶金电极进行预处理。研究发现，在电极可重复性方面，利用脉冲电化学处理方法比机械打磨能更有效地减少电极表面的粗糙度。Carvalhal[11]等研究了不同的表面处理方法对金电极电化学响应的影响。发现Al2O3粉末机械打磨、H2SO4/H2O2的化学氧化、电化学抛光、乙醇的化学还原等方法均能改变金电极的表面特性，并利用电解液中Fe2+/Fe3+氧化对测试巯基丙酸的自组装膜，对上述各种处理方法的效率进行比较。研究表明，硫醇类自组装膜(Thiol-SAMs)对电化学响应能力的提高不仅与金电极实际面积的增加有关，而且与预处理过程中电极表面状态有关。Burgess和Howlividge[12]利用氧等离子体、紫外照射、化学表面腐蚀处理后发现，形成十八烷基硫醇自组装膜的速率可提高几个数量级。

2.2 固定技术

通常，金属电极的表面修饰只是简单地将电极浸泡在组装液中24小时，就认为形成了饱和自组装膜修饰电极。在组装过程中，分子吸附在电极表面通常被认为发生了两个过程[13-14]：首先，在开始的几分钟内发生的是一个快速的分子吸附过程，膜厚度的80%～90%将在这一过程完成；随后发生的是一个较缓慢的过程，约为10～20小时，在这一过程中，膜的厚度和润湿性均达到平衡。形成饱和的、高覆盖度的自组装膜一般要将电极浸泡在溶液中超过24小时[15]，当然浸泡电极的时间也与自组装膜的用途有关。但是这种浸泡的方法对于生物分子的多层组装存在不足。另一种简单、有效、快速、便捷形成高覆盖度自组装膜的方法是直接滴涂法[16]，将定量的沉积液滴在干净的金电极表面，约20分钟使其变干。基于这样一种简单、快速的固定方法，Akram[17]等在金电极表面获得细菌蛋白的自组装膜。与浸泡方法相比，此法形成的自组装膜有更低的双电层电容。由此可以看出，直接滴涂的方法不仅可以得到稳定的自组装膜，而且可以缩短自组装膜的制备周期。

另外，自组装膜的吸附、脱附和结构也与电极电位有关。自组装动力学与电极电位的变化有关[18-20]，自组装膜结构的可逆性变化也与电极电位有关[21]，如烷基硫醇形成的自组装膜的吸附或脱附很容易通过控制电极电位来实现，所以这也是制备微阵列电极的一种方法。

2.3 温度

温度是影响自组装膜结构和电化学性质的另一个重要因素。研究表明：带有功能基团的SAMs表现出复杂的相互作用。比如静电作用[22]、高覆盖层引起的空间位阻[23]和氢键作用等[24]。这些作用在很大程度上都与温度有关[25]，因此温度的变化会改变SAMs的结构和性质。比如温度降低时，SAMs和电解液中氧化还原电对之间的膜电容和电子转移速率会降低。Murray研究小组[26]在超低温下考察了不同电极(金、银和超导电极)形成以及电活性自组装膜的电化学动力学。研究表明温度维持在低温区的时间越长，电极表面化学吸附的烷基硫醇SAMs就越稳定；另外也发现异相电荷转移动力学也依赖温度变化。

3 自组装单分子膜的表征

目前有很多技术和方法用来表征自组装单分子膜,大致可分为电化学方法和非电化学方法(或称为物理方法)。电化学表征主要是通过研究探针分子与电极表面修饰剂发生相关的电化学反应产生的电流、电压、电容和时间等参数间的关系来表征自组装膜。电化学方法的表征可以方便、快捷地给出SAMs的界面结构和性质的直接信息。其中由电容法、阻抗法可获得膜电容、膜电阻等信息。常见的电化学方法主要有以下几种：

(1) 循环伏安法(CV)。循环伏安表征又可分为电容表征、阻碍效应表征以及还原解析表征等。例如利用电容表征法对金电极表面的巯基卟啉自组装膜的表征[27]，由于膜电极的电容随膜厚度的增加而线性减少，所以可利用这一关系对电极表面形成的自组装膜进行表征。在众多表征膜结构方法中，循环伏安是一种较灵敏的电化学方法，该方法能直接给出关于膜结构中存在的针孔和膜缺陷等信息。董绍俊等人[28]利用循环伏安法结合膜的阻碍效应对金电极表面自组装进行了电化学表征。Porter等人[29]利用烷基硫醇的解析还原对其在金电极表面形成的自组装膜进行了表征，通过连续扫描可知烷基硫醇在KOH溶液中的逐步解离。该法不仅可以用来表征膜的形成，还可用于处理电极等。

