摘要：指出了将分子自组装技术运用于传感设计中，可以在分子水平上设计和控制电极的结构，为传感技术的发展开辟了新的途径。综述了基于自组装技术的化学、生物传感器的研究进展，分析了存在的问题并进行了展望。
关键词：自组装膜;研究进展;传感器;荧光
中图分类号：TP212.3
文献标识码：A文章编号：1674-9944（2014）12-0160-04
1引言
传感器是一种重要的电子器件。随着传感技术的发展和传感器的广泛应用，对传感器的质量提出了越来越高的要求。而对传感器的研究主要是如何提高器件的选择性、稳定性和可靠性。目前对化学、生物传感器的研究主要集中在两个方面：一是如何提高传感器的质量。敏感膜或敏感材料决定了传感器的质量，而具有识别功能，特别是具有分子识别功能的敏感膜或敏感材料是决定整个传感器质量的关键因素，将大大提高传感器的选择性;另一方面是敏感膜或敏感材料的设计与选择以及如何将其耦合于合适的换能系统。分子自组装技术，可得到结构有序、机械强度和稳定性好的敏感膜;可实现具有分子识别功能的敏感膜;通过耦联层可实现敏感膜的固定化;可适用于有机、无机分子，大分子、小分子（关键在于分子头尾基功能团的设计以及附着基底表面的处理）;同时，由分子自组装形成的自组装膜（SAMs）对化学环境、热、外压和时间稳定，且制备简单快速，可以长期保存[1]。因此，分子自组装技术应用于传感器具有技术优势，同时也提高了传感器的质量和性能，为制备化学、生物传感器提供了新的方法，具有很好的应用前景，已成为当前研究和应用的热点。
2分子自组装技术
分子自组装是分子与分子在一定条件下依赖非共价键分子间作用力（氢键、范德华力、静电力、疏水作用力、π-π堆积作用、阳离子-π吸附作用等）自发连接成结构稳定的分子聚集体的过程[1]。其原理是利用分子与分子或分子中某一片段与另一片之间的分子识别，相互通过非共价作用形成具有特定排列顺序的分子聚合体。分子自组装是分子合成中的重要手段之一，是构成具有某种功能的材料（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光、电、催化等功能和特性，在分子器件、分子调控等方面有潜在的应用价值，因而分子自组装体系的设计与研究引起了研究者极大的兴趣，近年来受到了广泛的重视和研究[2，3]。
SAMs是活性分子通过化学键作用自发吸附在异相界面（固/液或气/固）上而形成的热力学稳定、能量最低有序超分子体系。长链的羧基化合物在金属氧化物表面、有机硅化物在羟基化的基体（如玻璃石英和氧化铝等）表面以及巯基化合物在贵金属表面（如金、银、铂、铜等）都能形成SAMs，其中研究和应用最为广泛的是巯基化合物在金电极表面形成的SAMs[4]。
3基于自组装技术的传感器
传感器主要由敏感膜和换能器两部分组成。在换能器前面附加上一层特制的敏感膜，即可构成化学传感器与生物传感器。对于化学传感器来说，膜中的敏感材料为特定的无机或有机物，对于生物传感器来说，膜中的敏感材料为生物活性物质。按照传感器中换能器的工作原理不同可将化学传感器分为以下几种：光学传感器、电化学传感器、质量传感器、热量传感器和场效应管传感器等。
3.1电化学传感器
根据所检测到的电信号的不同，电化学传感器一般又可以分为电流型、电位型、电容型和电导型4种类型。
3.1.1电流型电化学传感器
电流型电化学传感器是基于氧化还原反应在传感电极上产生的电流与电极表面的待测物浓度成正比关系，通过测量恒定电压下通过电化学室的电流来定量检测待测物。
L-半胱氨酸（L-Cys）分子中含有极活泼的巯基（-SH），易于通过形成Au-S键吸附于金电极表面。干宁[5]制备了乙酰半胱胺铜自组装单分子膜修饰电极，该电极对NO的还原有催化作用，催化电流与NO的浓度在3.1×10-9～4.7×10-8mol/L范围内具有良好的线性关系，是一种新型的NO生物传感器。李昌安等[6]利用共价自组装的方法制成了L-Cys单分子层修饰金电极，研究了该电极在磷酸缓冲液中对Cu2+的电化学响应，结果表明，峰电流的增大值与Cu2+浓度有关，在0.1～30μmol/L之间出现良好的线性关系。Wang等[7]研究了对苯二酚在L-Cys自组装膜修饰金电极上的电化学性质，发现催化电流与对苯二酚的浓度在2.0×10-6～2.0×10-4mol/L范围内呈良好的线性关系。谷胱甘肽（GSH）自组装膜修饰金电极具有离子闸门的作用，它能影响电活性离子的渗透和在电极上的反应。杨培慧等[8]利用GSH自组装膜修饰金电极探讨了Cr3+与GSH相互作用机理及其电化学性质，并运用1.5次微分线性扫描伏安法对Cr3+进行了定量分析。高先娟等[9]利用自组装技术将GSH固定在金电极表面，并通过壳聚糖交联网络固定葡萄糖氧化酶构建了新型电流型葡萄糖生物传感器。方法具有选择性高、迅速、灵敏等特点，适用于尿样中葡萄糖的测定，在临床检验上具有很好的应用价值。李黎等[10]以高纯度Pt丝为基体，利用壳聚糖结合静电自组装方法固定酪氨酸酶，再修饰Nafion膜，制备复合膜修饰的新型多巴胺传感器。
