（有机化学专业论文）生物素衍生物的合成及其分子自组装体系的制备.pdf

硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s 摘要 近年来，通过界面自组装在固体表面形成超薄层有机材料的研究受到人们的广 泛的关注，这种通过有机分予反应活性头基与固体界面之间自发反应形成的稳定、 有序、紧密堆积的超薄膜结构叫做自组装膜( s e l f a s s e m b l e dm o 丑o l a y e i s ，s a m s ) 。 s a m s 在非线形化学、分子生物学、材料科学、分子器件，特别是生物传感器等领 域具有广泛的应用前景。 生物素与亲合素，链霉亲合素中性亲合素有非常强的亲和力。利用具有自组装 功能的生物素在金表面形成自组装膜，在其自组装膜上组装亲合素，链霉亲合素舛， 性亲合素。利用亲合素链霉亲合素中性亲合素含有四个与生物素结合位点的特性， 可以进一步与各种含有生物素的分子材料的组装，获得具有各种应用目的的分子组 装材料。 作为以b i 嘶n 蜊d i n s t 琏| p t a v i d j n n e u 廿a i d i n 分子组装材料的前期研究工作，本 论文合成了含m 硫辛酸、1 1 巯基十一烷基和长醚链的生物素衍生物，在金电极表面 构建了含生物素的自组装膜体系，用电化学方法对这些自组装膜的结构和性质进行 了研究。主要内容如下： 1 设计合成了确辛酸( 8 生物素酰胺基3 ，6 二氧辛基) 酰胺( 1 1 3 d a ) ；n 硫辛酸( 1 3 生物素酰胺基_ 4 ，7 ，1 0 三氧十三烷基) 酰胺( t 日) 。采用1 m q m r 、 g c m s 、m 等对中间体及目标产物的分子结构进行了表征。 2 设计合成了1 1 巯基十一酸( 8 生物素酰胺基- 3 ，6 二氧辛基) 酰胺( m b d a ) ； 1 1 巯基十一酸( 1 3 生物索酰胺基4 ，7 ，1 0 三氧十三烷基) 酰胺( m 即噙) 。用1 m 哪r 、 g c m s 、m 等对中间体和目标产物的分子结构进行了表征。 3 利用自组装膜技术，在金电极上制各了1 b n a 、唧a 、m bd a 、m b l a 的 自组装膜，以及佃t a 和m b d a 与膜介质分子1 1 ，1 1 二硫二( 十一醇) ( d t ) 的混 合自组装膜。 4 用循环伏安法和电化学交流阻抗谱技术，对上述自组装膜进行了表征，初步 研究了这些自组装膜的结构。结果表明这些自组装膜的覆盖度都比较高，覆盖度达 到9 9 以上；对于t b d a 和t b t a 或m b d i a 和m b 1 1 a 自组装膜修饰的金电极，随 着醚链的增长，其循环伏安图上表现为氧化还原峰电流逐渐变小，说明膜的结构变 得越来越致密；对于混合自组装膜而言，其在金电极上的覆盖度高于单组分自组装 膜的覆盖度，并且随着膜介质分子d t 比例的增加而增加。另外，在电化学交流阻 抗谱图上也可看出，随着膜介质分子d t 比例的增加，探针分子f c ( c n ) 6 3 _ f e ( c n ) 6 4 越来越难通过膜层到达电极表面，表现为高频区的半圆的直径逐渐增大，在低频区 几乎没有直线存在，说明通过溶液扩散的w a r b u r g 阻抗逐渐变小，界面电子传输电 阻起主导作用，自组装膜覆盖更加完善。 关键词：自组装膜生物素衍生物循环伏安法电化学交流阻抗谱修饰电极 硕士学位论文 m a 3 t e r s t h e s l 8 a b s t r a c t r e c e n n y ，t l l eu l t r a t h i n 脚m sm a t e i i a l sf 0 珊e db yi m e r f a c i a ls e l f - 鹄s e m b l yo s o l i d s u 血c e sh a v ea t t m d e dg r e a ta t t e t i o 1 1 l i ss t 曲l e ，o r d c r c d 觚dd o s e l yp a c k e du l t r a t l l i n f i l m sa r ef a b r i c a t e db ys p o n t a n e o u s l yc h e m i c a lr e a i c t i o n sb e t w e e nr c a c t i v ch c a d g m u p so f o f g a l l i cm o l e c i l l e s a n ds o l i ds u r f a c ef i i n c t i o n a lg r o u p s ，w h i c h 舡cl 【l l o w na ss e l f a s s e m b l e dm o n o l a y e r s ( s a m s ) m a l e r i a l sb a s c do ns a m sh a v em 趾ya p p l i c a t i o n si t h c f i e