（无机化学专业论文）二维纳米金单层膜的制备及应用研究.pdf

摘要 摘要 纳米会粒子具有良好的稳定性、表面效应以及特殊的生物亲和性，在很多领域得 到广泛的应用在纳米材料应用过程中，纳米颗粒的有序自组装十分重要本研究工作 主要集中在采用l a n g m u ir - b l o d g e t t ( l b ) 技术制备二维纳米会单层l b 膜，探讨了纳 米会睁层l b 膜制备的实验条件，并研究了二维纳米金单层l b 膜的电化学方面的应用。 研究主要内容如下： 1 用两种方法制备二维纳米金单层l b 膜：( 1 ) 采用二十二酸甲酯修饰亲水的纳米会颗 粒并萃取于氯仿溶液中，通过修饰后的纳米会在气液界面上形成稳定的l a n g m u i r 膜， 得到分散均匀，单层性好的二维球形纳米会l b 膜。( 2 ) 均匀铺展十六烷基硫醇于纳 米金溶液表面上，将纳米金粒子组装到十六烷基硫醇层中形成稳定的十六烷基硫醇一 纳米金混合l b 膜，得到了排列较为紧密的二维纳米金混合l b 膜。 2 基于二维纳米金单层膜的应用如下： ( 1 ) 采用吸附法将血红蛋白固定于二十二酸甲酯修饰的纳米金单层l b 膜上，研究了 血红蛋白的直接电化学，该修饰电极对h ：0 2 具有良好的催化作用，线性关系为 2 5 1 0 一4 1 1 0 m o l l ，检出限为6 2 1 0 m o l l ，异相电子转移速率常数为0 6 6 s ，米氏常数为o 2 0m m o l l 。 ( 2 ) 采用滴涂法将辣根过氧化酶固定于纳米金吸附十六烷基硫醇得到的混合l b 膜 上，构建双氧水生物传感器，该传感器对h ：o ：具有灵敏的电化学响应，线性关系为 2 5 1 0 喵一2 1 1 0 一m o l l ，最低检出限为8 6 1 0 m o l l ，异相电子转移速率常数 为1 3 2s ，米氏常数为1 7 2 m m o l l ，可望用于食品中h ：0 。的检测。 ( 3 ) 采用l b 技术将肌红蛋白固定于二十二酸甲酯修饰的纳米金单层l b 膜上，研究了 肌红蛋白的直接电化学行为。实验结果表明：二维纳米金单层l b 膜有效地加速了肌 红蛋白的电子转移速率，其异相电子转移速率为1 4 1 5 s ，利用l b 技术固定的肌红 蛋白分子的异相电子转移速率比其它方法固定的肌红蛋白的异相电子转移速率要大。 摘要 关键词：l b 技术，二维纳米金单层膜，血红蛋白，肌红蛋白，辣根过氧 化酶 摘要 a b s t r a c t a p p l i c a t i o no fn a n o g o l dp a r t i c l e si sw i l d s p r e a d i nm a n yo ff i e l d so w i n gt og o o d s t a b i l i t y , e x c e l l e n ts u r f a c ee f f e c ta n ds p e c i a lb i o l o g i c a la f f i n i t y i ti si m p o r t a n tt og e n e r a t e a n da s s e m b l eh i g h l yo r d e r e df i l ms t r u c t u r eo fn a n o p a r t i c l e sb a s e do ni t sa p p l i c a t i o n h e r e ， w ef o c u s e do nt h ep r e p a r a t i o no fh i g h l yo r d e r e dt w o - d i m e n s i o n a ll bm o n o l a y e ro f n a n o g o l dp a r t i c l e sa n dd i s c u s s e de x p e r i m e n t a lc o n d i t i o no fp r e p a r a t i o no ft h ef i l m t h e n w es t u d i e dt h ea p p l i c a t i o no ft h ep r e p a r e df i l mi ne l e c t r o c h e m i s t r y t h ew o r ki sa sf o l l o w s ： 1 p r e p a r a t i o no ft w o d i m e n s i o n a ll bm o n o l a y e ro fn a n o g o l d sp a r t i c l e s ：( 1 ) h y d r o p h i l i c n a n o g o l dp a r t i c l e st r e a t e dw i t hm e t h y ld o c o s a n o a t ew e r ee x t r a c t e di nc h l o r o f o r m t h e c h l o r o f o r ms o l u t i o nc o n t a i n