（分析化学专业论文）新型纳米生物传感界面的设计与应用研究.pdf

学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：雕日期： 学位论文使用授权申明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定。 学位论文作者签名：肆导师签名：丕蝴 e t 期： 4 ：芏：塑 日期： 趣：c ：垄 7 摘要新型纳米生物传感界面的设计与应用研究 新型纳米生物传感界面的设计与应用研究 摘要 生物传感器是一个非常活跃的研究和工程技术领域，它与生物信息学、生物 芯片、生物控制论、仿生学、生物计算机等学科一起，处在生命科学和信息科学 的交叉区域。它的研究起源于2 0 世纪的6 0 年代，1 9 6 7 年u p d i k e 和h i c k s 把葡 萄糖氧化酶( g o d ) 固定化膜和氧电极组装在一起，制成了第一只生物传感器，即 葡萄糖酶电极。到8 0 年代生物传感器研究领域已基本形成，其标志性事件是1 9 8 5 年“生物传感器”国际刊物在英国创刊；1 9 9 0 年首届世界生物传感器学术大会 在新加坡召开，并且确定以后每隔两年召开一次。 生物分子的固定是生物传感器探讨的一个非常重要的研究方向，已经越来越 受到科学工作者的关注，例如可控地固定蛋白质对于探索蛋白质分子的结构和功 能、研究蛋白质电子传递机理、酶催化以及第三代生物传感器的研制和疾病诊断 的研究都具有重要的意义。层层组装成膜技术，由于其制备方法简单，且每一层 的组成、厚度、取向可以巧妙地控制和操作，为生物功能纳米材料的开发提供了 新的技术支撑，为下一代分子器件的开发与研究提供了新的思路。 本论文的工作主要集中新型纳米生物传感器界面的设计与应用研究。论文重 点研究了基于单层、多层自组装技术进行生物传感器界面的设计，构筑了多种新 型的具有纳米结构的生物传感器，并将其应用于生物分子的分析检测，为生命科 学及其相关领域的研究提供许多重要的分析方法。论文工作致力于纳米材料组装 技术，生命科学和电分析化学三者的结合。具体内容如下： 第一章绪论 层层自组装方法( l a y e v b y l a y e ra s s e m b l y ，l b la s s e m b l y ) 是一种重要的有机 超薄膜制备技术，鉴于此，通过l b l 方法交替组装构筑具有特殊功能和结构的 介孔材料、蛋白质组装膜具有重要的研究意义。本部分从自组装多层膜制备、表 征方法以及层层组装膜法在固载生物分子和在生物分析中的应用方面进行了综 述。 摘要新型纳米生物传感界面的设计应用f i f f 究 第二章血红蛋白在介孔材料s b a 1 5 修饰电极上的固载直接电化学行为及其应 用研究 介孔材料s b a - 1 5 系列是一种基于s i 0 2 的新型材料，它具有规则的孔道结 构，大的比表面积，可调的孔道尺寸和体积，优良的机械强度。介孔s b a - 1 5 这 样的结构特性有望用于酶的固定。我们通过静电吸附将h b 组装在s b a 1 5 孔道 中，s b a 1 5 能够为h b 提供一个“近水”的微环境，阻止了h b 与电极表面的 直接接触，具有良好的生物兼容性。 实验着重研究了h b 固载在s b a 。1 5 或a u - s b a 一1 5 修饰电极上的电化学活 性和对h 2 0 2 的催化效果。结果表明，由于材料a u s b a 一1 5 中纳米a u 粒子的存 在，使其对h 2 0 2 有着更好的催化效果。故选择h b a u s b a 1 5 修饰电极制成葡 萄糖生物传感器，该生物传感器在5 o 1 0 气1 0 x 1 0 0m o l l 浓度范围内，葡萄糖 的浓度与其响应电流呈良好的线性关系，检测下限为1 0 x 1 0 m o l l ( s n = 3 ) 。 第三章层层组装介孔材料s b a 1 5 修饰电极在抗坏血酸共存下选择性测定神经 递质多巴胺 、 多巴胺( d a ) 是存在于神经系统中的一种重要的神经递质，与许多疾病的 产生有密切的关系。因此，d a 的准确测定具有十分重要的意义。本实验中，我 们采用层层组装技术制备层层组装介孔材料s b a 1 5 修饰电极。实验结果表明： 通过利用s b a 1 5 的离子筛功能，p d d a ( p a a s b a 1 5 ) 5 层层自组装膜可以消除 抗坏血酸对多巴胺测定中的干扰。多巴胺在s b a 1 5 多层自组装膜上有一对可逆 性良好的氧化还原峰，其氧化峰电流与多巴胺的浓度在1 0 1 0 母1 0 1 0 4 m o l l 的范围内呈线性关系，检出限为5 0 x 1 0 4 0 m o l l 。 第四章层层组装( p b p d d a ) 。固定化酶传感器检测乙酰胆碱的研究 乙酰胆碱这类神经传递素是从神经细胞中释放出来的化学物质，它们能将信 息传递给其他神经细胞。神经细胞之间的这种信息通信，不仅对于大脑，对于整 个身体的健康都是十分重要的。 本实验采用了高分子模板法将p b 纳米粒子组装到聚电解质膜中，并将乙酰 胆碱酯酶( a c h e ) 和胆碱氧化酶( c h o x ) 共同固定于的聚电解质表面，制备了 摘要新型纳米生物传感界面的设计1 j 应用研究 乙酰胆碱传感器( a c h e c h o ( p d d a p b ) n ) 。通过分析酶反应过程中所产生的 h 2 0 2 响应电流来测定乙酰胆碱的量。实验中研究了膜厚度、p h 值、温度和工作 电位的变化对酶电极响应的影响。实验结果表明，该传感器具备响应时间短，线 性范围宽，干扰小等优良特性，在一定的浓度范围内，乙酰胆碱的浓度与其响应 电流呈良好的线性关系，检测下限为5 0 x 1 0 9 m o l l ( s n = 3 1 。 关键词：介孔材料；层层组装技术：修饰电极；生物传感器：蛋白质电化学。 