l d ss u c ha sn o n l i n e a r0 p t i c s ，m o l e c u l a rb i o l o g y ，s d e n c eo fm a t e r i a l s ，m o l e c u l 盯 d e v i c e s ，a n db i o s e n s o r s ，e t c b i o t i nh a s 缈a t 碰i l i t yt oa v i d i n s 唧t a v i d i 咖e u t r a v i d i i i 喇g 邺co ft t l e f b 衄a t i o n o fs d f _ a s s e m b l c d m o l a y c 巧 w i mt l l et e 衄i n a l b i o t i n ， a v i d 耐s t r e p t a v i d i 】咖朋t r a v i d i nc 孤b cc o n s 恤d c d t h et o po fv a r i o u sb i o t j 皿t c l m i n a t e d s 舢泓s t r c p t a v i d i ni s as p a d a lp f o t c i nw h i c hp o s s e sf o u fb i n d i n gs i t e sf o rb i o t i n m o l 咖l e t h u sv 缸i o l l sb i o t i n y l a t e dm 0 1 c c u l c sc 蛆b ef l i m i e r 猫s e m b l e d s a m sw i i h v a r i o u sp r o p e n i e sf b rs p e c i a la p p l i c a _ t i o n s h e c c ，s y n t h e s i so fb i o t i i i y l a t e dt h i o l so r d i 鲫l f i d e s 锄d 印p l i c a t i o n so fs a m s o ft h c s cb i o t i n y l a c dt h i o l s0 fd i s m f i d e s 9 0 1 dw i u h a v cg r c a ts i g n i 6 c a n c c a sf o r t h cp r 叫s ew o r kf o rt h cf h n h e ra p p d i c a t i o n so fb i o t i l l s 仃i 币妞v i d i n 蠲s 踟l b l e d s y s t c m s ， t h i st h 船i s p r c n t s t h e s ”t h 幅i s 0 ft h i o c t i c a c i d c o m a i n i i l g a n d 1 1 m e r c a p t o u n d e c a n o i ca d d - c o n t a i n g b i o d nd e r i v a t i v e sw i t t lc t h 盯l i n l 【a g e ，a n d c o n s t m c t i o no fm e s cb i o t i nd c r i v a t i v c s t o 窘o l dc l e c n o d 船t 0f 0 皿s d f - 硒s e m b l e d m o o l a y e r s 1 h cs m l d u s 越d t h ep r o p e n i 伪o ft h c s em o 咖e dd 删c sw c r es t i l d i e d b yc l e c t r o l d l 锄i c a lm e t h o d s n em a i 咖t c d l s 盯cl i s 湖勰m ef o l l 州n g ： 1 m o c i i c - ( 8 - b i o 妇o y l 锄i d 0 3 ，6 d i o x a o c t y l ) a m i d e c i b d a ) ，t h i o c i i c - ( 1 3 b i 嘶y l 锄i d o - 4 ，7 ，1 0 打i o 缸枷d e c 姐e a m i i i e ) 锄i d ec r 瑚 a ) w c r es y l l 山c s i z c d 弧em o l e c u l 缸 s t m c m r c so ft h ei n t c 加a c d i a t 趾dt h et a 曜烈c o m p 啪d sw e 咒n 血m c db y1 hn m r ， g c m s 柚df r - m 2 1 1 - m c r c a p i o u n d e c a n o i c - ( 8 b i o t i n o y l 枷i d o - 3 ，6 - d i o x