i n gn a n o g o l dp a r t i c l e sw a ss p r e a di nl a n g m u i rt o u g ht of o r ma s t a b l el a n g m u i rm e m b r a n e f i n a l l y , au n i f o r ma n ds t e a d yn a n o p a r t i c l e sm o n o l a y e rw a s o b t a i n e do na i r - w a t e ri n t e r f a c e ( 2 ) n h e x a d e c y lm e r c a p t a nw a ss p r e a de v e n l yo n t ot h e s u r f a c eo fs u b p h a s e c o n t a i n i n gn a n o g o l dp a r t i c l e s w h i c ha s s e m b l e dn h e x a d e c y l m e r c a p t a nl a y e r t os e l f - a s s e m b l eas t a b l em i x e d l a n g m u i r m e m b r a n e t h e t w o d i m e n s i o n a ln a n o g o l dm o n o l a y e rw a sm o r ec l o s e l y 2 t h ea p p l i c a t i o no fn a n o g o l dp a r t i c l e sm o n o l a y e ri sf o l l o w i n g ： ( 1 ) h e m o g l o b i nw a sd i r e c t l yi m m o b i l i z e do n t on a n o g o l dl bm o n o l a y e rm o d i f i e dw i t h m e t h y ld o c o s a n o m eu s i n ga d s o r p t i o nm e t h o d d i r e c te l e c t r o c h e m i s t r yo fh bw a ss t u d i e d t h em o d i f i e de l e c t r o d e sp o s s e s s e do fe x c e l l e n te l e c t r o c a t a l y s i sa c t i v i t ya n dr a p i dr e s p o n s e t oh 2 0 2 w i t hal i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nc u r r e n tr e s p o n s ea n dt h ec o n c e n t r a t i o no fh 2 0 2 r a n g i n gf r o m2 5 10 t 0 4 1 xl0 4 m o l la n dad e t e c t i o nl i m i to f6 2 x10 - 7m o l l t h e r e a c t i o nr a t ec o n s t a n tw a sc a l c u l a t e dt ob e0 6 6 s a n dt h ea p p a r e n tm i c h a e l i s m e n t e n c o n s t a n tw a s0 2 0 m m o l l ( 2 ) h o r s e r a d i s hp e r o x i d a s ew a si m m o b i l i z e do n t ot w o d i m e n s i o n a ln a n o g o l dm e m b r a n e w h i c ha d s o r b e d n h e x a d e c y lm e r c a p t a nu s i n gd i p p i n gm e t h o d t of a b r i c a t eh 2 0 2 b i o s e n s o r t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h eb i o s e n s o rp r o v i d e da ne x c e l l e n tr e s p o n s ef o r h 2 0 2 w i t hal i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nc u r r e n tr e s p o n s ea n dt h ec o n c e n t r a t i o no fh 2 0 2 r a n g i n gf r o m 2 5x10 - 6t o2 1xl0 。