（化学专业论文）多层膜的组装及新型含硫化合物电化学传感器的构筑.pdf

摘要 摘要 自组装多层膜应用于电化学传感器中，可根据电化学传感和电催化响应的要 求，选用不同材料作为电极上的修饰组分；可利用底物与酶的作用发挥电极高效、 灵敏的检测功能。因此，自组装多层膜电化学传感器的应用研究具有重要意义。论 文建立了羧基化碳纳米管c n t s 在巴比妥水溶液中的分散体系，研究了水溶性c n t s 材料的特性及其构筑的自组装多层膜的电化学特性；构建了基于多层膜的新型含硫 化合物电化学传感器，实现了对硫化物和巯基化合物的快速、灵敏的检测；研究了 含硫化合物电化学传感器在环境样品和生物样品中的分析应用，建立了复杂体系中 含硫化合物的快速检测方法。 论文构建了基于伴刀豆球蛋白( c o na ) 和辣根过氧化物酶( h r p ) 的生物识 别作用的c o n a h r p 多层膜的巯基化合物电化学传感器。原子力显微镜( a f m ) 和 电化学阻抗谱( e i s ) 均显示了c o n a h r p 多层膜结构的均匀有序。基于抑制机理， 多层膜传感器实现了对多种还原性巯基化合物快速灵敏的检测，氧化性巯基化合物 对检测不产生干扰，c o n a h r p 多层膜传感器显示了很好的选择性。 论文建立了羧基化碳纳米管( c n t s ) 在巴比妥水溶液中的均一稳定的分散体系， 并以此水溶性的c n t s 材料构建了硫化物电化学传感器。s e m 和拉曼光谱表明羧基 化的c n t s 纯度和有序度均有极大的增强。水溶性c n t s 具有长期均一稳定的特性， u v - v i s 光谱研究表明巴比妥对c n t s 原有的特性不造成影响。用水溶性的多壁碳纳 米管( m w n t s ) 构筑了m w n t s h r p 多层膜，a f m 和扫描电镜( s e m ) 监控了均 匀有序的m w n t s h r p 多层膜的形成过程，u v - v i s 显示h r p 的活性随着组装的 m w n t s h r p 层数的增加而呈线性增长关系。研究了m w n t s h r p 多层膜电化学传 感器的电化学特性，m w n t s 在电极表面具有促进电子传递的作用。m w n t s h r p 多层膜传感器用于检测无机硫化物，对硫化物检测的线性范围为0 4 1 6 6p m o l l 1 ，检出限为0 0 8p m o ll - 1 。m w n t s h r p 多层膜电化学传感器具有重现性好、稳 定性强的特点。 论文研究了m w n t s 中引入聚阳离子聚丙烯胺( p a h ) 后得到的水溶性 p a h m w n t s 复合材料，并以此材料构建了新型毓基化合物电化学传感器。透射电 浙江大学博士学位论文 镜( t e m ) 显示p a h 包裹在m w n t s 的表面，u v i s 光谱表明水溶性p a h m w n t s 材料很好地保持了m w n t s 的原有特性。在金电极上构筑了均匀有序的 p a h m w n t s i - i r p 多层膜，循环伏安法研究表明聚电解质和纳米材料的协同作用导 致电极表面的酶固定量增大，电子传递速度加快。构建了巯基化合物电化学传感器， 实现了对一系列还原性巯基化合物快速灵敏的检测，而氧化性巯基化合物对检测不 产生干扰。该多层膜电化学传感器表现出重现性好和稳定性强的特点。 论文研究了含硫化合物电化学传感器在复杂体系中的分析应用。c o n a ，h r p 多 层膜传感器对环境样品中可能存在的各种阳离子和阴离子具有较强的抗干扰能力， 表明该传感器具有高的选择性。对多种来源的废水中无机硫化物进行了分析检测， 相对标准偏差在2 5 以内。研究了葡萄糖、尿酸、抗坏血酸、氨基乙酸、天门冬 氨酸、色氨酸、酪氨酸、丙氨酸、谷氨酸盐和苯丙氨酸等对p a h m w n t s h r p 多 层膜传感器的干扰情况，多层膜传感器表现了很强的抗干扰能力。测定了多个血清 样品中半胱氨酸，发现回收率在9 8 4 1 0 6 ，结果令人满意。以上结果表明，论文 构筑的多层膜电化学传感器能够应用于实际复杂样品的检测，具有非常大的应用潜 力。 关键词：自组装多层膜，电化学传感器，含硫化合物，辣根过氧化物酶 u a b s t r a c t a b s t r a c t t h ea s s e m b l ym u l t i l a y e rf i l mt h r o u g hl b lt e c h n o l o g yc a ne f f e c t i v e l yr e t a i ni t s s t a b i l i t y w h e nt h ea s s e m b l ym u l t i l a y e rf i l mi sa p p l i e di n t oe l e c t r o c h e m i c a lb i o s e n s o r t h em u l t i l a y e re l e c t r o d ec a ns e l e c t e dd i f f e r e n