(2) 电化学交流阻抗(EIS)法。通过探针分子在不同膜引起的阻抗谱行为的变化，可以得出电荷传递电阻(Rct)和双电层电容(Cap)以及膜层数之间的关系。当膜层较少时，拟合参数呈现不规律性的变化，而随着层数增加，拟合参数显示出很好的线性规律[30]。

(3) 扫描电化学显微镜(scanning electrochemical microscopy，SECM)。SECM是以电化学原理为基础的一种扫描探针新技术。通过压电控制器精确控制微探针(超微电极)在x、y、z3个方向自由运动，根据微探针电流变化可以实现基底形貌的反馈。它具有多种不同工作模式。其中电流反馈模式和产生收集模式是目前使用较为广泛的主要模式[31]。SECM可以给出自组装膜在基底表面的较高分辨率图像，可以通过探针感应电流的大小来定量表征自组装膜的覆盖度。

除以上电化学方法表征自组装膜以外，一些物理方法也被用于自组装膜的研究。主要有：① X射线光电子能谱(XPS)。XPS在表征有机化合物单分子膜时不仅可给出有机膜中存在的元素，而且还可以提供有关元素的原子组成分析。此外，通过考察光电子的衰减波长，还可检测单分子膜的厚度[32]。② 扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)。AFM能借助针尖与所观察材料中逐个原子发生作用，是从原子水平上研究自组装体系的最有力工具[33]。③ 扫描隧道显微镜(STM)[34]。STM不仅能够观察导体和半导体材料表面的形貌，而且能够研究材料的局域物理和化学特性，能实现纳米量级的改性以及加工，从而在纳米科学与技术中发挥着越来越重要的作用。目前STM已成为表面科学、纳米电子学、分子电子学和超高密度存储器件研究中不可或缺的工具，在纳米科技中占有举足轻重的地位。④ 傅立叶变换红外光谱(FTIR)[35]。⑤ 表面增强拉曼光谱(SERS)[36]。SERS是用于研究金属表面吸附的有力工具，巨大的增强因子(数量级一般在104～106)使其具有亚单分子层的检测灵敏度，大量的振动光谱信息可用来确定吸附分子的种类、吸附状态取向等，在单分子膜的研究中有广泛应用。

4 自组装膜在电分析化学的应用

自组装单分子膜在电分析化学领域显示出巨大的优势。主要表现在: 在分子水平上预先设计膜结构，获得特殊的性能和功能，达到研究对象的目的。膜与研究对象的相互作用可通过对膜的预先设计和修饰达到最佳效果。另外，有序规则单分子膜提供了均相的电极表面，能有效避免电活性物质向电极表面的扩散。因此，SAMs 技术在电分析化学领域获得了广泛的应用。

4.1 化合物电化学性质研究

利用自组装膜的活性基团，将具有氧化还原中心的化合物引入自组装膜分子中，在电极表面形成特定的修饰层来研究这些化合物的电化学性质。常常研究的化合物有二茂铁、偶氮苯、醌、染料及它们的衍生物等。另一类研究是将具有氧化还原中心的化合物共价键合在自组装膜上，研究该氧化还原中心对其他电活性物质的电催化作用。醌、染料及其衍生物对生物分子(如蛋白质及其他小分子)的电催化研究最为广泛。例如，John[37]等利用1,8,15,22-四氨基镍酞菁形成的自组装修饰电极研究了镍酞菁对鸟嘌呤的催化性能。与裸玻碳电极相比，在腺嘌呤的干扰下，该自组装膜电极表现出对鸟嘌呤良好的催化活性和选择性；鸟嘌呤的氧化电流与它的浓度呈线性关系，检测限可达到3×10-8mol/L。Cao[38]等构筑了基于杯芳烃的自组装膜固定在石英微天平上(QCM),通过微天平的频移响应来检测甲醛分子的浓度,甲醛浓度与频移表现出良好的线性关系。对照气相色谱法，二者测试结果一致。该传感器表现出良好的重现性和稳定性，可应用于生活环境中甲醛含量的检测。