摘要新型纳米生物传感界面的设计与戍用研究 d e s i g no f t h ei n t e r f a c eo fn o v e lb i o s e n s o r s a n da p p l i c a t i o nr e s e a r c h a b s t r a c t b i o s e n s o ri sav e r ya c t i v er e s e a r c ha n de n g i n e e r i n gt e c h n i c a lf i e l d i ti si nc r o s s a r e ao fl i f es c i e n c ea n di n f o r m a t i o ns c i e n c ew i t h b i o i n f o r m a t i o n ，b i o c h i p ， b i o c y b e m e t i c s ，b i o n i c sa n db i o c o m p u t e r r e s e a r c ha b o u tb i o s e n s o rd e r i v e df r o m 1 9 6 0 s u p d i l 【ea n d h i c k sa s s e m b l e dg l u c o s eo x i d a s e ( g o d ) o nt h eo x y g e ne l e c t r o d e i n l 9 6 7 t h i s i s t h e f i r s t b i o s e n s o r g l u c o s eo x i d a s ee l e c t r o d e t h e f i e l d o f b i o s e n s o r s r e s e a r c hh a sb a s i c a l l yf o r m e di n1 9 8 0 s ，t h es i g n i f i c a n tm a t t e r so fw h i c ha r et h a tt h e i n t e r n a t i o n a lp u b l i c a t i o n b i o s e n s o r w a sf o u n d e di nb r i t a i n ，t h ec l a s s i c sw o r ko f b i o s e n s o r si sp u b l i s h e db yo x f o r dp r e s s ；a n dt h e1s tw o r l db i o s e n s o ra c a d e m i c c o n f e r e n c ew a sh o l d e di ns i n g a p o r ei n1 9 9 0 ，i na d d i t i o n a l ，t h i sc o n f e r e n c ew a s a r r a n g e dt ob eh o l de v e r yt w oy e a r s b i o m o l e c u l ei m m o b i l i z a t i o ni so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tr e s e a r c hf i e l d sa n di s e a r e dm o r ea n dm o r e f o re x a m p l e ，t h ec o n t r o l l e da d s o r p t i o no fp r o t e i n si se s s e n t i a l i nt h ef i e l d so f i n v e s t i g a t i n g s t r u c t u r ef u n c t i o n r e l a t i o n s h i p o f p r o t e i n s , t h e r m o d y n a m i c so fp r o t e i ne l e c t r o nt r a n s f e r , e n z y m a t i cc a t a l y s i s ，d e s i g n i n g t h e t h i r d g e n e r a t i o ne l e c t r o c h e m i c a la n dd i s e a s ed i a g n o s t i c s l a y e r - b y l a y e ra s s e m b l e d t e c h n i q u eh a sb r o u g h tan e wo p p o r t u n i t yf o rb i o f u n c t i o n a ln a n om a t e r i a l ，o w i n gt oi t s e a s yp r e p a r a t i o nm e t h o da n df a c i l ec o n t r o l l i n ge v e r y - l a y e r sc o m p o s i t i o n ，t h i c k n e s s a n do r i e n t a t i o n l a y e r - b y - l a y e ra s s e m b l yt e c h n i q u ei sf r o n t a lr e s e a r c hd i r e c t i o ni n m i c r o c o s m i cp h y s i c sa n dc h e m i s t yf i e l d ，a n ds u p p l yn e wi d e af o rd e v e l o p