tm a t e r i a l sa st h em o d i f i e dc o m p o n e n t s b a s e do nt h ed e m a n d so fe l e c t r o c h e m i c a ls e n s i n ga n de l e c t r o c a t a l y s i s ，a n dc a nm a k eu s e o ft h er e a c t i o no fs u b s t r a t ea n de n z y m et oa c h i e v et h ee f f i c i e n ta n ds e n s i t i v e d e t e r m i n a t i o n ，a n dc a ns i m p l ya d j u s tt h et h i c k n e s st oc h a n g et h ea m o u n to ft h e i m m o b i l i z e de n z y m ea n dc o n t r o lt h ec a t a l y s i sa b i l i t yo fm u l t i l a y e rf i l m t h ec o n s t r u c t i o n o fa s s e m b l ym u l t i l a y e rf i l ma n di t sa p p l i c a t i o ni ne l e c t r o c h e m i c a lb i o s e n s o rh a v et a k e n o nt h es i g n i f i c a n c e t h i sp a p e rc o n s t r u c t e dad i s p e r s es y s t e mo fc a r b o x y l a t e dc a r b o n n a n o t u b e s ( c n t s ) i nb a r b i t u r a t es o l u t i o n sa n dr e s e a r c h e dt h ec h a r a c t e r i z a t i o no fs o l u b l e c n tm a t e r i a la n dt h ee l e c t r o c h e m i c a lp r o p e r t yo ft h ea s s e m b l ym u l t i l a y e rf i l m t h e n o v e l s u l f - c o m p o u n d e l e c t r o c h e m i c a lb i o s e n s o rb a s e do n m u l t i l a y e r f i l mw a s c o n s t r u c t e da n da c h i e y e dt h ef a s ta n ds e n s i t i v ed e t e r m i n a t i o nf o rs u l f i d e sa n dt h i o l s t h e p a p e re x p l o r e dt h ea n a l y t i c a la p p l i c a t i o no f t h es u l f - c o m p o u n de l e c t r o c h e m i c a lb i o s e n s o r i ne n v i r o n m e n t a la n db i o l o g i c a ls a m p l e s t h ef a s td e t e c t i o nm e t h o df o rs u l f - c o m p o u n d s i np r a c t i c a ls y s t e mw a sc o n s t r u c t e d b a s e do nt h eb i o s p e c i f i ca f f i n i t yo fc o n c a n a v a l i na ( c o na ) a n dg l y c o p r o t e i n h o r s e r a d i s hp e r o x i d a s e ( h r p ) ，( c o na h r p ) nw a sp r e p a r e da n dd e v e l o p e dt oat h i o l e l e c t r o c h e m i c a lb i o s e n s o r t h ea t o m i cf o r c em i c r o s c o p y ( a f m ) a n de l e c t r o c h e m i c a l i m p e n d e n c es p e c t r a ( e i s ) b o t hi n d i