a o l c i y l ) a m i d e ( m b d a ) ， 1 1 - m e r c a p t o u n d e c a n o i c - ( 1 3 b i o 伽o y l 锄i d o 一4 ，7 ，1 ( ) _ 扛i o 缸a m d e c a l l e a i l l i n e ) a i i l i d e ( m b l a ) w e r es y n t h 韶i z e d t h em 0 1 c c u l 盯s t m 咖r e so ft l l ei n t e 锄e d i a i e s 姐dt h et a f g e t m p o 岫d s 、v c r cc o n f i r m c d b y1 hn m r g d m s 柚df r - m 3 1 h ep u r cs a m so fm b d 眦，m b t af a u ，1 b d a ，a 卫趾d 聊 f a l lw e r e p r e p a r e db y t h e s e l f - a s s e m b l y m o n o i a y e rt e c h o l o g y -m e 卸w h i l e ，u s i n g 1 1 1 1 d i u n d e c a n o l m i o l ( d t ) a st h em e d i u mm o l 咖l e ，t h em i x e ds a m so fm b d a d t 裟粥 a n d 。i b i d i o n9 0 l dw e r ea l s of a b r i c a t e d 4 t h ee l e c 咖c h e m i c a l c y c l i cv o n a m m e t r y a i l de l e c l r o c h e m i c a l i m p e n d e n c e s p e c t r aw e f ee m p l o y e dt oc h a r a c t e r i z et l l e s t n l c t u r e sa n dt h ep r o p e n i 髂o ft i l ea b o v e m c n t i 伽c ds a m so n 鲥d n er e s u l t ss h o w st h a tc l o s c l yp a c k e d 锄dw e l lo r d c r c ds a m s h a v e b e e nf a b r i c a t c da n dt h c i rs l u 曲c ec o v e r a g e sa r co v c r9 9 m i x e ds a m sh a v eh i 曲e r c 0 v e 船g e st h a l lt l l e 删p o n d j n gp u r e 铷讧s ，锄dl l l eo o v e 琢g ei l l c r c a s c sw j mt l l e i n c r e a s eo ft l l em o l a rr a t i o0 fm em e d i 啪m o k c l l l ed t a tt h es a m et i m e ，w i t hm e l e n g t h e n i n go ft h ee t h e rl i i l k a g eb e t w e 蛐t h i o c t i ca d do r1 1 - m e r c 印t o u n d e c a i l o i ca c i d 强db i o t i n ，t h es a m sw i l lh a v eag r e a t e rs u 血c ec o v e r a g e k e y w o r d s ：s e m 嘲锄b l c d 珊咄) h y c 】 s ，b i 甜nd e r i v a 在惜c y c l i c 。v o l t 锄m e 峨 i i i l p e n d e n c cs p c c 仃a 硕士学位论文 m a s t e r s t h e s i s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 梅翕 f 日期：徊矢6 黾巷b 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 导师签名： 日期：即席# 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程”中的 规定享受相关权益。回童途塞理窑厦溢卮! 旦圭生；旦二生；旦三生筮壶! 勿乎 耖殇了月 纷彬 戤叨 者期 作日 日 、饧蟹苇阳 缛仔戤伊 储嘴 顽士学住论文 m a s t e r 。