3 m o l la n dad e t e c t i o nl i m i to f8 6 x10 。7m o l l i l l 摘要 ( r o 9 9 5 8 ) + t h er e a c t i o nr a t ec o n s t a n tw a sc a l c u l a t e dt ob e1 3 2 s a n dt h ea p p a r e n t m i c h a e l i s m e n t e nc o n s t a n tw a s1 7 2 m m o l l t h e r e f o r e ，t h eb i o s e n s o ri sl o o k i n gf a r w a r dt o d e t e c t i n gh 2 0 2i nf o o d s t u f f ( 3 ) m y o g l o b i nw a si m m o b i l i z e do n t ot w o d i m e n s i o n a ln a n o g o l dm e m b r a n em o d i f i e dw i t h m e t h y ld o c o s a n o a t eb yt h el a n g m u i r - b l o d g e t tt e c h n i q u e d i r e c te l e c t r o c h e m i s t r yo f m y o g l o b i nw a ss t u d i e d t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h en a n o g o l dp a r t i c l e sc o u l da c c e l e r a t et h e e l e c t r o n i ct r a n s f e ro f m y o g l o b i nm o l e c u l e se f f i c i e n t l ya n dt h er e a c t i o nr a t ec o n s t a n tw h i c h i s l a r g e r t h a nt h a to fm y o g l o b i nm o l e c u l e si m m o b i l i z e du s i n go t h e rm e t h o d sw a s c a l c u l a t e dt ob e1 4 i5 s 一 k e y w o r d s ：l a n g m u i r - b l o d g e t tt e c h n i q u e ，t w o d i m e n s i o n a ln a n o - g o l d p a r t i c l e sm o n o l a y e r , h e m o g l o b i n ，m y o g l o b i n ，h o r s e r a d is hp e r o x i d a s e i v 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， 同意学校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。本人授权江苏大学可以将本学位论文 的全部内容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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囱 学位论文作者签名： 月 1 豫枷 指导刻噬轹尹a 阳7 1 年6 月) 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指 导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引 用的内容以外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写过的作品成果。对本人的研究做出重要贡献的个人和 集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：及冬帕 日期：节易月弓日 第一章绪论 1 1 纳米材料简介 第一章绪论 纳米科学是2 0 世纪末期诞生并迅速发展起来的前沿科学领域。由于纳米材料体系 具有许多独特的性质和广阔的应用前景，而且涉及到物理学、化学、材料等多种学科， 在理论和实际应用中具有极大的研究价值，因而成为材料科学、化学、物理等学科研 究的热点之一，近年来，随着纳米科技的发展，人们越来越希望将获得的纳米材料有 序可控的排列起来，以满足纳米材料在光学、电子、生物等不同科技领域中的应用。 1 1 1 纳米材料及其特性 所谓纳米材料，从狭义上说，就是有关原子团簇、纳米颗粒、纳米线、纳米薄膜、 纳米管材料和纳米固体材料的总称。