c a t e dt h eh o m o g e n e o u sa n du n i f o r mp r o p e r t i e so f t h e c o na h r pm u l t i l a y e rf i l m u n d e rt h eo p t i m a lc o n d i t i o n s ，as e r i e so fr e d u c e dt h i o l sw e r e d e t e c t e db yt h i si n h i b i t i o nb i o s e n s o ra n do x i d i z e dt h i o l ss h o w e dn oe f f e c to nt h ec u r r e n t r e s p o n s eo ft h eb i o s e n s o r t h em u l t i l a y e rb i o s e n s o re x h i b i t e dg o o ds e l e c t i v i t y t h eh o m o g e n e o u sa n ds t a b l ed i s p e r s i o no fc n t si nb a r b i t u r a t es o l u t i o n sw a s o b t a i n e d b a s e do nt h es o l u b l ec n t m a t e r i a l ，t h es u l f i d ee l e c t r o c h e m i c a lb i o s e n s o rw a s c o n s t r u c t e d s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) a n dr a m a ns p e c t r ai n d i c a t e dt h a tt h e d e g r e e so fp u r i f i c a t i o na n do r d e ro fc a r b o x y l a t e dc n t si n c r e a s e d t h ed i s p e r s i o no f c n t sc a nb er e m a i ns t a b l yf o ro n ey e a r u v - v i ss p e c t r ar e v e a l e dt h eb a r b i t a lh a dn o e f f e c to nt h ei n t r i n s i cp r o p e r t yo fc n t s o fm w n t si n0 4m o ll 1b a r b i t a lb u f f e r sw a s r e s e a r c h e d t h es o l u b l em u l t i w a l lc a r b o nn a n o t u b e s ( m w n t s ) w a su s e dt oc o n s t r u c t e d m w n t s i - i r pm u l t i l a y e rf i l m a f ma n ds e mm o n i t o r e dt h eu n i f o r ma s s e m b l yp r o c e s s i i i 浙江大学博士学位论文 o fm w n t s h r pm u l t i l a y e rf i l ma n du v 新si n d i c a t e dt h el i n e a rr e l a t i o n s h i po ft h eh r p a c t i v i t ya n dt h en u m b e ro fb i l a y e r t h ee l e c t r o c h e m i c a lp r o p e r t yo ft h em w n t s h r p m u l t i l a y e rb i o s e n s o rw a sr e s e a r c h e da n dt h er e s u l t sr e v e a l e dm w n t so nt h ee l e c t r o d e i m p r o v e d t h ee l e c t r o nt r a n s f e r t h em w n t s h r pm u l t i l a y e rb i o s e n s o rc a l lb e s u c c e s s f u l l ya p p l i e dt od e t e c ts u l f i d e ，w h i c hp r e s e n t e dal i n e a rr e s p o n s ef r o m0 4t o16 6 p m o ll w i t had e t e c