st h e s i s 第一章引言 自组装膜( s e l f 如s e m b l e dm o n o 】a y e r s ，s a m s ) 是有机功能分子通过分子间及其 与基体材料闾的物理化学作用而自发形成的，是一种热力学稳定、排列规则的界面 分子组装体系，其具有均匀一致、高密度堆积和低缺陷等特性，由于其优越的性能， 在润滑、吸附、防腐、材料合成、电化学、生物与化学传感器、生物膜等许多领域 中应用广泛【1 2 3 “。 1 1 自组装单层膜 b i g e l o w 等人早在1 9 4 6 年就报道了自组装形成单层膜的现象一他的合作者 z i s m a n 于1 9 6 4 年阐明了其的原理1 6 j 。1 9 8 0 年s a g i v 报道了第一个真正的自组装单 分子层，他将玻璃片、聚二醇、氧化聚乙烯及喷火铝薄化基底浸入正十八烷基三氯 硅烷( o t s c 1 8 h s i a b ) 的有机溶剂中，极短时间得到自组装单分子层r ”。1 9 8 3 年n u z z o 和a 1 l a r a 开创性的自组装膜实验，制备出了有机硫化物分子靠化学吸附作用形成的 有序膜嘲。从此，自组装引起人们的重视，并且得到了深入的研究。 1 1 1 自组装单层膜的制备 自组装单层膜是指分子通过化学键相互作用，自发吸附在固液或气固界面上 形成的热力学稳定和能量最低的单分子层膜【9 】分子能够发生自组装过程需要两个 条件：自组装的动力和导向作用。自组装的动力是分子间的相互作用，它为分子自 组装提供能量，自组装的导向用指的是分子在空间的尺寸和方向上达到分子重新排 列的要求。自组装单分子层膜的形成是基于长链有机分子的头基在基底上的化学键 合作用，成膜分子链之间的范德华力相互作用，以及分子链上特殊官能团之间的相 互作用，由于这三种不同性质力的相互作用，推动了自组装过程，也促进了自组装 分子在电极表面上由无序到有序的重组，最终形成致密、稳定、有序的单分子层。 一个简单的自组装单层膜的组装，只需要一种含有表面活性物质的溶液和一个基 片。将预先清洗或预处理活化过的基片浸泡在溶液中，经过一定反应时间后，表面 活性物质就可以在基片上形成一个排列致密有序的自组装膜( 如图1 1 所示) 。 硕士学住论文 m a s t e r s t h e s i s 图1 1自组装单层膜的形成示意图 自组装单层膜的制备及应用是目前自组装领域研究的主要方向，作为一种构造 纳米有序超薄膜的简单方法，自组装是近年来最为活跃的研究领域之一【埘，受到了 物理学家、化学家、生物学家的普遍关注。 1 1 2 自组装单层膜的特点和类型 由于自组装单层膜是通过固液或气固界面间的化学吸附而形成的，从形成的 过程可以看出它具备以下特点： 原位自发形成、热力学稳定 无论基底形状如何，均可形成表面均匀一致的覆盖层 高密度堆积、低缺陷 分子捧列有序 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 利用有机合成，使制膜有很大的灵活性和方便性 目前，按自组装分子材料不同，自组装单层膜可分为以下几类： 1 脂肪羧及其衍生物类s a m s 长链烷基脂肪酸( g h 撕1 c o o h ) 的自组装是脂肪酸与固体表面的金属氧化物 之间的反应而进行的，自组装体系的推动力来源于羧基与金属氧化物( 如a 臣o 、 c u o 、a 1 2 0 3 等) 表面阳离子相互作用。l a r a 和n 1 l z z 0 、o 髀w a 在这方面研究工作 开展的比较早，首先发现了脂肪酸能在舢2 0 3 表面形成自组装膜的现象【1 1 】， p e m b e n o n 等对直链脂肪酸在a o 表面上的膜结构做了较深入的研究【1 2 1 。 2 一 2 有机硅烷衍生物类s 川s 烷基氯硅烷、烷基烷氧基硅烷和烷基胺基硅烷在形成自组装单层膜时，要求基 片是羟基化的表面，自组装的动力是聚硅氧化物的原位形成与表面的硅羟基( s i o h ) 通过硅氧键( s i 0 s i ) 连接起来，能在s i 0 2 1 1 3 1 、础2 0 3 【1 4 1 、石划堋、云母垌、金1 卫 等为基片上形成这类自组装单层膜。 一至。一妻。一妻。一至。 3 有机硫化物类s a m 8 硫化物在金属表面形成的自组装膜是研究最深入的一类，特别是金与硫化物形 成的自组装膜。由于金表面无自然氧化膜，稳定性好，而且与硫、二硫化合物形成 的自组装体具有良好的稳定性。有机硫化物多为烷基硫醇和二烷基二硫化物，除此 之外还有硫醚【1 8 】、双硫化合物( 1 9 l 、苯硫酚刚、硫基吡呤【2 1 1 和原磺酸盐瞄1 等。 u 4 在硅氢表面上的烷烃s a m s 硅氢表面上的烷烃自组装单分子膜是在硅表面通过c s i 化学键合而形成的自 组装单分子膜，伽d s c v 和n n f o r d 利用r c ( o ) 0 o ( o ) c r 与硅氢表面( h s i ( 1 1 1 ) 或h s i ( 1 0 0 ) ) 的多步自由基反应，获得较为致密的自组装膜【2 3 1 。 5 醇、胺及毗啶类s a 】s 含强极性基团的醇、胺、吡啶类分子容易在铂等金属表面上发生较强的化学吸 附，形成单分子自组装膜。