从广义上说，是指在三维空间中至少有一维处于 纳米尺度范围内( 1 l o o n m ) ，或者由它们作为基本单元构成的材料，即纳米材料是物 质以纳米结构按一定方式组装成的体系，或纳米结构排列于一定基体中分散形成的体 系，包括纳米超微粒子、纳米块体材料和纳米复合材料等。组成纳米材料的基本单元 在维数上可分为四类：零维纳米材料是指在空间中三维尺寸均在纳米尺度内，如原子团 簇、量子点等；一维纳米材料是指在空间中有两维处于纳米尺度，如纳米线、纳米颗 粒旺3 、纳米管啪等：二维纳米材料是指在三维空间中有一维处于纳米尺度，如粒子在二 维尺寸为纳米级、二维纳米薄膜、多层膜、纳米涂层等；三维纳米材料，如通常所指 的纳米晶体材料和超晶格，这种纳米粒子在三维方向均为纳米级。构成纳米材料的物 质的类别可以有多种，分为金属纳米材料、半导体纳米材料、纳米陶瓷材料、有机一无 机纳米复合材料及纳米介孔固体与介孔复合体材料等，而纳米材料的性能与对应的本 体宏观材料相比，其电、磁、热、密度、熔点等物理性能和力学性能发生明显的变化， 表现为熔点、密度、导热性显著降低，塑韧性改善，强度和硬度、扩散能力和热膨胀 系数提高。此外，纳米材料还具有一些独特的物理性能，如超弹性模量现象、磁致热 效应、表面效应、久保( k u b o ) 效应以及协同效应、耦合效应阶等。 由于具有这些效应，纳米材料呈现出许多奇异的、传统材料不具备的特殊性质， 第一章绪论 如特殊的光学、电学超导、磁学、力学、电化学传感器盯删、催化性能以及特殊的机械 性能耐磨、减震、巨弹性模量效应等，近年来引起了科学界的工作者的极大关注。因 此，纳米技术也迅速渗透到材料的各个领域，成为当前世界科学研究的热点。 1 1 2 纳米颗粒的制备、组装及应用 纳米材料的制备方法较多，一些制取超细微粉的方法可以用来制纳米微粒。但是， 高效率低成本获取优质纳米材料的技术，仍然是科学家们研究的重点。近年来，为使 产物颗粒粒径更小、大小均匀、形貌均一、粒径和形貌均可控、性质稳定，且成本低， 并可向产业化推广，其制备的新工艺、新技术、新方法不断涌现。 1 纳米颗粒的制备 a 溶胶一凝胶法 溶胶一凝胶法是制备纳米粒子的湿化学方法中的一种重要方法，具有纯度高、均匀 性强、反应温度低、反应条件易于控制等优点，广泛应用于在低温或温和条件下制备 化合物纳米颗粒如氧化铝及复合粉末阳1 等，在分析化学上主要用于化学修饰及酶固定化 等方面，并保持酶电化学活性。 b 模板合成法 模板法通常是用孔径为纳米级到微米级的多孔材料作为模板，结合电化学、沉淀 法、溶胶一凝胶法和气相沉淀法等技术使物质原子或离子沉淀在模板的孔壁上，形成 所需的纳米结构体。b e n t 等n 妇以硅藻土分子筛为模板，在孔道内合成了多种导电聚合 物包括聚苯胺的低聚物，产物都呈现了低维纳米尺度的特点。 c 氧化还原法 以纳米金为例，氧化还原法制备纳米金粒子通常是在含a u ( ) 的溶液中加入还原 剂( 如柠檬酸钠、鞣酸等) ，金离子被还原而聚集成直径为几纳米到几十纳米不等的金 颗粒。s c h i f f r i n 法是在纳米金粒子的制备过程中同时对金表面修饰不同官能团的一系 列的方法。s c h i f f r i n 法和柠檬酸钠所制得的颗粒最均匀，稳定性也较好。另外，用 s c h i f f r i n 法既可制备出溶于水的纳米金胶，也可制出溶于有机相的纳米金胶。w a n g 等n 2 1 在5 一苯硫基咔唑存在的条件下，用n a b h 。水溶液还原 a u c l 。 制得了纳米金微粒。 d 电化学法 采用电化学法制备纳米微粒具有操作简便、可控程度高、产率高、易分离等优点， 2 第一章绪论 可以通过改变表面活性剂( f f f 散荆) 的浓度及用量、改变通电方式等方法，制备了不同 形貌和粒径的纳米粒子。h o l t 等n 3 3 将高氯金酸溶解到稀王水溶液中，用掺有硼的金刚石 电极进行电化学还原，制备出了纳米金粒子 2 。纳米颗粒的组装技术 纳米粒子的自组装主要有化学和物理两种方法。目前，化学法主要是化学模板自 组装法；物理方法主要有相沉积技术和离子溅射技术等。分子自组装作为纳米结构自 组装的一种方法，其最大的特点就是可以对沉积过程或膜结构分予进行控制，并且可 利用连续沉积不同组分的方法实现分子对称或非对称的二维甚至三维的超晶格结构。 下面主要对纳米粒子几种自组装技术作一介绍。 a 纳米颗粒重组方法 自组装是分子通过化学键相互作用自发吸附在固一液或气一固界面而形成的热力学 稳定和能量最低的有序膜n 柏。在组装过程中，长链有机分予的头基与基底之间的化学 键合作用，成膜分子的链闻范德华力相互作用以及长链内特殊宫笺团之闻的相互作用 推动了自组装过程，也促进了自组装膜分子在电极表面上由无序到有序的重组过程。 h u 等n 5 3 用l ，6 一己烷基二硫醇功能化得基底浸入至l j c d s 纳米颗粒的有机溶液中，利用a f m 可以观察剜在基底表面得到了规则排列的纳米颗粒超燕格膜。 b 模板法 利用模板法组装纳米颗粒时，由于选定的组装模板与纳米颗粒之间的识别作用， 使组装过程更完善。所选模板可以是妥体基质、单层或多层膜、鸯机分子或生物分子 等。在通常情况下组装纳米粒子的模板也是控制纳米粒子生长的表面活性剂或稳定剂， 模板的保护和限制作用可明显提高纳米微粒的稳定性。 