t i o nl i m i to fo 0 8p m o ll - 1 t h ee l e c t r o c h e m i c a lb i o s e n s o re x h i b i t e d h i g hs e n s i t i v i t y , g o o dr e p r o d u c i b i l i t ya n ds t a b i l i t y t h ep o l y c a t i o np o l y ( a l l y l a m i n eh y d r o c h l o r i d e ) ( p a d q ) w a si n t r o d u c e di n t ot h e s o l u b l em w n t st oo b t a i nt h ew a t e r - s o l u b l ep a i l - m w n t sm a t e r i a l ，a n dt h en o v e lt h i o i e l e c t r o c h e m i c a lb i o s e n s o rw a sc o n s t r u c t e d t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p e ( t e m ) a n du v - v i ss p e c t r ar e v e a l e dm w n t sw e r ew r a p p e dw i t hp a ha n dr e t a i n e dp r i s t i n e f e a t u r e t h ep a h m w n t s h r pm u l t i l a y e rf i l mw a sf a b r i c a t e do nt h ea ue l e c t r o d e t h e c y c l i cv o l t a m m o g r a m ( c v ) i n d i c a t e dt h ec o o p e r a t i o no ft h ep o l y e l e c t r o l y t e a n d n a n o m a t e r i a ll e dt oi n c r e a s i n gt h ea m o u n to fi m m o b i l i z e de n z y m ea n di m p r o v i n gt h e e l e c t r o nt r a n s f e r t h er e d u c e dt h i o l sw e r ed e t e c t e db yt h ep a h m r l 、i t s h r pm u l t i l a y e r b i o s e n s o ra n dt h eo x i d i z e dt h i o l ss h o w e dn oe f f e c to nt h ed e t e c t i o n t h ee l e c t r o c h e m i c a l b i o s e n s o re x h i b i t e dg o o dr e p r o d u c i b i l i t ya n ds t a b i l i t y t h em u l t i l a y e re l e c t r o c h e m i c a lb i o s e n s o r sf o rs u l f - c o m p o u n d sw e r ed e v e l o p e dt o p r a c t i c a la p p l i c a t i o n t h ec a ) m m o nc a t i o n sa n da n i o n sf r o me n v i r o n m e n t a lm a t r i x c o m p o n e n t s s h o w e d1 1 0i n t e r f e r e n c eo nc o na h r p m u l t i l a y e r b i o s e n s o rf o r d e t e r m i n a t i o no fs u l f i d e ，w h i c hr e v e a l e dt h eh i 曲s e l e c t i v i t yo ft h eb i o s e n s o r d i f f e r e n t t y p e so fw a s t ew a t e rs a m p l ew e r ea n a l y z e db yc o na h r pm u l t i l a y e rb i o s e n s o r t h e r e s u l t sw e r ec o n s i s t e n tw i t ht h a to fs t a n d a r ds p e c t