i n gn e x t m o l e c u l a ri n s t r u m e n t t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e ri sf o c u so no n eo ft h em o s ta c t i v ef i e l dw h e r el l a n o t e c h n i q u ec o m b i n e s 、i t l l a s s e m b l e dt e c h n i q u ea n de l e c t r o a n a l y t i c a lc h e m i s t r y , d e v e l o p i n ga n df a b r i c a t i o nn o v e lm o d i f i e de l e c t r o d e sb a s e do nn a n om a t e r i a l s ( e l e c t r o c h e m i c a ls e n s o r s ) t h ee m p h a s i so ft h i sp a p e ri st of i n do u ta n ds t u d yt h e a s s e m b l e de l e c t r o d e sm o d i f i e db yd i f f e r e n c em a t e r i a l sb a s e do nl a y e r - b y - l a y e r a s s e m b l e dt e c h n i q u e b e s i d e s ，t h eo t h e re m p h a s i so f t h ep a p e ri st oa p p l yt h e s en o v e l 4 摘要新型纳水生物传感界面的设计j 成用l j j 究 m o d i f i e de l e c t r o d e st or e a l i z i n gt h ed e t e c t i o na n da n a l y s i so fs o m eb i o l o g i c a l m o l e c u l e s ，w h i c hm a yp r o v i d em a n yi m p o r t a n ta n a l y t i c a lm e t h o d sf o rt h el i f es c i e n c e a n dr e l a t i v ef i e l d s w h a tw eh a v ed o n ei st o 仃yo u rb e s tt oc o m b i n et h en a n o t e c h n i q u e ，l i f es c i e n c ew i t he l e c t r o a n a l y t i c a lc h e m i s t r yf i r m l y t h ed e t a i l sa r e l i s t e d b e l o w ： c h a p t e ri ：p r e f a c e l a y e r - b y l a y e r ( l b l ) a s s e m b l yi sak i n do fe f f e c t i v ea p p r o a c ht o f a b r i c a t eo r g a n i c n a n o - t h i nf i l m s a c c o r d i n gt oa l lt h e s ef a c t o r s ，t h i sp a r tr e v i e w st h el a y e r - b y l a y e r a s s e m b l e dt e c h n i q u e sp r e p a r a t i o n , c h a r a c t e r i s t i c , a n ds t u d i e so na p p l i c a t i o ni n b i o m o l e e u l a ri m m o b i l i z a t i o na n db i o a n a l y s i s c h a p t e ri i ：d i r e c te l e c t r o c h e m i s t r yo fh e m o g l o b i ni m m o b i l i z e d o na a u s i 0 2 - m o d i f i e db a r eg l a s s yc a r b o ne l e c t r o d ea n di t sa p p l i c a t i o ni n d e t e c t i o no fg l u c o s el e v e la sg l u c o s eb i o s e n s o r s b a - 1 5f a m i l yo f s i l i c a t em e s o p o r o u sm a t e r i a l si san e wt y p eo fs i 0 2b a s em a t e r i a l s w h i c hp o s s e s s e sr e g u l a rp o r es t r u c t u r e ，l a r g es u r f a c ea r e a s ，t u n a b l ep o r es i z e sa n d v o l u m e s ，a n dg o o dm e c h a n i c a ls t r e n g t h t