c l b 方法 易于沉积单层或多层膜的l b 技术成为组装纳米颗粒的首选方法。成膜材料是选择 两亲性有机化合物，当它们在水面铺展后，亲水端与水面接触，疏水端远离水面伸展 在空气中，结构的特异性使其在气一液界面上形成有序的、定向排列的且具有良好转移 特性的单分子膜结构，可以利用埔技术特殊的转移功能将纳米颗粒进行有效地组装。 g o n g 等n 6 3 将香豆素一7 的氯仿溶液铺展至i j a g n 0 3 的水溶液表面，以l o m n m 的速度水平提拉 到基底上，置于k c l 或k i 溶液中，即可制得形貌规整的a g e l 或a g i 纳米超晶格结构。 s a s t r y 等n 7 1 将有机包裹a u 、a g 、c d s 纳米颗粒表面带上负电荷，然詹在这些纳米颗粒溶 胶表面铺展一层带正电荷的脂肪酸，通过静电作用将这些纳米颗粒吸附到脂肪酸的单 二l 第一章绪论 层膜上，然后在利用l b 技术将其转移到基底上。 3 纳米材料的应用 纳米材料在颜料、精细陶瓷材料、催化、磁性材料、传感、医学、生物、能源和 环保等方面均有非常重要的应用价值。 a 。传感方面 纳米粒子的高比表面积、高活性、特殊的物理性质及超微小性等使之成为应用于 传感器方面最有前途的材料。外界环境的改变会迅速引起纳米粒子表面或界面离子价 态和电子传输的变化，利用其电阻的显著变化可做成传感器，特点是响应速度快、灵 敏度高、选择性优良。测定多种具有电活性和非电活性的样品等，使得电化学分析发 展更为快速n 8 1 。女l w a n g 等n 耵将a u n p 自组装在3 一氨丙基三甲氧基硅烷( a p t e s ) 上，然后再 与血红蛋白一起修饰至i j i t o 电极上制备出了血红蛋白纳米生物传感器。血红蛋自的电纯 学行为表骢a u n p 可以促进血红蛋自与电极表面之间的直接电子转移，直接电子转移速 率常数k s 为( 2 3 9 0 7 ) s ，并且与没有修饰a u n p 的电极相比，催化h 。o 。的能力大大增加， 检测限为3 4l lm 。b r i t t o 等汹3 首先将碳纳米管制成电极并用于对神经递质多巴胺的电 催化氧化，开辟碳纳米管应用的新领域。多巴胺在这种碳纳米管电极上能发生可逆的 两电子电化学反应，其反应的表观速率常数为0 1 7 c m - 1 ，说明碳纳米管对多巴胺电化学 反应具有很好的电催化作用。 b 。医学和生物王程 纳米粒子与生物体有着密切的关系。如构成生命要素之一的核糖核酸蛋白质复合 体，其粒度在1 5 - 2 0 n m 之间，生物体内的多种病毒也是纳米粒子。此外，用纳米s i o 。微 粒可进行细胞分离，用纳米金粒子进行定位病变治疗，以减小副作用等。研究纳米生 物学可以在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与功能的关系，获得生命信息 特别是细胞内的各种信息。 1 2l b 技术及其应用 近年来，l a n g m u i r b 1 0 d g e t t ( 简称l b ) 技术深受国际科技界的广泛重视。l b 技 术是一种精确控制薄膜厚度和分子排列的单分子膜沉积技术，即将具有脂肪链疏水基 团的双亲分子溶于挥发性溶翔中，通过垒控制表面压，溶质分子便在气液赛面形成二 维排列有序的单分子l a n g m u i r 膜，然后再转移到固体衬底上，组建成单分子或者多分 4 第一章绪论 子膜，即l b 膜。面l b 膜与其它膜相比具有诸多优点：l 。l b 膜有序超薄，能在分子水 平上控制其结构和物理、化学性能；2 可实现分子排列组合，组建超分子结构和超微 复合材料；3 高度各向异性的层状结构；4 形成的膜在理论上几乎是没有缺陷的单分 予膜。实际上，强膜是墨前人们所能制备的最紧密、缺陷最少的超分子薄膜，芷因为 有这些其他技术无法比拟的优越性质，使得l b 膜技术在材料学、光学、传感器及生物 仿生学等领域显示了巨大的理论价值和应用价值。 1 2 1l b 膜 能形成乙b 膜的材料大多都是表面活性剂分子，既有亲油性( 疏水性或憎水性) 基团 又含亲水性基匿的分子，亲油性基因主要有碳氢、碳氟、硅氧烷等基墓，亲承性基霞 主要是某些含氧基团，如羧基、羟基、硫酸酯基、聚氧乙烯基等。亲水基团使其在水 中有一定溶解度，亲油基又使其有逃离水相的本能，正是这两个相反力之问的平衡， 使长链脂肪酸在水一气界面上有单分子成膜能力。一种好的成膜材料，其亲疏水比要 适中。当亲水性太强时，材料可能会溶于亚相溶液中；而疏水性太强则导致其在水面 上扩展不开，形成油珠悬浮于水面上。 通常的嵋膜成膜过程为：首先将成膜材料溶解在翔苯、氯仿等不溶予水的有机溶 剂中，然后将其滴加在水面上铺展开来，材料分子被吸附在空气一水界面上( 如图 1 2 1 ) ，待溶剂挥发后，通过可移动的挡板，减少每一分予所占有的面积。在某一表 面压下，各个分子的亲水基团与水面接触，疏承基团与空气一侧接触，即所有分子在 亚相表蕊都基本上成对取向排列丽形成单分子层，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。如此反复提升、降下可以形成多层的l b 膜。 