智能超分子体系（人工薄膜技术）

14.7　智能超分子体系（人工薄膜技术）

14.7.1　概述

生物体的最大特点是对环境的适应性，从植物、动物到人类均如此。生物体内部存在着成千上万的以分子识别为基础，以自组装的方式形成的具有各种复杂功能的超分子体系。生物超分子有序自组装主要利用分子间的相互作用（氢键、亲水/疏水相互作用、静电作用及范德华力等）为主牵引力，在适当外场引导下，分子自发构筑成具有不同长度的特殊有序结构和形状的集合体。生物体内的天然超分子体系不仅结构复杂、功能多样化，而且种类繁多，在生命的关键环节都可见到生物超分子，即分子机器在起关键作用。

智能超分子体系是新型的智能生物材料，它的性能是其组成、结构、形态与环境的函数，它具有环境响应性。目前智能生物超分子体系主要应用于生物元件、分子反应器、分子机械和生物传感器的制作。

现代生物技术在体外尚无法以自组装方式形成复杂的生物超分子。即使在某种程度上能够形成这些复杂分子，由于蛋白质的不稳定性，这些复杂分子也很难直接应用于工业生产的目的。因此，人们发展了蛋白质人工组装技术，把具有特定功能的一种或几种蛋白质在某种程度上组装起来，提高其稳定性，便于直接把它们应用于各个领域。

蛋白质的人工组装，即把溶液状态的蛋白质分子形成具有一定自由度的二维定向分子。方法有:在水界面上的亲和配体间的Langmuir-Blogett（LB）分子定向法，以及在固体表面定向蛋白质的固定化技术等。充分利用生物素和亲和素之间的分子识别，从而使蛋白质二维结晶化是最常用的技术。脂质的一端接上生物素，而蛋白质上连上亲和素，当脂质水界面展开以后，基于生物素和亲和素的结合，使得蛋白质二维排列，表面压缩后形成蛋白质的二维定向。若在固体表面上利用生物素和亲和素的分子识别关系定向蛋白质，则首先在复杂蛋白质的特定部分导入生物素，同时利用亲和素很容易单分子吸附在团体表面上的特点，在同相载体上事先吸附一层亲和素分子，由于生物素与亲和素的相斥作用使蛋白质在同相上二维定向化，通过使光合成蛋白质在电极表面定向，可大大提高光电应答效率。

由于智能超分子体系，本质上是超分子膜，即人工膜，它是对生物膜功能的模拟。下面首先介绍一下生物膜相关知识。

14.7.2　生物膜

生物膜是指由糖类、脂类、蛋白质组装而成的一种薄膜结构，其厚度约为7～10nm，包括所有细胞都含有的细胞膜和真核细胞所特有的细胞器膜。生物膜是与细胞起源、生命本质密切相关的重要结构，它以界面的形式把生命活动的各个区域划分开来，并保持和调节着各区内外环境，使各区内生命活动得以正常进行，是进行物质代谢、能量转换、神经传导、信息传递等生理活动的场所。生物膜的各种功能是由膜脂、蛋白质、多糖等组成，中间通过精密而完美的组装及协同作用完成的。

生物膜是由蛋白质、脂类等组装而成的超分子复合物，某些生物膜上还含有多糖。生物膜的基本结构是由膜脂和膜蛋白等组成的基本性质决定的。构成生物膜的膜脂都是两亲性分子，是由一个头部和两条尾巴组成，头部相连处是亲水的甘油基团，尾部是疏水的脂肪酸链。膜脂的共同性质即同时具有亲水的头部和疏水的尾部这一性质，使得它们在水溶性环境中能形成几种热力学上稳定的脂双层结构。两亲性分子相互平行排列，与膜表面垂直，上下两排形成脂双层结构，所有亲水性头部都朝向膜的内表面，疏水性的尾部在中间尾尾相连，呈平面、球形脂双层结构等形态，如图14-40所示。

图14-40　膜脂在水相中的3种结构

脂质双分子层构成了生物膜的基质。蛋白质等物质就嵌入在这种脂质双分子层内或附着在其表面，通过与脂质的协同作用，完成生物膜的生理功能。

膜的性质主要由膜的结构所决定，而分子间相互作用、分子与基底的相互作用及组装条件等是影响膜结构的主要因素。生物膜上的受体可识别结合细胞外分子，并将此过程转变为信号，引起细胞内分子变化。作为敏感材料，发展新型传感器，经常用人工膜来模拟其功能。人工膜就是人造的具有可替代或协助完成人体部分器官生理功能的高分子膜或膜器件。