h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so fm e s o p o r o u s s i l i c am a t e r i a l sa r ee x p e c t e dt ob es u i t a b l ef o rt h ei m m o b i l i z a t i o no fe n z y m e s t h e a c t i v i t yo fh bi m m o b i l i z e do ns b a 一1 5b ye l e c t r o c h e m i c a lm e t h o dw a si n v e s t i g a t e d s b a - 1 5c a np r o v i d ea n e a rw a l e d m i c r o e n v i r o n m e n tf o rh ba n dp r e v e n tt h ed i r e c t c o n t a c tb e t w e e nh ba n de l e c t r o d e 1 nt h ep r e s e n tc o n t r i b u t i o n ，w er e p o s e dt h ee n c a p s u l m i o nh bo nm e s o p o r o u ss i l i c a ss b a 1 5 a n da u - d o p e ds b a - 1 5 ( a n - s b a 1 5 ) ，r e s p e c t i v e l y t h er e s u l t so fe x p e r i m e n t ss h o wt h a t h b s b a 一1 5a n dh b a u s b a - 1 5a l lh a v eg o o de l e c t r o c a t a l y t i ca c t i v i t yt o w a r dh 2 0 2 h o w e v e r , t h ee l e c t r o c a t l y t i ca b i l i t y o fh b a u - s b a - - 1 5i sb e t t e rt h a nt h a to f h b s b a 一1 5b e c a u s eo ft h ee x i s t e n c eo fa un a n o p a r t i c l e s t h eh b l a u - s b a 一1 5 g c m o d i f i e de l e c t r o d ei su s e dt oi m m o b i l i z eg l u c o s eo x i d a s e ( g o d ) a n dan o v e lg l u c o s e 5 摘要新型纳米生物传感界面的设计，j 心用研究 b i o s e n s o ri sd e v e l o p e d m o r e o v e lt h i sb i o s e n s o rd i s p l a y sh i g hs e n s i t i v i t ya n di s p o t e n t i a l l yu s e f u lf o rg l u c o s e s e n s i n gi nv i t r oo ri nv i v o c h a p t e rl l i ：l a y e r - b y - l a y e ra s s e m b l e dm e s o p o r o u ss b a 一1 5 f o r s e l e c t i v ed e t e r m i n a t i o no fd o p a m i n ei nt h ep r e s e n c eo fa s c o r b i ea c i d d o p a m i n e ( 3 - h y d m x y t y r a m i n e ) i sai m p o r t a n tn e u r o t r a n s m i t t e ri n m a m m a l i a n c e n t r a ln e r v o u ss y s t e m s 。al o s so fd a c o n t a i n i n gn e u r o n sm a yr e s u l ti ns a n es e r i o u s d i s e a s es u c ha sp a r k i n s o n sd i s e a s e h e n c e t h ed e t e r m i n a t i o no ft h ec o n c e n t r a t i o no f t h i sn e u r o c h e m i c a li si m p o r t a n t m e s o p o r o u ss b a 一1 5i sp e r f e c tc a n d i d a t ef o ri t s r e l a t i v e l yh i g hs u r f a c ea r e a s ，w e l l d e f i n et h r e e d i m e n s i o n a ls t r u c t u r e ，v a r i e ds u r f a c e f u n c t i o n a l i t y , a n du n i q u ep r o p e r t i e s w ec o m b i n em e s o p o r o u ss b a 一1 5w i t hl b l a s s e m b l e dt e c h n i q u et op r e p a r