r o p h o t o m e t r i cm e t h o d t h ep o t e n t i a l i n t e r f e r i n ga g e n t si nb i o l o g i c a lf l u i d sd i dn o te f f e c tt h ed e t e c t i o no fp a h m w n t s h r p m u l t i l a y e re l e c t r o c h e m i c a lb i o s e n s o rf o rc y s t e i n e ( c s h ) t h eb i o s e n s o rw a su s e dt o a n a l y s i st h ec s hc o n t e n to fb l o o ds e r u ms a m p l e t h er e c o v e r i e so fc s hi nd i f f e r e n t s e r u m sw e r eo b t a i n e da n dr a n g e df r o m9 8 4t o1 0 6 t h ea b o v er e s u l t sr e v e a l e dt h e d e v e l o p e dm u l t i l a y e re l e c t r o c h e m i c a lb i o s e n s o rp o s s e s s e st h ea p p l i c a t i o np o t e n t i a la n d c o u l db ea p p l i e di n t ot h ep r a c t i c a la n a l y s i s k e y w o r d s ：s e l f - a s s e m b l ym u l t i l a y e rf i l m ，e l e c t r o c h e m i c a lb i o s e n s o r , s u l f - c o m p o u n d ， h o r s e r a d i s hp e r o x i d a s e ( h r p ) i v 浙江大学博士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得堂鎏盘鲎或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：办1 两岛签字日期：加7 年岁月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权逝i 三盘鲎可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：o 。函声 导师签名： 签字日期2 研年弓月罗日 签字日期：年月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：对i 玛山火f 善化翻e 工喜陟 通讯地址：黄冈l l l 娥他材匕工尝产匕 1 4 2 电话：0 7 夕6 g 脚毕7 。 邮编：夕够岁p 7 第一章绪论 1 1 选题依据及意义 第一章绪论 含硫化合物包括无机含硫物和有机含硫物。无机硫化物经常在废水中出现， 对环境造成了很大的污染，并且对人类的身体健康构成了极大的威胁【l 。3 1 。有机含 硫物如巯基化合物在人体细胞的新陈代谢和动态平衡中起着至关重要的作用【4 5 】， 尤其是还原性的巯基化合物如半胱氨酸( c s h ) 和谷胱甘肽( g s h ) ，它们很容 易被氧化破坏，因此可以作为一些心血管疾病的诊断标记物【6 - 9 】。寻找一种直接、 快速、灵敏地检测含硫化合物的分析检测方法是至关重要的。目前，一些常规的 仪器分析方法如分光光度法 1 0 , 1 1 】，色谱法【1 2 , 1 3 - 1 5 】，化学发光法【1 6 1 ，极谱法【1 7 】和毛 细管电泳法【1 8 】等都能够实现对含硫化合物的检测。但这些方法对样品进行前处理 困难，而且操作繁琐费时，极大的限制了它们在分析检测中的应用。 近年来发展的电化学传感器技术具有简便、快速和灵敏等特点，为含硫化合 物的测定提供了一种有效的手段。许多电化学传感器由于结合了生物体，能够进 行恰当的生物信号转换，适于检测含硫化合物。基于吸附法建立的胶体金生物传 感器【1 9 】对腈化物和硫脲更为灵敏，并且8p m o ll 。1 的检出限不太适用于环境水样的 检测。h u a n g 等【2 0 】将酪氨酸酶混合在碳糊电极中实现了对c s h 和g s h 的检测； h a s s a n a 等【2 1 】将半胱氨酸脱硫水化酶固定在电极上实现了对c s h 的检测；谷胱甘 肽还原酶和巯基氧化酶的壳聚糖膜修饰在光谱石墨棒上形成了谷胱甘肽生物传感 器【2 2 1 。然而，在使用过程中电极表面成分的流失始终是其难以解决的一个问题， 这极大地影响了电极的稳定性、使用寿命和选择性。