l b 膜的翩备可分为三种情况( 如图1 2 2 ) - x 法是指把表面垂直于水面向下插入挂膜， 使成膜分子的憎水端指向基底；z 法是指把基底从水藤下提出挂膜，使成膜分子的亲水 端指向基底；y 法是指将基底在水砸上下往返移动挂膜，使各层分子的亲水端和憎水端 依次交替地指向基底。 第一章绪论 t ( 图121l b 膜制备过程示意图” f i gl2 1s c h c m a t i cd i a g r a mo f l bd e p o s i t i o n 詈等亨亨亨童圭童童童羔羔童耋圭 豳黼渊 xyz 图l2 2l b 膜的成膜类型”2 1 f i g l2 2t y p e so f ib f i i m s 1 2 2l b 膜的表征及其应用 1 l b 膜的表征 na 曲线就足等温线( 如图123 ) ，是薄膜研究中最基本的一种表征手段。液滴在 l a n g m u i r 槽的水面上缓缓滴下后，就在气液界面上铺展，待溶剂蒸发后，留下单分子 层。最初在水而上展开，分子展开表面积充分大，分子之间相互孤立呈现二维气体状 忐( a ) ，随着挡板对单分子层的挤压，表面积( a ) 缩小，分子之间作用逐渐增强表 面压( n ) 增大，通称二维液体状_ 奁( b ) 。a 进一步压缩，分子间力进一步增强，变成 f e l u h ( i i ， i阻岫札 第一章绪论 二维固体状态( c ) ，就是l b 膜，是我们所需要的单一均匀的分子膜。当再减小a 时， 由于超过单分子膜的弹性限度，薄膜就可能发生重叠( 简称崩溃状态d ) ，然而也有成 膜材料、条件不同，重叠膜也有形成超晶格状态( e ) 。这就是a 之间的关系。不 同状态在a 曲线上都有一定的拐点和突变，通过分析a ，b ，c ，d ，e 的表面压，就可 以得出单分子层累积最佳表面压，获得完整均一无缺陷的单分子膜。通常能形成稳 定的固态单层膜并且崩溃压较高的样品具有较好的成膜性能。其实矿a 曲线不仅取决 于成膜材料，而且也和水的纯度、温度、亚相离子强度、压膜速度、沉积膜的速度等 密切有关。 虽然矿a 曲线能直观地反映气一液界面l b 膜的状态以及某些变化，但对于l b 膜的 微观结构却难以表征；为便于研究分子排列的有序性、取向性等特点，通常使用的分 析手段有紫外一可见吸收光谱幽1 、红外光谱乜嗣、x 一射线衍射分析嘶3 、x 一射线光电子能谱 e 2 7 1 、核磁共振汹1 、扫描电子显微镜啪1 及原子力显微镜啪3 等。 寝筒税m 1 1 玲子 图1 2 3 表面压表面积( 哥a ) 等温线，上面为单分子膜的分子状态示意图他3 1 f i g i 2 3 一- a is o t h e r mo fm o n o l a y e r ， 2 l b 膜的应用 ( 1 ) 超微细粒子在l b 膜上的有序组装 l b 膜技术能够诱导控制超微细粒子的定向排列，有望获得排列紧密，覆盖度高， 成膜性能良好的超微细粒子。近年来，人们在这方面做了大量工作，研制成功许多性能 优良的超微细粒子l b 复合膜。目前广泛采用纳米微粒的胶体溶液作亚相，用两亲分子 进行有序组装，即得到有机一无机复合超薄膜。这种性能良好的超薄材料可以作为纳米 7 第一章绪论 尺度电子器件的研制基础。 ( 2 ) l b 膜在光学中的应用 l b 膜在光电探测器、光电池、光电开关、光电信息存储、光合作用的处理与模拟、 非线性光学材料的构成等方面有诱人的前景。光信息处理、光通讯和集成光学都与非 线性光学有关。非线性光学l b 膜已用于纤维波导材料的外涂层，其最终目标是作为光计 算机( 第5 代计算机) 的光学双稳态器材料。 ( 3 ) l b 膜在电化学中的应用 电极材料的表面状态及电磁特性是影响电化学反应的主要因素。在分子水平上控 制电极的表面状态，对其进行修饰可以决定其电极功能。l b 技术能实现分子水平的组 装设计，制作出具有定向次序的分子组合，精确控制分子的取向和排列，具有功能电极 的优越性。l b 膜修饰电极表面的修饰层一般只有一个或者几个单分子层厚，电子或物 质的传输容易，加上修饰分子的紧密排列，活性中心密度大，所以此类电极的电化学 响应信号较高：l b 膜修饰电极表面的修饰膜比较牢固，因而电极可望有较长的使用寿 命；修饰分子在电极表面高度有序排列而能产生用一般方法所没有的功能，所以l b 膜 修饰电极将能在电催化、光电转换、电化学传感器及电化学分析等方面得到广泛的应 用 3 1 一钏。 1 3 蛋白质( 酶) 的固定方法 氧化还原蛋白的直接电化学是构造第三代生物传感器的基础。然而蛋白质的电活 性中心常常深埋在蛋白质分子中，阻碍了它与电极之间的相互作用，使得电活性中心与 电极表面之间的直接电子转移很难发生。为了保持蛋白质的生物活性并实现它的直接 电子转移，固定蛋白质膜起着非常重要的作用。首先它们必须无毒、稳定和好的生物兼 容性；另外，它们还必须能促进生物分子的直接电子转移。纳米材料具有大的表面积和很 好的稳定性和生物兼容性，能够为蛋白质分子的直接电子传递提供具有生物亲和性的仿 生微环境，有利于促进蛋白质分子活性中心与电极表面的电子传递【3 5 。3 6 1 ，而且可以有 效的引发或促进蛋白质与电极之间的直接电子转移。