es b a - 15m o d i f i e de l e c t r o d e l a y e r - b y - l a y e r a s s e m b l e ds b a - 15m o d i f i e de l e c t r o d e ，o 岱e r s s u b s t a n t i a l i m p r o v e m e n t si ns e n s i t i v i t ya n ds e l e c t i v i t yt o w a r d st h ed e t e r m i n a t i o no fd o p a m i n e ( d a ) i tc a l li n h i b i tt h er e s p o n s eo fa s c o r b i ca c i d ( 似) w h i l et h er e d o xr e a c t i o no f d o p a m i n ei sp r o m o t e d u n d e rt h ec h o s e nc o n d i t i o n s ，t h ep e a k c u r r e n t sa r e c o r r e s p o n d e n tl i n e a r l yt o t h ec o n c e n t r a t i o n so fd ai nt h er a n g eo f1 0 x1 0 9 1 0 1 0 4mw i t hal i m i to f d e t e c t i o no f5 0 1 0 1 0m t h ep r o p o s e dm e t h o dc a nb ea p p l i e d t od e t e c td ai nr e a ls a m p l e s c h a p t e ri v ：r e s e a r c ho fe n z y m ei m m o b i l i z e d o nl a y e r - b y l a y e r a s s e m b l e d ( p b p d d a ) nm o d i f i e de l e c t r o d e a n di t sa p p l i c a t i o ni n d e t e c t i o no fa c e t y l c h o l i n e t h ed e t e r m i n a t i o no fa c e t y l c h o l i n e ( a c h ) a n dc h o l i n e ( c h o ) a r ei m p o r t a n t c l i n i c a l l y d e t e r m i n a t i o no fa c hi nt h eb r a i ni si m p o r t a n tf o ru n d e r s t a n d i n gt h e m e c h a n i s m so fn e u r o t r a n s m i s s i o na n dn e u r o r e g u l a t i o n ，w h i c hi nt u ms h o u l db e b e n e f i c i a lt oe a r l yd e t e c t i o na n de f f e c t i v et r e a t m e n to fn e u r o d e g r a d a t i v ed i s e a s e s ， s u c ha sa l z h e i m e r sd i s e a s ea n dm y a s t h e n i ag r a v i s b e i n go n eo ft h em o s tc o m m o n l y 6 摘要新型纳米生物传感界面的设计与应用研究 u s e de l e c t r o c h e m i c a lm e d i a t o r sf o ra n a l y t i c a la p p l i c a t i o n s ，p r u s s i a nb l u eh a sf o u n da w i d eu s ei nt h eb i o s e n s o rf i e l dd u r i n gt h el a s ty e a r s a m p e r o m e t r i ce n z y m eb i o s e n s o r sf o rt h ed e t e r m i n a t i o no fa c e t y l c h o l i n e ( o r c h o l i n e ) h a v eb e e nd e s c r i b e d f o rt h ef a b r i c a t i o no f t h eb i o s e n s o r s ，p u r en a n o p a r t i c a l s p r u s s i a nb l u e ( p 8 ) w i t h i nl a y e r so fp o l y e l e c t r o l y t eh a sb e e na c h i e v e db yam u l t i p l e s e q u e n t i a la d s o r p t i o n ( m s a ) a p p r o a c ho fp o s i t i v e l ya n dn e g a t i v e l yc h a r g e di o n so n a c h a r g e ds u p p o r t t h et h i c k n e s so fa s s e m b l