m 峦l 1 1 3 自组装单层膜的组装机理 以烷基硫醇稀溶液在金表面的吸附成膜为例，将基底材料a - u 放入硫醇化合物 的乙醇( 或其他惰性溶剂，如丙酮、苯、异戊烷等) 稀溶液( 0 1 1 0 0 n l m 0 1 d n l 3 ) 中常温常压下浸渍吸附，硫醇化合物就会在金表面自发形成单分子层。硫醇，a u 的 自组装单层膜的驱动力是组装物质的硫原予与金表面形成的共价键，所有硫醇化合 物在金表面形成自组装膜的机理完全相似，都是通过界面反应形成金的一价硫醇盐 i 。反应如下： r s s r + 2 a u u n _ 2 r s - a u + a u u n _ 1r s h + a u o n - + r s _ a u + a u 0 - l + 1 2 h 2 巯基被氧化而生成硫金化合键，牢固地吸附于金基底之上。硫醇分子的巯基与基底 4 一、，k一 ，)一、l ，、，、)，hp遂 金的结合是一个放热反应，金硫键键合强度一般被推测为1 7 0 j m o l 【拥。已有的结 果表明；在金( 1 1 1 ) 晶面，硫以s p 2 杂化轨道与表面金原子成键，a u s c 键角约为 1 2 0 。；硫硫原子最近邻间距0 5 n m ，次近邻间距0 8 7 脚，以( 玎v ，了) r 3 0 结构覆 盖金表面( 如图1 2 所示) 。 图1 2 硫醇吸附在金( m ) 晶面形成的点阵结构 分子亚甲基链以倾斜角( 链主轴与基底表面法线的夹角) 约3 0 。、扭转角( g c - c 平 面与基底表面法线和链主轴组成的平面之间的交角) 约为5 0 。的方向反式密集排列， 形成均匀的单分子层( 如图1 3 所示) 。 x o 图1 3 自组装单分子层上一个分子的侧面图似是倾斜角b 是扭转角) 5 鬈篙。 研究表明，具有反应活性头基的有机分子烷基硫醇在基底金表面自组装成膜一 般可分为快速化学吸附和缓慢有序排列两个阶段1 1 0 】：首先表现为烷基硫醇在金上的 化学吸附，速率非常快，一般只需几分钟，甚至几秒时间，膜的自组装完成8 0 9 0 ，自组装膜的接触角便接近其最大值。在此阶段内，膜组装生成时间与成膜物质 烷基硫醇的浓度有关，浓度越大，化学吸附越快。其次是成膜分子烷基硫醇由无序 到有序，由单重有序到多重有序的复杂过程，这一过程速度非常慢，一般需要几个 小时，表现为接触角和膜厚达到最大值，形成了紧密堆积、有序的自组装单层膜。 这一过程也可以认为是表面重组过程。较长的烷基链或引入具有较强吸附作用的特 殊官能团，均能促进自组装膜的成膜过程。第一阶段的动力学过程主要是烷基硫醇 与表面反应点的结合，其反应活化能可能与表面吸附硫原子的电荷密度有关。第二 阶段动力学过程主要和分子链的无序性、分子链之间作用形式( 范德华力相互作用、 偶极子与偶极子之间的相互作用等) 以及分子在基底表面的流动性等因素有关。另 外长链硫醇( 链长n 9 ) 与短链烷基硫醇( 链长n 9 ) 形成自组装膜的动力学有显 著的区别，这可能与分子之间的范德华作用力( 或能) 的强弱对第二阶段动力学速 率的影响有关。刘忠范等1 2 8 1 研究偶氮苯分子在金基底上成膜过程的动力学行为时发 现，s a m s 的形成可分为最初的快速吸附和随后的慢速重组过程，其相应时间分别 为几十秒和十几小时。 1 2 自组装多层膜 在复杂的生物体系中，各种精巧的功能是通过生物分子间的多种弱相互作用的 协同效应来实现的。一些生物大分子也是基于它们特定的三级结构，通过分子片断 间的各种弱相互作用，自发的组装、堆积形成多层次的空间结构，并最终实现其生物 功能，由单层膜到功能化多层膜的构筑正是受到这一启发而展开的。在自组装多层 膜体系中，通过调控膜厚、引入功能基团以及诱导功能基团取向、控制表面性质、 界面扩散等方法，可以使其具有定的结构和功能，进而研究结构和功能之间的关 系，最终实现由分子组装构筑功能器件。多层组装是在自组装单层的基础上进行的， 它要求在自组装单层膜的表面进行化学修饰，连接上活性基团，如羟基、羧基、酯 基、氨基、卤素等。这类基团可直接用于下层的组装，或者通过化学反应转交成为 功能基，有利于下一层的组装。得到的功能表面又可继续组装和再次功能化，就可 获得多层自组装膜i 嚣】。例如：硅表面自组装单层膜末端的酯可以还原为羟基，进一 步和反应性分子三氯硅烷反应，就可获得自组装多层膜( 如图1 4 所示) 。 6 硕士学住论文 m a s t e r st h e s i s 0 0 2 c 坞 量c b 1 o h 寝面 i 鲁舻 + o h 曩面 图1 4 由s m 形成的自组装多层膜 基于金属配位原理跚，利用双磷酸衍生物构造单分子膜或三维有序的多层膜， 目前得到了较大的发展【3 1 ，3 2 1 ，m a l l o 矧首先发现z r 4 + 与亚烷基二磷酯自动吸附形成 自组装膜，它的原理是基于磷酸化合物与第四副族元素可以生成稳定的不溶性配合 物盐，当磷酸基上的一个羟基被取代为烷基链时生成了一个以金属原子为中心，烷 基链向两边伸展的双层膜结构，这种自组装膜的优点主要是热稳定性高、制备方法 简单，并且可以应用于多种基片。 