酶固定化方法有多种，大致可分 为以下几类：吸附法m 1 、共价交联法弼捌、包埋法n 0 | 、自组装法h h 以及l b 法等。 8 第一章绪论 1 3 1 吸附固定法 基于生物分子极性键、氢键、疏水键及静电等作用，将生物分子吸附于不溶性载 体上。吸附固定法具有无需化学试剂、活化和清洗步骤少、生物组分不易降解、对生 物活性影响小等优点。r y z h a n g 等以羟基功能化的多壁碳纳米管为基底，在卜乙基 一3 ，3 一二甲基氨丙基碳化二亚胺存在下，在羟己基派嗪乙磺酸缓冲溶液中固定血红蛋 白，该修饰电极上的血红蛋白表现出良好的直接电子转移特性( 1 0 2 + 0 0 5 s 。) ，对 双氧水有较好的电催化活性。刘成霞等汹1 采用角叉胶、溶胶一凝胶和碳粉构成具有强负 电性的电极界面，以静电吸附固定生物组分的方法，研制了转铁蛋白免疫传感器。， 由于纳米金粒子比表面积大、吸附能力强，c r u m bi s s 等阳1 研究发现，生物活性物 质吸附在纳米金属颗粒的表面上仍能保持其生物活性。所以，近年来科学工作者们做 了许多探索研究，将纳米粒子引入生物电化学传感器中以改善传感器的响应性能。在 众多的纳米材料中，纳米金粒子由于吸附生物大分子后能保留其生物活性及其优异的 电化学性能，因而最广泛应用于生物分子的固定化中h 7 1 ，吸附具有操作简单_ 。对生物 活性影响小等优点，但是由于生物分子与载体相互作用力弱，故存在电极表面修饰膜 的稳定性不佳，易脱落等缺点。 1 3 2 共价交联法 共价交联法是用双功能基团试剂与分子识别物质交联成不溶性的网状结构，从而 使分子识别物质固定于电极表面的方法。通过采用双功能基团试剂，在分子识别物质 之间、分子识别物质与凝胶聚合物之间交联形成网状结构而使分子识别物质固定化。 由于生物蛋白质大分子含有- n h ：，利用能与- n h ：反应的双( 多) 功能基团化合物可以方便 地实现生物材料之间的联结成膜，最常用的双功能试剂是戊二醛，所以，这是一种普 遍适用的方法。但这种方法的主要缺点是生物膜与换能器表面结合力不强，固定的稳 定性差。同时该方法需要大量的酶，形成的蛋白质层呈凝胶状( 缺乏刚性) ，固定的酶 具有相对较低的活性h 8 1 ，此外，戊二醛对生物材料的活性有一定影响。 9 第一章绪论 1 3 3 包埋法 包埋固定化法是把酶定位于聚合物材料的格子结构或微胶囊结构中。如：树脂、 藻酸盐嘲、聚乙烯醇等。该法一般不需要与生物物质的残基进行结合反应，很少改 变生物活性物质的高级结构，酶活力回收率很高，因而生物活性损失很少。这样可以 防止酶蛋白释放，但是底物仍能渗入格子内与酶相接触。此法较为简便，酶分子仅仅 是被包埋起来，生物活性破坏少，因此可以应用于许多酶的固定化。近些年来，低温 溶胶一凝胶( s o - g e i ) 生物包埋法【5 2 j 贝l j 是最受关注的固定化方法之一。金属醇盐等原料 经水解得到三维网状结构，能牢固地固定酶等生物大分子，且能最大程度地保持其活 性和特异性，另外由于其载体为无机多孔材料，具有许多高分子材料所不可比拟的特 性。 1 3 4 自组装方法 分子自组装固定法是一种基于化学反应的化学吸附法。如把酶当作聚阴离子靠静 电作用和其它的聚阳离子如聚赖氨酸，聚烯丙胺嫡3 1 等，在电极表面一层一层地吸附沉 积组装酶电极。自组装膜的基本组装步骤是将基片放入含有活性物质的溶液或活性物 质的蒸汽中，活性物质在基片表面发生自发的化学吸附或化学反应，在基片表面形成 化学键连接的二维有序单层膜。如果单层膜表面也是有某种反应活性的活性基团，则 又可与别的物质反应，如此反复，构筑同质或异质多层膜。采用此技术制备的超薄膜 层体系通常有两类：一类是疏基化合物在金、银、铜、铂表面吸附形成的单层，另一 类是在硅、玻璃、金属氧化物表面通过硅烷化反应形成的单层。其中，硫醇类分子自 组装层，是被研究得最为广泛和深入的体系。如在单晶金电极表面，先修饰一层硫醇 类化合物，这是通过分子问的引力进行自组装构成的单分子层，然后再通过自组装方 法将媒介体和酶一层一层地修饰于电极表面，构成传感器。自组装单分子膜制作简便， 具有良好的稳定性、有序性。但由于起步较晚仍是一种不成熟的方法，许多问题如杂 质吸附、分子聚合、溶剂选择、基片表面加工、分子设计、有序性、缺陷的程度和性 质等需要更深入的研究。 1 0 第一章绪论 1 3 5l b 技术法 l b 技术通常用于两亲化合物表面吸附，但早在1 9 3 8 年技术已成功地应用于制备蛋 白质膜。l a n g m u i r 和s c h a e f e r 首先开展蛋白质膜的研究，制备了具有活性的胃蛋白酶 和脲酶的l b 膜。尿酸酶酬、葡萄糖氧化酶嘟1 、辣根过氧化酶嘲、氢化酶5 7 1 等均成功地 通过l b 技术制备成膜。蛋白质膜的优点在于膜中蛋白质分子不但保持活性，而且高度 取向，并成功地应用于蛋白质( 酶) 生物传感器的研制嘲嘲1 。 1 4 本论文研究内容及意义 由于纳米材料具有许多特殊的性质，有着巨大的应用潜力，尤其是将纳米金粒子 组装成二维高度有序取向的高质量的纳米金薄膜，可以研究金属中晶界电子转移的模 型，也可以用于光栅、滤光器、高密度数据存储和微电子器件等，使其在器件小型化 和高速度、光催化、传感器以及高密度信息储存等方面有着十分重要的意义。 