y a n g 等人【2 3 】基于自组装单层 膜( s a m ) 构建了辣根过氧化物酶( h i 冲) 传感器用于检测硫化物，克服了电极 表面成分的流失问题，检出限也有了极大的提高，但传感器对一些常见的阳离子 的干扰无法避免，对实际样品的检测受到限制。 逐层自组装( l b l ) 技术是九十年代初发展起来的制备有序多层超薄膜的方法。 该方法具有操作简单，条件温和，不受基底大小和形状的限制等优点。近年来该 方法迅速扩展到无机纳米粒子、蛋白质、染料和d n a 等功能性物质的自组装f 2 4 之8 】， 浙江大学博士学位论文 成为生物传感器研究中一个很重要的生物分子固定化技术。由逐层自组装法制备 的多层膜，其每一层的组成、厚度、取向可以巧妙地控制和操作，并且能有效地 保持膜的稳定性。这种自组装多层膜在导电、催化、微胶囊、生物传感器、非线 性光学器件等方面都具有广阔的应用前景。自组装多层膜应用于电化学传感器中， 可根据电化学传感和电催化响应的要求，选用不同材料作为电极上的修饰组分； 可利用底物与酶的作用发挥电极高效、灵敏的检测功能。更有意义的是随着多层 膜层数的增加，电极对底物小分子的催化响应信号增强，因此通过简单控制多层 膜的厚度，则可以改变酶在电极上的修饰量，从而控制多层膜的催化能力，这是 多层膜电极用于电化学传感器的优越之处。 1 2 本论文的主要研究内容 本论文的主要工作是通过l b l 技术基于生物识别作用和静电作用构建了不同 的多层膜和多层膜电化学传感器。在多层膜中引入了纳米材料，用扫描电镜 ( s e m ) ，透射电镜( t e m ) 、原子力显微镜( a f m ) 、拉曼光谱、u v - v i s 光谱和 电化学阻抗谱( e i s ) 等方法对自组装多层膜的表面形貌、自组装过程及其特性进 行了表征。自组装多层膜电化学传感器实现了对含硫化合物包括无机含硫物和有 机含硫物的检测，并且应用于实际样品的分析。 利用伴刀豆球蛋白( c o na ) 对h r p 的生物特异性识别作用，通过l b l 技术 组装t ( c o na m r p ) n 多层膜并构建y ( c o na m r p ) n 多层膜电极。首次发现了羧基 化碳纳米管能够很好地溶解在巴比妥缓冲液中，研究了水溶性多壁碳纳米管 ( m w n t s ) 材料的特性，组装了( m w n t s h r p ) n 纳米多层膜，构建了 ( m w n t s m r p ) n 纳米多层膜电极。将聚电解质聚丙烯胺盐酸盐( p a h ) 和纳米材料 结合，组装- j ( p a h m w n t s h r p ) n 聚电解质纳米多层膜，并构建了聚电解质纳米 多层膜电极。将构建的多层膜电极用电化学方法时间电流曲线法对硫化物和一系 列的巯基化合物进行了检测，建立了含硫化合物电化学传感器。研究了电化学传 感器对废水中硫化物的分析和血清中的半胱氨酸的测定。 2 第一章绪论 参考文献 1 p a m a i l 【p ，ac o m p r e h e n s i v eg u i d et ot h eh a z a r d o u sp r o p e r t i e so fc h e m i c a ls u b s t a n c e s ，2 n de d ， w i l e y , n e wy o r k , 19 9 9 2 p o h a n i s hr p - ，g r e e n es a ，h a z a r d o u sm a t e r i a l sh a n d b o o k , v a nn o s t r a n d r e i n h o l d , n e wy o r k , 1 9 9 6 3 p l l a c zw ，s z a h u nw ，a n a l y s t , 1 9 9 5 ，1 2 0 ：9 3 9 - 9 4 1 4 p a s t o r ea ，f e d e r i c ig ，b e r t i n ie ，p i e m o m ee ，c l i n c h i m a c t a , 2 0 0 3 ，3 3 3 ：1 9 - 3 9 5 f i l o m e n ig ，r o t i l i og ，c i r i o l om r ，b i o c h e m p h a r m a c 0 1 ，2 0 0 2 ，6 4 ：10 5 7 - 10 6 4 6 h e l b l i n gb ，v o no v e r b e c k , j ，l a u t e r b u r gb h ，e u r j c l i n i n v e s t ，1 9 9 6 ，2 6 ：3 8 4 4 7 m a t a sj m ，p d m z - g 6 m e zc ，b l a n e am ，c l i n c h i m a c t a , 2 0 0 0 ，2 9 6 ：1 - 15 8 r e b f i ni ，k a m z a l o vs ，s o h a lr s ，f r e er a d i e b i 0 1 m e d 2 0 0 