1 3 自组装膜的表征技术 自组装膜是利用分子的活性基团与基底之间发生化学作用而形成的，在制备过 程中会有许多因素对其产生影响，因此，需要对形成的自组装膜的结构进行表征。 表面分析技术的不断进步直接带动着自组装技术的发展和完善，很多表面分析方法 都可以对自组装膜进行测试。较常用的技术有润湿接触角( c a ) 【州，椭圆光度法 ( s e ) 嘲，表面等离子体共振( s p r ) 谱法m 】，表面红外线光谱( 瓜) 【3 7 】，石英晶 体微天平( q c m ) 【3 8 】，表面增强拉曼光谱( s e r s ) 【3 9 】，x 射线吸收光谱，x 射线 光电子谱( ，s ) 【她4 ，俄歇电子光谱( a e s ) m ，程序控温解吸( d ) 【4 2 】，扫 描电子显微镜( s e m ) f 4 3 1 ，表面解离质谱( s n 讧s ) ，激光鳃吸质谱( u ) m s ) i 删， 扫描隧道显微镜( s 1 m ) ，原子显微镜( 心m ) 阳，荧光光谱和压电方法旧等 等。而电化学方法是研究s a m s 最常用、最方便的技术1 4 & 4 9 j ，电化学方法表征自组 装膜是通过研究修饰电极表面产生的电流、电量、电位等参数间的关系来定性、定 7 顾士学位论文 m a s t e r st h e s i s 量地表征自组装膜的电极过程和性能，主要方法有循环伏安，交流阻抗、电容、计 时电位、脉冲伏安等。用电化学方法可直接给出自组装膜的界面结构和性质的信息， 同时也可现场给出自组装膜中缺陷的大小、形态分布、表面覆盖度、吸附组分的氧 化还原性质、动力学和单分子膜形成机能等。电化学技术具有灵敏度高、快捷方便、 操作简单、选择性好等优点，主要表征技术和可获得的自组装膜的相应性质如表1 所示【4 2 】。 表1 i 自组装单分子层结构和性质的分析研究技术 e m p s o m e 时 厚度 c 叻t a c t i n g 柚g l ea l l d r p d 接触角、湿润性界面上的分子间作用 厚度，通透性，缺陷。自组装机理，界面电子传递，法 拉第过程及其影响因素 跚：q ( m吸附动力学，表面吸附物质量测定 孤r a m n单层结构，分子取向与排列，分子问相互作用 s h gs f ：g吸附动力学，表面层结构 s p r表面组成分析 表面组成分析 l e e d 既d分子排列与取向，单层有序性 表面组成分析 表面结构分析，单层有序性 ie ：h e d 表面结构分析，表面层晶格参数 s 耵讧，a f m ，腰m表面形貌，电子跨单层传递，界面作用力，表面粘弹性， 表面重组与重建 1 4 自组装膜界面的分子识别作用研究 分子识别理论，是1 9 8 4 年由b 1 a l o c k 等提出以来，它的基础在于：对互补d n a 或r n a 编码的氨基酸、多肽具有水合互补性“h y d r o p a t l l i cc o m p l 咖e n t a r i t y j ，而亲水 和疏水作用是蛋白质分子或多肽分子之问相互作用的重要因素例。分子识别指在复 杂的混合物体系中，一个分子或分子片段特异性地识别另一个分子或分子片段，并 通过非共价键相互结合形成一个复合物或超分子的现象印】，是生物体实现其特殊功 能的基本过程，并在生命活动中起中心作用【5 甜。分子识别的特点是其选择性和可逆 性，在生物体d n a 中，碱基对间互补形成的基于氢键的分子识别是生命体系的重 8 硕士学位论文 m a s t e r st 腿s i s 要特征。研究和分析生物分子识别作用机理及分子结构和功能之间的关系，对在分 子水平上预测疾病发生、阐明生命活动规律和生命现象本质至关重要，酶选择性催 化生化反应、抗体与抗原的结合、蛋白质分子与d n a 序列之间的相互作用等都是 源于精确的分子识别( 5 3 驯，分子识别也是从对酶、受体、抗原、抗体等分子的研究 中发展出来的，并已广泛用于合成分子的研究，是多个学科的生长点【1 4 1 。基于自组 装膜界面的分子识别研究主要可以分为以下几类： 1 分子大小的识别：即通过有效地控制自组装膜中缺陷的大小、数目、分布 和化学性质，选择性地偶合相似直径大小和结构的受体。 2 静电相互作用：s u n 制备4 胺基硫酚自组装膜通过静电相互作用，在不同 p h 值的环境下对电化学探针具有特殊的识别作用1 5 ”。 3 离子键和氢键的识别。 4 金属离子的络合识别：2 2 巯基二( 乙基乙酰乙酸酯) 与十八烷基硅烷组 成的自组装膜可以选择性地键合识别c i l 2 + 和p b 2 + ，同时阻碍f 尹的电化学 检测冈。 5 生物识别：例如带生物素功能基的自组装膜可识别链霉亲合素p 7 1 。 研究自组装膜界面分子识别作用，了解受体与底物问识别作用的推动力与二者 结构之间的关系对理解生物体内一系列化学现象的本质、增进对生命的识别、建立 仿生模型、合成出高效的仿酶催化剂、手性拆分以及利用分子识别建造分子器件等 具有重要的意义。自组装膜界面生物分子识别及应用是生物学、化学和材料学等学 科的重要研究领域之一【5 8 l ，被有机化学家看作是一种合成的艺术，生物学家用其来 模拟生物膜对离子、蛋白质的识别过程。 