e df i l m sh a sb e e ni n v e s t i g a t e db ya f m l i n e a ri n c r e a s ei nu v - v i s i b l el i g h ta b s o r b a n c ew i t ht h en u m b e ro fa s s e m b l e dl a y e r s i n d i c a t e st h a ta nh o m o g e n e o u sf i l mg r o w t h a c e t y i c h o l i n e s t e r a s e ( a c h e ) w i t h c h o l i n eo x i d a s e ( c h o ) w a sc o i m m o b i l i z e di nap o l y c a t i o np d d am e m b r a n eo nt h e f p b p d d a ) sm o d i f i e dg l a s s yc a r b o ne l e c t r o d ef o raa c e t y l c h o l i n e ( a c h ) s e n s o r , a n d o n l yc h o l i n eo x i d a s ei m m o b i l i z e df o ra nc h o l i n e ( c h ) s e n s o et h er e s u l t i n gs e n s o r s w e r ec h a r a c t e r i z e db yf a s tr e s p o n s e ，e x p a n d e dl i n e a rr a n g ea n dl o wi n t e r f e r e n c e t h e o p t i m a la c h s e n s o rg a v ead e t e c t i o nl i m i t ( s n = 3 、o f5 0 x1 0 母mw i t h i nt h er a n g e o f ad e f i n i t ec o n c e n t r a t i o n k e y w o r d s ：m e s o m a t e r i a l s ；l a y e r - b y l a y e r a s s e m b l e d t e c h n i q u e ；m o d i f i e d e l e c t r o d e ；c h e m i c a ls e n s o r ；e l e c t r o c h e m i s t r yo f p r o t e i n 7 第一章绪论 第一章绪论 自组装膜的研究因其在生物传感器敏感膜的制备、纳米电子器件、生物膜的 仿生结构、酶的固定化及酶反应器的设计、生物医用材料的界面修饰、亲和色谱 固定相的键合等方面具有重要的研究价值和应用意义，近年来引起了广泛的重 视，并已成为个活跃的研究领域【随着研究的深入，层状自组装膜的制备 方法也由最初的简单吸附得到单层膜而发展到有序结构的多层膜，各种新的表面 分析仪器和方法也不断应用于膜组成与结构的表征。与单层膜相比，多层膜具有 三维空间结构的特征，其活性基的浓度高、电化学响应信号大，而且具有较大的 化学、机械和电化学的稳定性，无论从基础研究的角度和应用方面看均有广阔的 发展空间。本节分三个方面对层状自组装膜的制备、表征及应用研究进行综述。 自组装膜由于分类的角度不同可以有许多种分类方法。譬如可从材料的角 度将自组装膜分为小分子和聚合物两类；也可从自组装膜层数不同分为单层膜 ( s e l f - a s s e m b l ym o n o l a y e r ，s a m ) 和多层膜( l a y e v b y l a y e r , l b l ) ：还可从自 组装成膜时的键型来划分，可分为共价键或配位键自组装膜、氢键自组装膜、静 电自组装膜等。 l 层状自组装膜的制各与表征 i i 层状自组装膜的制各方法 层状活性膜的制各包括单层膜和多层膜的制各。单分子层膜的割备方法主要 包括传统的表面直接吸附法、自组装单层膜( s e l f - a s s e m b l ym o n o l a y e r , s a m ) 表 面组装法、l a n g m u i r - b l o d h e t t ( l b ) 技术和双层磷脂膜吸附法四种。多层膜的制 备主要包括静电沉积的逐层自组装法、生物识别逐层自组装法、共价键合逐层自 组装法等方法。 1 1 1 单层膜的制各方法 ( 1 ) 载体表面直接吸附法 生物分子在固体表面直接吸附是最早的单层生物膜的制备方法。该方法操作 简单，例如只需把载体浸入蛋白质溶液一定时间后，即可在载体表面直接吸附一 层蛋白质分子膜。近年来，这一方法主要用于制备蛋白质膜修饰电极，研究蛋白 第一章绪论 质的直接电化学等领域。在吸附了血红蛋白( h b ) 、辣根过氧化酶( h r p ) 等基 底电极上，得到血红素f e ( i i i ) f e ( i i ) 电对可逆的氧化还原峰m 。表面直接吸附法 制备单层蛋白质膜虽然方法简单，但蛋白质的吸附量较小，并且蛋白质膜的稳定 性和重现性不高，因此这种方法在应用过程中有较大的缺陷。 ( 2 ) 自组装单层膜表面组装法 自组装单层膜( s e l f - a s s e m b l ym o n o l a y e rf i l m s ，s a m s ) 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的、能量最低的有序膜。 