14.7.3　超分子LB人工膜技术

超分子LB膜是人工利用分子间相互作用而设计和建立的特殊的超分子体系，是有机高分子单分子膜的一种堆积技术。用来制备LB膜的技术称为LB膜技术。LB膜技术是一种把气-液界面上的单分子膜转移到固体表面的成膜技术。聚合物单分子膜具有较高的稳定性和机械性能，是一类重要的LB膜材料。

LB膜的研究起始于20世纪30年代，首先是由I.Langmuir及其学生K.Blodgett提出的。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。60年代初期，H.Kuhn首先用LB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LB膜，这对LB膜研究的发展产生了重大影响。到了80年代，LB膜技术已经引起物理学、生物学、电子学、光学、化学、材料学等领域学者的普遍关注，并在许多方面得到了应用，取得较大的进展。近年来，LB人工膜作为高技术领域的一项新技术，越来越受到一些发达国家的重视。

LB膜的特点如下:

（1）膜厚为分子级水平（纳米级），具有特殊的物理化学性质；

（2）可以一层一层累积起来，形成多层分子层或各种超晶格结构；

（3）可人为选择各种不同高分子材料，累积不同的分子层，从而使之具有多种功能；

（4）可在常温常压下形成，需要的生成能量小，又不破坏高分子结构；

（5）几乎所有的分子都能形成LB膜，并且在次序上可以任意安排；

（6）可有效地利用LB膜分子自身的组织能力，形成新的化合物。即LB膜具有均匀、超薄、分子层次排列有序、结构灵活可变等优点。

人们正是利用LB膜技术可以在分子水平上进行设计，制备出具有特定功能的结构排列分子组合体系。超分子LB膜技术作为一种传感器功能设计的有力手段，在光、电、磁、生物信息转换及气体敏感器件领域中开始得到重要应用。如其绝缘功能用于MIS（金属-绝缘体-半导体）和隧道效应元件；导电功能用于各向异性导体；半导体性用于色素PN结；光非线性用于光调制和混合开关；压电、热电性用于红外线探测；敏感性用于气体、生物、离子检测；抗蚀性用于电子束、X射线光刻；存贮、记录功能用于光盘或解决磁记录中的润滑问题。

1.LB膜制备的基本过程

典型的LB膜成膜材料必须是具有“双亲性”，即亲水基和疏水基的化合物。通常的LB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-水的界面上［（图14-41（a）］；

图14-41　LB膜沉积过程示意图

（a）分子飘浮在水面上，有机溶剂挥发；（b）分子在水面上受到挤压排列整齐；

（c）飘浮在水面上的分子转移到合适的基底表面；（d）水面上的分子进行多层转移

（2）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）。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［图14-41（b）］；

（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［图14-41（c）］；如果再提升基片，则第二层单分子层又转移到基片上［图14-41（d）］。

用来制备LB膜的装置称为Langmuir槽。近年来，Langmuir槽上已有较大的改进。例如多槽型水槽和可移动壁型槽，可以在某种物质的单分子膜上累积其他物质的单分子膜，可以构筑分子取向、累积方式不同的多种多样的复合累积膜。

LB膜在固体衬底上沉积的方法，最通用的是垂直浸渍法。有时也采用水平浸渍法。垂直浸渍法的特点是挂膜时固体载片与水平面始终呈垂直状态。

影响LB膜质量的主要因素除成膜材料本身外，还有水亚相的pH值、含有盐类的种类和浓度、累积时的表面压、水相温度、固体衬底的上、下移动速度、衬底的种类及表面状态等。

2.LB膜的主要性质

LB膜的物理性质随其化学成分与含量、分子结构、合成路线以及组装排列形式的不同，在物理特性上有很大差别。当然，它作为一种有机分子膜，除具有一般有机材料的共同特点外，LB膜作为一种高度有序的分子膜，经过功能组装之后，显示出某些独特的力学、热学、电学或光学等的物理特性，展示出巨大的应用前景。