4.2 生物传感器

利用自组装膜技术将酶或具有活性的细胞组织固定在自组装膜电极上，可制成对生物物质有选择性响应的传感器,对特定物质选择性地产生电催化反应，并对产物进行检测。酶固定在SAMs表面后，由于自组装膜具有很高的致密性，常使酶催化反应产物无法在电极表面产生响应。这就需要在自组装膜内固定一电子媒介，它参与电极表面反应，并且产生电信号响应，响应的大小与待测底物浓度成正比，从而可对底物进行定量分析。目前研制的自组装膜生物传感器有葡萄糖传感器[39]、 苹果酸传感器[40]、过氧化氢传感器[41]等。另外，将抗体固定在自组装膜电极表面，研制快速、简单、高选择性的免疫传感器已见报道[42]。例如，日本科学家Matsumoto[43]等开发了基于苯硼酸(phenylboronic acid )的电位式传感器，用于唾液酸(sialic acid，SA)的检测。他们将苯硼酸固定在场效应晶体管的自组装膜中，当溶液pH=7.4时，苯硼酸中的羧酸根阴离子与糖链中的唾液酸选择性结合，引起场效应晶体管的阈值电压变化，从而形成对SA的控制和检测。该诊断技术通过分析兔子红细胞对SA的改变表达，作为糖尿病的诊断模型。将已知数量的细胞悬液放置到该传感器上，只需要通过简单比较正常和病变SA的表达分析，就很容易诊断出是否患有糖尿病。

4.3 离子选择性电极

引入特定基团或化合物的自组装膜修饰电极对金属离子有选择性的响应，可制成离子选择性电极。已有一些利用自组装膜修饰电极对金属离子进行选择性测定的报道。Rubinstein 及合作者[44]首次设计了基于SAMs的离子选择性电极。他们利用2,2-乙硫醇基乙酰乙酸(TBEA)与十八硫醇在金表面自组装成混合膜，由于十八硫醇使混合膜更致密，可避免其他离子在膜内扩散而产生的干扰。该膜中的TBEA对Cu2+有亲合作用， 因而对Cu2+具有选择性响应。具有超分子结构的冠醚，杯芳烃及杯芳醚对金属离子及有机分子有很高的识别能力，将这些物质键合在自组装膜电极上，可对金属离子及有机分子进行选择性测定。例如，Hickwan45]等报道了环糊精自组装膜电极的特征及其对苯胺萘磺酸盐的识别研究。最近，由溶液pH变化引起自组装膜形貌的变化也有报道。Liu[46]等构建了羧甲基壳聚糖(CM-CHI)的自组装膜。在不同pH溶液中，利用原子力显微镜(AFM)的轻敲模式观察发现，其膜表面的形貌变化与溶液的酸度有关；作者把这种变化归因于膜上分子的静电作用和氢键作用的竞争结果。

4.4 电子转移

利用电化学技术求电子转移动力学参数是一项具有挑战性的工作。相对溶液中的分子而言，电极表面附近分子的浓度、方向和结构发生了很大的变化或变形。对于异相电子转移反应而言，由于反应很迅速，传统金属电极受到扩散限制而无法进行检测。利用SAMs 的分子设计和结构可控性特点，可将电活性分子与电极分开，从而降低反应速率常数。通过SAMs分子表面基团的设计，在自组装过程中，使用一系列带有不同烷基链的硫醇分子，可精确控制电极与活性基团之间电子传输距离，进而考察电子转移速率对距离的依赖性，从而使我们能深入了解电子传输的机制[47]。最近，Kimura[48]等研究了特殊结构分子形成的自组装膜的电子转移，通过比较一元羧酸、多元羧酸形成的二茂铁和具有双螺旋肽结构的二茂铁分子的电子转移，表明电子转移的速率与电子转移通道数量没有必然的联系，可能的原因是分子的刚性结构阻碍了多通道电子的加速效应。

5 展望

自组装单分子膜是超分子化学的重要分支，目前已成为凝聚态物理、材料科学、合成化学、结构化学、微电子学及生物化学等研究领域的交叉性前沿课题，并被广泛应用于生物传感器和分子、电子学器件等领域。但从目前的研究进展来看，大多数成果基于自组装过程的基础研究，比如成膜过程动力学、自组装过程的各种影响因素(温度、浓度以及设计形成各种组装体的有机分子等)。如何提高生物活性分子自组装膜的稳定性以及自组装膜的功能化可能是未来自组装技术在电化学、生命科学、分析科学的研究热点；发展快速、高效和微型化的自组装膜生物传感器是电分析技术走向实用化的前提。相信经过科学家的不断努力，自组装技术必将会广泛应用到人类社会生活、工业生产中去。

[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,杨秀荣.分析化学,2001,29(9):6

[31] 邵元华.分析化学,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] 朱梓华,盛晓霞,刘忠范，等.高等学校化学学报,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