3 ，3 5 ：6 2 6 - - 6 3 5 9 s t u l i kk ，e l e c t r o a n a l y s i s ，19 9 9 ，11 ：10 01 - 10 0 4 1 0 k o ht ，m i u r ay ，y a m a m u r on ，t a k a k it ，a n a l y s t , 1 9 9 0 ，11 5 ：11 3 3 11 3 7 1 1 s h a hj ，d e b i a s i v ，c a m i l l e rp ，a n a l p r o c 1 9 9 5 ，3 2 ：1 4 9 - 1 5 2 1 2 h a nk ，k o c h 、f ，a n a l c h e m 1 9 8 7 ，5 9 ：1 0 1 6 - - 1 0 2 0 1 3 e r e a ln ，y a n gp ，a y k i nn ，j c h r o m a t o g r b ，2 0 0 1 ，7 5 3 ：2 8 7 - 2 9 2 1 4 r a g g im a ，m a n d r i o l lr ，c a s a m e n t ig ，d ，b i o m e d c h r o m a t o g r ，1 9 9 8 ，1 2 ：2 6 2 - 2 6 6 1 5 t a k a g ik ，k a t a o k ah ，m a k i t am ，b i o s c i b i o t e c h b i o c h e m ，1 9 9 6 ，6 0 ：7 2 9 - 7 3 1 16 h o w a r da g ，y e hc y ，a n a l c h e m ，1 9 9 8 ，7 0 ：4 8 6 8 - 4 8 7 2 17 s a f a v ia ，k a r i m im a ，t a l a n t a ，2 0 0 2 ，5 7 ：4 91 - 5 0 0 1 8 o s h e at j ，l u n t es m ，a n a l c h e m ，1 9 9 3 ，6 5 ：2 4 7 - 2 5 0 1 9 z h a oj g ，h e n k e n sr 。w ，c r u m b l i s sa 。l ，b i o t e c h n 0 1 p r o g ，1 9 9 6 ，1 2 ：7 0 3 - 7 0 8 2 0 h u a n gt h ，k u w a n at ，w a r s i n k ea ，b i o s e n s b i o e l e c t r o n ，2 0 0 2 ，1 7 ：11 0 7 - 1 11 3 2 1 h a s s a ns s m ，e l - b a z ba e ，a b d - r a b b o h ah s m ，a n a l c h i m a c t a ，2 0 0 7 ，6 0 2 ：1 0 8 - 11 3 。 2 2 t i m u rs ，o d a c id ，d i n c e r , 九，z i h n i o g l ut e l e f o n c uf ，九，g o r t o nl ，s e n s a c t u a t o r sb ，2 0 0 7 ，1 2 5 ： 2 3 4 - 2 3 7 2 3 y a n gy h ，y a n gm h ，w a n gh ，j i a n gj h ，s h e ng l ，y ur q ，s e n s a c t u a t o r sb ：c h e m ，2 0 0 4 ，1 0 2 ： 1 6 2 - 1 6 8 2 4 d e c h e rg ，s c i e n c e ，1 9 9 7 ，2 7 7 ：1 2 3 2 - 1 2 3 7 2 5 h e m p e n i u sm a ，p 6 t e rm ，r o b i n sn ，s ，k o o i je s ，v a n c s og j ，l a n g m u i r ，2 0 0 2 ，18 ：7 6 2 9 - 7 6 3 4 2 6 f e l d h e i md l ，g r a b a rk c ，n a t a nm j ，m a l l o u kt e ，j a m c h e m s o c ，19 9 6 ，118 ：7 6 4 0 - 7 6 4 1 2 7 r e nk f ，j ij ，s h e nj c ，b i o m a t e r i a l s ，2 0 0 6 ，2 7 ：i1 5 2 - 115 9 2 8 l i ug d ，l i ny h ，a n a l c h e m ，2 0 0 6 ，7 8 ：8 3 5 - 8 4 3 3 浙江大学博士学位论文 第二章自组装多层膜在电化学生物传感器中的应用 分子自组装是一种普遍存在于生命体系中的现象，大量复杂的、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。 