（1）LB膜力学性能

LB膜在转移过程中，单分子层同固态衬底间的结合机理、膜的机械强度等一直是LB膜实用的关键问题之一。由于单分子层同固态衬底之间界面结合力是范德瓦尔斯力，因此较弱。为提高机械强度，可利用分子间的库仑力结合、采用高分子聚合以及在LB膜中引入纳米颗粒等措施。

（2）LB膜能量转移体系

LB膜能量转移体系的研究是光物理学中研究的新课题。例如，将光活性染料分子引入LB膜中，把染料同硬脂酸混合来组装功能LB膜。如果含荧光染料X的LB膜吸收紫外光而发出蓝色荧光，含荧光染料Y的LB膜吸收蓝光而发出黄色荧光，那么，在两种荧光材料的单分子膜之间夹着一种简单酸的单分子膜，当其间距低于某一阈值时，紫外光激发的X染料的辐射能量转移到含荧光染料Y的LB膜，使之发黄色的荧光。这种能量的转移是穿过间隙单分子层的离子隧道效应所致。

（3）LB膜电子转移体系

许多双亲分子可以作为电子施主和受主，其功能在于亲水端。一般花菁染料可以作为施主，而长链紫精衍生物是典型的电子受主。将电子施主和受主以适当的形式组装进LB膜中，可以制成各种电子转移体系。对这种体系的研究、对模拟光合作用，研制太阳能分子电池，以及多种高灵敏度传感器都有重要意义。

3.基于LB膜的集成味觉LAPS图像传感器

基于LB膜的集成味觉LAPS传感器目前已被广泛应用到味觉溶液的测试中。LAPS的全称是光寻址电位传感器（Light Addressable Potentiometric Sensors），其基本原理是基于半导体的内光电效应。当强度调制的光照射在LAPS器件的正面或背面时，可以在与器件相连的外电路中检测到电流，电流的大小与光强、耗尽层的厚度（即外偏压）等有关。若固定其他参数，仅考虑敏感膜与被测物的响应电压对耗尽层的影响时，则测得的外部电流大小的变化就反映了膜的响应。LAPS的这种特性可用来制作图像传感器。当光源在LAPS器件上作连续扫描时，记录下每一个扫描位置光电流的大小，就可形成一幅用于液体分析的图像，其功能就相当于在扫描区域内集成有上千个传感器，构成了一个理想的大容量传感器阵列。如果在硅传感器上沉积有对不同味觉物质敏感的敏感膜，就可实现对样本溶液成分和浓度的测试。可以说敏感膜的制作是实现味觉传感器的关键技术。

硅传感器和敏感膜是LAPS的核心器件，它是一种混合物，采用N型或P型硅材料作衬底。其制作工艺是先在975℃温度下，在硅表面上氧化生成一层35nm厚的SiO₂层，再在同一温度下，通过低压化学蒸汽沉积后形成100nm的Si₃N₄层，接着再喷射一层厚20nm的钛氮化层，以获得一个背面欧姆接触层。光源采用正面照射，具有响应值大、信噪比高的优点。

在LAPS上沉积不同的敏感膜便可实现对不同离子成分的测量。这里，作为LAPS系统的敏感膜的LB膜采用的成膜材料分别为油酸、卵磷脂和胆固醇。有机溶剂为氯仿，具体成膜方法如前所述（参见本章14.7.3节“LB膜制备的基本过程”）。LB膜的制作由全自动LB膜机来完成。

图14-42　NaCl溶液三维LAPS图像

硅传感器的硅片分为三个区域，不同的区域沉积不同的LB膜。由于膜的层数越多响应越大，每一区域均沉积20层膜。为了将LB膜均匀地沉积到固体基片上，硅表面先用盐酸、氨水、双氧水和氢氟酸的溶液进行疏水化处理。由于膜材料对不同味觉物质具有不同的响应电位，而膜的响应电位对硅传感器的输出电流产生影响，因此通过对硅传感器的电流输出进行扫描，就可以得到二维的味觉图像。图14-42为LAPS图像传感器对应于咸味时输出的60×30响应图像，测试对象为2mol/L的NaCl溶液。三维图中Z向刻度单位为V，表示敏感膜对味觉溶液的响应电位。从图中可清楚看出，卵磷脂膜（左边）对溶液的响应电位最小，胆固醇膜（中间）对溶液的响应最大，而油酸（右边）居中，对应在三维图中可看出响应电位的大小。图中坐标轴X、Y标识的为每一像素点的位置。