1 5 自组装膜的应用研究 自组装技术的迅速发展，以自组装膜为基础，迸一步修饰自组装膜分子的末端 基团，在电极表面构筑超分子膜，能获得特定的性质和功能，在光电转换、分子器 件、纳米尺度上的图案加工、生物传感器、长链聚合物分子的有序组装、生物大分 子的定向识别组装等领域的研究很活跃，自组装膜在这些方面都表现出显著的优点 和潜在的应用价值【5 w 。 1 表面修饰：自组装膜技术制各的纳米涂层可改善表面润湿性、硬度、磁性、 生物兼容性，如在塑料表面缎装a 1 2 0 3 或z 幻2 纳米粒子多层膜；在透镜与光纤的表面 组装染料涂层以及其它反射涂层等。 2 传感器与生物反应器：利用自组装可做成很薄的单层蛋白质薄膜，这种薄膜 9 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 可作为重要的生物传感器元件。在生物反应器载体上的酶聚离子多层膜的沉积使其 活性按固定酶层的数目成比例增加，连续的2 3 步催化反应可在多层蛋白质膜上实 现。聚离子使酶层保持在一起并可被维生素、调节反应活性的特种染料或金属催化 剂纳米粒子掺杂【删。g 0 0 d i r l g 等人曾用对金电极修饰的方法，将葡萄糖氧化酶固定 在3 巯基丙酸幽m s 上，该电极能在较宽的浓度范围内对葡萄糖进行响应【6 l 】。刘国军 等【6 2 l 发现用微相分离化学处理法得到的纳米孔道具有“传感器”的作用。 3 纳米反应器：由酶、纳米粒子和聚合物有序多层壳构筑成的小催化单元，可 用聚合物胶束作“纳米反应器”，得到单分散的金属粒子和半导体纳米粒子或纳米晶 粒。k a n e 等【6 3 斛】利用嵌段共聚物聚丁二烯聚环氧乙烷( p b - b p e o ) 组装成的球形胶束 作为纳米反应器，制备了金属纳米晶粒和p b s 纳米簇；u n d e m l l 用这种方法制得了 f e 2 03 纳米晶材料【“。 4 电子器件：2 0 0 0 年，w r i g h t 等【蛔报道了含有刚性的苯环和柔性类开链冠醚 结构的聚合物与锂离子通过配位键配合，得到具有液晶性质的有序结构，这种有序 的固态聚电解质为锂离子构建了离子通道，具有很好的充、放电能力，可用于制作 薄膜锂电池：m j c h c l s 叨等瞰l 则报道了可溶性的高分子量的卟啉聚合物单体单元优良 的光电化学性质，使得这种聚合物具有了电荷储存和传输及非线性光学等特性： 2 0 0 1 年，d i l l o l f o 等【鹋1 报道了以超分子配合物为基础的功能性多孔性材料，这些材 料具有分子捕获或分离、选择性化学传感性和选择性化学催化性等功能。 5 光学元件及光学传感器：多层有机薄膜中可引入具有非线性光学性能的有 机组分例，使有机薄膜具有较高的非线性光学系数；聚苯乙炔( p p v ) 及其衍生物聚 电解质以自组装形式组成的聚合物纳米复合膜在蓝光至红光波长范围内显示出极 好的、波长可调的电致发光和光致发光性能【7 0 1 。 1 6 生物素自组装膜体系的研究 生物素亲合素链霉亲合素中性亲合素( b i 0 6 d a v i 曲1 s t r c p t a v i d i n 小c u t r a 、，i d i n ) 广泛应用于分子生物学研究之中。生物素( b i o 血) 含有三个不相同的手性碳原子， 全顺式的d f + ) _ b i o t i l l ( 生物素) 才具有维生素h 的生理活性【7 1 】。其英文名称是 c i s - h c x a h y d r o 2 o x o 1 h - t i l i c n o f 3 ，4 1 i m i d a z o l c 4 p e n t 柚o i c a d d ，分子结构如下图( 1 ，5 ) 所示。 1 0 硕士学住论丈 m a s t e r st h e s f s h 图1 5d ( + ) - 生物素图1 6 链霉亲合素蛋白与生物索结合物 亲和素触i d i n 又称卵白蛋白，是从卵白蛋白中提取的一种碱性糖蛋白：等电点 ( p i ) 为1 0 1 0 5 ，含糖约l o ，分子量为6 8 k d a 。a v i d i n 有4 个结合位点可与b i o t i n 结合， 这种基于分子识别的非共价性反应，具有高度亲和力，要超过抗体对大多数抗原亲 和力的1 0 0 万倍。链霉亲合素( s t r e p t a v i d i n ) 从链霉菌( s t r e p t o m y o 矧d i i ) 中提 取一个分子量为6 0 l 的蛋白，其等电点为6 ，与中性p h 接近，在生理p h 或轻度碱性 p h 下仅带微量电荷。它同样是有四个与生物素高亲和合结合位点，而且不含糖链i q 。 中性亲合素( b k u t 珀_ v i d i n ) 是亲合素a “曲1 的脱糖蛋白，等电点为7 ，分子量6 0 k d a 。 由于其不含糖链，大大降低了其与蛋白的非特异性吸附。 亲合素、链霉亲合素和中性亲合素都具有与生物素结合的四个位点( 如图1 6 所示) ，亲合力常数高阪= 1 0 1 5m 1 ) 1 7 3 】，是迄今为止所知道的最高非共价键结合力。 