此外，分子自组装也是分子合成工程中的重要手段之一，是构成具有某种特殊功 能的材料( 液晶、多层膜、单层膜、功能性表面等) 的有力工具。由于这些材料具有 新奇的，如光、电、催化等功能和特性，在分子器件、分子调控等领域具有潜在 的应用价值，因而自组装体系的研究与应用受到了广泛的重视，其中自组装膜己 成为研究热点。分子自组装膜包括单层膜、双层磷脂膜和多层膜，是构膜分子通 过分子间及其与基体材料间的物理化学作用而自发形成的，是一种热力学稳定、 排列规则的单层或多层分子膜【1 1 。它具有均匀一致，高密堆积和低缺陷等特性；并 可按预先设计，通过精确的化学控制，获得特定功能；具有超分子的结构及界面 性质。由逐层自组装法制备的多层膜，其每一层的组成、厚度、取向可以巧妙地 控制和操作，并且能有效地保持膜的稳定性。这种自组装多层膜在导电、催化、 微胶囊、生物传感器、非线性光学器件等方面都具有广阔的应用前景【2 8 】。自组装 多层膜应用于电化学传感器中，可根据电化学传感和电催化响应的要求，选用不 同材料作为电极上的修饰组分；可利用底物与酶的作用发挥电极高效、灵敏的检 测功能。更有意义的是随着多层膜层数的增加，电极对底物小分子的催化响应信 号增强，因此通过简单控制多层膜的厚度，则可以改变酶在电极上的修饰量，从 而控制多层膜的催化能力，这是多层膜电极用于电化学传感器的优越之处。本章 概述了自组装多层膜的构筑方法、表征技术及其在电化学传感器方面的研究应用 进展。 2 1 自组装多层膜的构筑方法 b i g e l o w 于1 9 4 6 年通过吸附( 自组装) 一种表面活性剂在清洁的金属表面制备 4 第二章自组装多层膜在电化学生物传感器中的应用 了单分子层膜【9 】首次提出了自组装的说法。自组装就是在平衡条件下，分子之间 通过相互作用自发组合形成的一类结构明确、稳定、具有某种特定功能或性能的 分子聚集体或超分子结构。自组装多层膜的构筑根据成膜原理可分为化学吸附法， 静电沉积法，生物识别法和旋涂法。 2 1 1 化学吸附法 自组装多层膜的膜层与衬底表面之间、膜层与膜层之间的结合力大致包括共 价键、配位键、离子键、电荷转移、氢键、静电吸附等形式的作用力，在共价键 等形式的化学键力驱动下的自组装称为化学自组装或化学吸附自组装。目前，利 用共价键型进行生物分子多层膜自组装研究较多。蛋白质和导体或半导体载体之 间的共价交联是利用载体表面的功能化基团实现的，金属氧化材料如t i 0 2 ，s n 0 2 等表面含有的羟基基团有利于和有机材料的偶合【1 0 1 3 】，贵金属( a u ，p t ) 通过化 学法或电化学法预处理后也能使表面带上交联基团【1 4 q 引，碳电极经过化学处理后 带上不同的表面交联基团，如羧基，羰基，内酯，羟基等，都能吸附蛋白质分子【1 9 删。 分子间形成酰胺键、酯键逐层组装生物分子，是构造生物分子多层膜的方法。 z h a n g 等人【2 l 】用高碘酸盐氧化葡萄糖氧化酶( g o x ) 使其表面的醛基与聚丙烯胺 ( p a a ) 的氨基共价交替组装，制备了g o x p a a 多层膜，如图1 1 所示。y o o n 等 【2 2 】利用醛基与氨基的反应，将g o x 与第四代树枝状高分子聚酰胺逐层组装形成多 层膜。通过二茂铁修饰的树枝状高分子与高碘酸盐氧化的g o x 用同样方法也得到 了复合多层膜 2 3 1 。g a o 等人渊将聚( 缩水甘油甲基丙烯酸酯) ( p g m a ) 通过环氧基 和氨基反应的共价作用固定到氨基硅烷化的s i 0 2 微粒上，然后同样的作用吸附了 p a h 层，重复这两步操作可得至u ( p g m a p a h ) 。多层膜，如图1 1 所示。最后通过 h f 的去核作用可得到中空的( p g m a p a h ) n 多层膜胶囊。 s a g i v 2 5 】报道了氢键组合的自组装硅烷多层膜，并通过f t i r 和x 射线散射表 征此多层结构为通过层间多氢键相连接的清晰单层结构，这些单层结构之间彼此 以一种灵活的、非轴向方式相互作用。w a n g 等人【2 6 】报道了利用聚( 4 。乙烯吡啶) ( p v p ) 和聚丙烯酸之间形成的氢键，完成了交替多层膜的组装。这种膜可以在有 机溶剂中组装，这就为在固体基片上组装和设计一些功能分子的多层膜如电活性 聚合物提供了一种途径。 浙江大学博士学住论文 o 一豢 拦 1 b y e f s p g m a 围i - j 共竹交联n 3 m a p a - 多层膜胺囊0 2 】 2 1 2 静电沉积法 早在1 9 6 6 年，h e r 首次利用静电相1 工作用，在带电基材表面交替吸附正、负 胶体粒子形成多层膜”w 。由于当时科挫水平的限制。这一技术被忽略了二十多年。 1 9 9 1 年，d e c h e r 提出了静电沉积法组装聚电解质多层膜它的基本原理是：以静 电作用为驱动力，在基材表面，带相反电荷的聚电解质交替沉积构造具有一定厚 度的多层膜体系。这种技术十分简单，只需将离子化基片交替浸入带有相反电荷 的聚电解质溶液中，静置一段时问取出冲洗干净，循环以上过程，则得到多层 膜体系。改变聚合物的浓度及离子强度，膜厚可以在纳米尺度微调【2 埘