长链的羧基化合物在金属氧化物表面l l o l 、有机硅化合物在羟基化的基体( 如玻璃、 石英和氧化铝等) 表面1 1 0 l 以及巯基化合物的贵金属表面( 如金、银、铂、铜等) 都能形成s a m s 【l ”。其中研究和应用最为广泛的是巯基化合物在金电极表面的 s a m s 。因为该方法可靠，重现性好，s a m s 稳定有序，末端基团可随意设计。 常用的有机硫化物可表示如下： 越琴 图1 常用的有机硫化物 金表面形成s a m s 后，利用端基性质的不同可采用静电吸附和共价结合两种 方法组装单层生物分子膜 1 2 , 1 3 1 。s a m s 膜表面吸附法与直接表面吸附相比，减小 了蛋白质的吸附变形，使蛋白质的活性及电活性增大，但该吸附法吸附的蛋白质 量较小，膜的稳定性不高。 ( 3 ) l a n g m u i r - b l o d h e t t 技术 l a n g m u i r - b l o d h c t t ( l b ) 技术的研究起始于本世纪3 0 年，首先是由l a n g m u i r 及其学生b l o d g e t t 提出的【1 4 1 。但由于当时使用的制膜材料多为简单的二嗜性分 子，因而在很大程度上限制了膜功能的开发。6 0 年代初期，k u h nr ”1 首先用l b 9 歹、誓人 第一章绪论 膜技术通过单分子膜的组装来构造分子有序体系，并首次把具有光活性的二嗜性 染料分子引入l b 膜。这对l b 膜研究的发展产生了重大影响 15 , 1 6 l ，被誉为划时 代的贡献。 l b 膜成膜技术是利用具有疏水端和亲水端的两亲性分子在气一液乔面的 定向性质，在侧向施加一定压力的条件下，形成分子紧密定向排列的单分子膜。 通常的l b 膜成膜过程可分为三个基本阶段：1 ) 液面上单分子膜的形成。首先 将成膜材料溶解在诸如苯、氯仿等不溶于水的有机溶剂之中，然后滴加在水面上 铺展开来，材料分子被吸附在空气一水的界面上待溶剂蒸发后，通过一可移动的 挡板，减少每一分子所占有的面积( 即水面的面积滴入的分子数) ；2 ) 在某一表 面压下，各个分子的亲水基团与水面接触。疏水基因与空气一侧接触，即所有分 子在亚相表面都基本上成对地取向排列并密集充填而形成单分子层；3 】通过机 械装置以一定的速度降下基片，亚相表面的单分子层便转移到基片上。如果再提 升基片，则第二层单分子层又转移到基片上( 如下图2 ) 。 图2 ：l b 膜的形成过程 【h t t p ：w w w h i t a c j p 司e n d e n e l e e _ b a s e e l e c _ t e a c h e r e l e c _ t _ k i m u m h t m l 】 ( 4 ) 双层磷脂膜吸附法( b i l a y e rl i p i dm e m b r a n e ) 双层磷脂膜( b l m ) 的概念是在研究生物体的电化学过程时提出的。要考 察生物体内的电化学现象，就必须研究生物膜内以及膜一溶液界面的电化学机 第一章绪论 理。但生物膜的组成、结构和功能极为复杂，这就给生物膜上电化学过程的研究 带来困难。于是人们想到了用人造超薄b l m 来模拟细胞膜。双层磷脂膜具流动 性、自我封闭性的特点，而且能提供受体配体相互作用的友好环境，降低背景 噪声，排除亲水性电活性物质的干扰等，这些特点都很适合于制备优良的生物电 化学传感器。汪尔康等旧将黄嘌呤氧化酶与含有的二甲基二( 十二烷基) 溴化铵 ( d d a b ，一种合成的磷脂) 的泡囊混合，然后浇铸在热解石墨电极表面，研制 了一种基于磷脂膜的黄嘌呤传感器。他们在金电极表面先组装硫醇单层，再用涂 抹法在此单层膜上组装单层，从而构筑s h b m 。将后者放入缬氨酶素的溶液中 培养约1 0h ，便可制备出对k + 有选择性电容响应的传感器m l 。 1 1 2 多层膜制备方法 ( 1 ) 静电沉积的逐层自组装法 静电沉积的逐层自组装法( l a y e r - b y - l a y e ra s s e m b l y ，l b l ) 由d e c h e r ”1 在 1 9 9 2 年首次提出，是一种以静电力为驱动力，通过阴阳离子聚电解质交替沉积 构造多层膜的一种新技术。带电荷的基材浸入带相反电荷的聚电解质溶液，在静 电作用下，基材表面沉积上带相反电荷的聚电解质。通过在带相反电荷的聚电解 质溶液中的交替沉积，即可组装聚电解质的多层膜，沉积过程如图3 所示。改 变聚合物浓度及离子浓度，膜厚就可在纳米尺度上微调。 图3 静电自组装膜的成膜过程 这种膜的有序度虽不及l a n g m u i r b l o d g e a ( l b ) 膜高，但由于其制备简单， 第一章绪论 热稳定性及机械稳定性好，近年来已被广泛接受。 逐层自组装法自提出以来，用该技术制备的聚电解质多层膜以及多层膜的 膜结构、性质得到了广泛的研究，不同基材、不同聚电解质材料特别是功能性材 料制备的多层膜及由此制各得到的功能性薄膜的应用得到了广泛的研究，并被迅 速发展成为一种生物大分子自组装技术1 2 e - 2 4 1 。 ( 2 ) 生物识别逐层自组装法 生物识别自组装是利用生物体系中生物分子之间特殊的蛋白质一配体反应 作为自组装驱动力，组装生物分子膜方法。通过抗体一抗原1 2 ”、抗生素蛋白一生 物素f 2 6 以及凝集素一糖基等的识别，即可逐层组装含抗体、抗原、酶、蛋白质 以及d n a 的多层膜。 ( 3 ) 共价结合逐层组装法 利用吡啶和过渡金属的配位作用形成自组装多层膜来制备无机纳米粒子聚 合物复合材料已有报道1 2 8 1 ，如图4 。这个体系中聚合物不仅仅是作为粒子的密封 剂，而且通过与表面金属原子形成的配位键从而使组装膜表现出更大的稳定性， 同时由于纳米粒子被有机分子所包围阻止了粒子的继续生长。这种方法可用来 将纳米粒子如z n s 、z n s e 等组装到薄膜中，为构建纳米粒子聚合物异相结构薄 膜提供了一种方法。 p v p ，c d s 图4p v p c d s 交替多层膜组装示意图