除了三者分子量、等电点、是否含糖链等不同外。重要的是链霉亲合素与生物素的 结合位点要比亲合素和中性亲合索的结合位点要深。这一区别在通过生物素化试剂 制备能与各种亲合素结合的生物素衍生物时要引起重视。 目前，基于生物素亲合素雕霉亲合素中性亲合素自组装膜体系主要在以下方 面获得重要应用：医学诊断、环境监测、抗生素跟踪、食品添加剂检测、实时化学 和生物反应检测等。 生物素亲合素链霉亲合素中性亲合素自组装膜体系实现的主要方法是：1 ) 界 面固定生物素衍生物，进而与亲合素或链霉亲合素或中性亲合素组装；2 ) 界面固 定各种亲合素，进而与生物素衍生进行组装。因此，各种有机分子和生物分子的生 物素化，是研究生物素亲合素链霉亲合素中性亲合素自组装膜体系应用的关键。 1 1 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 将生物素末端的羧基转化为含活泼酯等衍生物，得到各种生物素化试剂，可以氨基、 羧基、巯基等蛋白质官能团的生物素化，进而可以实现各种亲合素分子组装表面的 蛋白质组装和识别研究。a i l z a i 等研究了抗生素蛋自在石英表面组装，固定的a v i d i n 保持了对生物索的结合活性，能有效地结合生物素、脱硫生物素、亚胺生物素等分 子【7 4 l ；h o s l l i 等利用抗生素蛋白与生物素之间的强亲和力，在石英表面组装生物素 标记的抗体多层膜网。 1 7 选题的意义及论文设计 自组装技术迅速的发展，以自组装膜为基础，进一步修饰自组装膜分子的末端 基团，在电极表面构筑超分子膜，能获得特殊的性质和功能，大大扩充了化学修饰 电极的应用范围，在长链聚合物分子的有序组装、生物大分子的定向识别组装等领 域的研究非常活跃。许多学者利用分子自组装，在金属表面构筑具有特殊物理和化学 性质的功能组装体系，并探求其在催化剂、超分子药物、具有生物相溶性的功能的材 料方面的应用。 界面功能化的自组装膜对诸如分子器件、传感器、生物和表面修饰材料等多种 应用起着至关重的作用，功能化的s m 脑可以与其它物质发生反应，或直接应用于 某些实际需求。在s a m s 烷烃链的另一端接一些比较复杂的功能基团，如= 戊铁基、 生物素基团、双吡啶基、四硫烯富瓦烯羧酸盐和四苯基卟啉等，这些单层膜于是就 变成研究表面现象、电子转移以及分子识别的模型体系。而在固体表面上组装生物 素终端化的薄膜，再利用生物素与其它物质特别是亲合素链霉亲合素中性亲合素 吸附结合，从而得到新的组装体系。b i o n n a v i 血临仃e p t a v i d i n 肫u t r a v m n 分子组装 体系的研究应用已经非常多，因为这一体系有几个优点：( 1 ) 亲合著叫莲霉亲合素 中性亲合素具有匹个与生物素结合的活性位点：( 2 ) 亲合素，链霉亲合素，中性亲合 索与生物素相互结合能力强，有非常大的结合能，这一体系很稳定；( 3 ) 亲合素 链霉亲合素，中性亲合素所组成的界面为后面物质的组装提供了保持生物活性的环 境。 因此，作为b i o t i n a v i d i n ，s t d e p t a v i d i n p k u t f a v i d i n 分子组装体系的前期研究工 作，本论文的工作就是合成含有巯基和a 硫辛酸的长醚链生物素衍生物，并以它们 的自组装膜为对象，以电化学实验为主要研究工具，在金电极表面构建含有生物素 衍生物的模型化合物。预计进行的工作可分为以下几点： 1 利用a - 硫辛酸、生物素、2 ，2 亚乙二氧基二乙胺、4 ，7 ，1 0 三氧一1 ，1 3 一 十三烷二胺等原料，设计合成两种含硫辛酸的生物素衍生物( 结构式如图) 。 1 2 硕士学住论文 m s t e r s t h e s i s s s h n 7 o v “0 n h n ，v 气o v o o n h h o o 0 t b 瞄 2 利用苄硫醇、1 1 溴十一酸、生物素、2 ，2 亚乙二氧基二乙胺、4 ，7 ，l o 三氧1 ，1 3 十三烷二胺等原料，设计合成两种含巯基的生物素衍生物( 结构式如图) 。 s h 八一一八一叉n 。一。 h h 国d a o h s 八八、v 人日八、。v 。v “旷p 却曰，盖 o h n y n h o 3 利用自组装技术把合成的四种化合物自组装装到金电极上，设计制备四种 修饰电极。 4 选两种合成的化合物分别与1 1 ，1 1 二硫二( 十一醇) 采用不同比例混合，在 a u 电极上形成混合自组装膜，采用循环伏安法和电化学阻抗谱等对上述自组装膜 进行表征，初步研究这些自组装膜的结构。 硕士学住论文 m a s t e r st h e s i s 第二章具有自组装功能的生物素衍生物的合成 2 1 引言 自组装单分子层膜( s m s ) 由于具有良好的稳定性和有序性，大量文献已经报 道过巯基和二硫化合物【2 9 】通过a u s 可以共价结合于金表面，形成高度有序的自组 装膜，成为研究有关表面和界面各种复杂现象诸如膜的渗透性、表面电荷分布、分 子识别、电子转移理论等方面的理想模型体系，硫醇及其衍生物的