本论文研究内容主要是： 1 利用柠檬酸钠还原法制备纳米金溶胶，再用l b 技术制备二维纳米金单层膜。 ( 1 ) 用二十二酸甲酯修饰纳米金颗粒，使其表面呈疏水性，然后萃取于氯仿溶液中， 这样纳米金颗粒能在气液界面上形成稳定的l a n g m u i r 膜，通过探索实验条件，得 到了分散均匀，单层性较好的二维纳米金单层l b 膜。 ( 2 ) 纳米金溶液作为亚相，将十六烷基硫醇均匀铺展于亚相表面，在气液界面上形成 稳定的十六烷基硫醇一纳米金颗粒混合l a n g m u i r 膜，得到了相对较好的二维纳米 金单层膜。 2 利用l b 技术将肌红蛋白固定于二十二酸甲酯修饰的纳米金单层l b 膜表面，研究 肌红蛋白的电化学行为：利用吸附方法将血红蛋白固定在二十二酸甲酯修饰纳米 金单层l b 膜表面，研究血红蛋白的直接电化学行为，有望构筑h ：0 。生物传感器； 利用滴涂方法将辣根过氧化酶( h r p ) 固定于十六烷基硫醇一纳米金混合l b 膜表 面，制备了h ：0 。生物传感器。 第一章绪论 参考文献 e 1 z x y e ，w h w u ，h d l i u ，p h y s i c ab ，2 0 0 8 ，4 0 3 ：1 1 7 3 2 j z l i ，k l k a m a t a ，t i y o d a ，t h i ns o li df il m s ，2 0 0 8 ，5 1 6 ：2 5 7 7 【3 d n k o s i ，k i o z o e m e n a , e l e c t r o c h i m a c t a , 2 0 0 8 ，5 3 ：2 7 8 2 【4 】z x y e ，w n w u ，h d l i u ，p h y s i c ab ，2 0 0 8 ，4 0 3 ：1 1 7 3 【5 s t w u , a y g f u h ，o p t i c sc o m m u n ，2 0 0 8 ，2 8 1 ：1 7 3 2 6 1 m j u n g ，s l e e ，y t b y u n ，y m j h o n ，s h k i m ，d h w o o ，s m h o ，m i c r o e l e d t r o n j ， 2 0 0 8 ，3 9 ：5 2 6 【7 】r g i u l y ，j a c o m o ，j l g o l e ，m a t e r l e t t ，i np r e s s 【8 】a a g a r w a l ，k b u d d h a r a j u ，i k l a o ，n b a l a s u b r a m a n i a n , d l k w o n g ，s e n s o r sa n d a c t u a t o r sa ：p h y s i c a l ，i np r e s s 【9 】朱孝信材料开发与应用，1 9 9 8 ，1 3 ：2 8 【1 0 w ucg b e i nt ，s t u d s u r f s c i c a t a l ，1 9 9 4 ，8 4 ：2 2 6 9 1l 】b e i nt ，s t u d s u r f s c i c a t a l ，1 9 9 6 ，1 0 2 ：2 9 5 【1 2 w a n gs ，l iyl ，d ucm ，e ta 1 c h i n e s ec h e m i c a ll e t t e r s ，2 0 0 1 ，1 2 ( 1 2 ) ：11 4 1 【1 3 h o l tkb ，s a b i ng ，c o m p t o nrg ，e ta 1 e l e c t r o a n a l y s i s ，2 0 0 2 ，1 4 ( 1 2 ) ：7 9 7 - 8 0 3 1 4 u l m a na n e w y o r kp r e s s ，1 9 9 1 【1 5 h uk ，b r u s tm ，b a r daj c h e m m a t e r , 1 9 9 8 ，1 0 ：11 6 0 【16 g o n gh ，l i um c h e m m a t e r , 2 0 0 2 ，1 4 ：4 9 3 3 【1 7 s a s t r ym ，r a om ，g a n e s hk n a c c o u n to f c h e m i c a lr e s e a r c h ，2 0 0 2 ，3 5 ( 1 0 ) ：8 4 7 【18 】l i ub ，c a oy c h e nd ，e t a 1 a n a l c h i m a c t a , 2 0 0 3 ，4 7 8 ：5 9 【1 9 w a n gyq i a nw 只t a nye t a 1 t a l a n t a 2 0 0 7 ，7 2 ( 3 ) ：11 3 4 【2 0 b f i r opj ，s a n t h a n a m ksv ，aj a y a npm b i o e l e c t r o c h e m b i o e n e r g ，1 9 9