3.1.2电位型电化学传感器
电位型电化学传感器是基于测量电位变化来进行分析的电化学传感器。
Xu等[11]首先在电极表面上固定一层二（2-氨基乙基）-氨基二硫代甲酸，再在此基础上制备铁氰化铜膜，该膜对钾离子在1.0×10-2～1.0mol/L浓度范围内呈良好的能斯特响应。周性尧[12]研究小组也在GSH-SAMs上合成了类似的电位型传感器。Whitesides等[13]在烷烃硫醇的SAMs膜上引入氢醌，制成了对酸度有响应的pH微传感器。连惠婷等[14]以共价键合的方法将壳聚糖修饰到玻碳电极上制成了pH传感器，实验结果表明该传感器在pH值0.7～11.0的范围内电极电势与pH符合能斯特响应，斜率为58.3mV/pH，可准确测定较高酸度溶液的pH值，克服了玻璃pH传感器的“酸误差”的缺点，可用于雨水和饮料等实际样品溶液的pH值测定。
3.1.3电容型电化学传感器
电容型电化学传感器是以测定界面电容变化作为分析和研究的手段。
齐斌等[15]通过金-硫共价键，将巯基十六羧酸以自组装的方式固定到金电极表面。再通过1-（3-二甲氨基丙基）-3-乙基碳二亚胺盐酸盐、n-乙酰琥珀酰亚胺的活化作用，对钙调蛋白的氨基与巯基十六羧酸暴露于自组装层外的羧基进行共价键和，从而将钙调蛋白固定到电极表面，制成一种新型的钙离子电容传感器。实验结果表明，在10-8～3×10-6mol/L的较宽范围内，钙离子浓度的对数值与总电容信号值之间呈线性关系，而且检出限可以达到10-9mol/L。使用过的传感器可用EDTA进行再生重复利用。
3.1.4电导型电化学传感器
电导型电化学传感器是在电场作用下测量待测物溶液中导电率的变化来分析待测物质。
Knichel等[16]利用分子自组装技术将经硫醇修饰的抗原基肽固定化在金膜上，制备出了阻抗式免疫传感器，通过测量接触电极两端的电阻就可得到溶液中特定的单无性抗体的浓度。何燕芳等[17]利用Au-S化学键的作用，在金基底上组装L-Cys，通过铜离子的配位作用，构建Cu2+/L-Cys/Au SAMs，该SAMs具有对L-色氨酸识别的选择性，在pH=8～9的不同浓度的L-色氨酸中，膜的电化学阻抗会发生明显变化，利用这一特性，可构建一种新型的免标记电化学阻抗法L-色氨酸传感器。
3.2光学传感器
3.2.1荧光传感器
孙向英研究小组基于自组装膜技术构建了一系列荧光传感器[18～22]。借助Au-S化学键的作用，在金基底上组装DL-半胱氨酸，利用DL-半胱氨酸与1-萘胺乙酸（NAA）的静电吸引作用在金表面间接组装荧光试剂NAA，从而构建了双层自组装膜NAA/Cys/Au。该SAMs有较强的荧光信号，能被Cu2+猝灭，并具有较好的可逆再生性能，可用于超痕量铜离子的界面荧光测定，对Cu2+的检出下限为7.87×10-11mol/L[20]。制备了桑色素/DL-半胱胺酸/金纳米粒子/石英荧光性SAMs，该膜对三苯基锡有灵敏的荧光识别作用，随着三苯基锡浓度增加，荧光强度增加，三苯基锡的含量在2.01×10-7～1.2×10-6mol/L范围内与荧光强度呈良好的线性关系，检出限为5.033×10-8mol/L[21]。构建了异硫氰酸荧光素SAMs，基于H+对该SAMs的荧光强度有猝灭效应，建立了一种快速灵敏检测溶液pH的界面荧光分析法，线性响应范围为 pH值 1.14～5.05[22]。
3.2.2表面等离子体共振传感器（SPR）
在两个不同折射率的介质界面上镀一层金属薄膜，则消失波将与金属的等离子电子波相耦联，使电子发生振荡产生表面激元波。如果在金属表面固定敏感材料，则产生表面等离子激元波的角度发生改变，在敏感层与被测成分发生结合，表面等离子激元波的角度又将发生改变，因此测得的角度之差反映了待测物质的浓度。
Abdelghani等[23]研究制备了SPR光纤气体传感器，可用于远距离检测。他们利用热蒸发技术在光纤的硅核上沉积50nm的银膜，在银膜上利用自组装技术自组装一烷烃硫醇单层，再在此SAMs上自组装敏感膜。该传感器可检测卤化的碳氢化合物，如三氯乙烯、碳四氯化物、氯仿和氯化物，其检测限度分别为0.3%，0.7%，1%和2%，吸附和脱附时间均不超过2min。羊小海等[24]利用伴刀豆球蛋白A和糖类的特异性相互作用，研制了葡萄糖表面等离子体共振传感器。该传感器的敏感膜是构建于金膜表面的伴刀豆球蛋白A/葡聚糖自组装多层膜，在葡萄糖的存在下，该自组装多层膜被分解，引起表面等离子体共振信号的显著变化，信号变化的大小与葡萄糖的浓度相关。王曼丽等[25]利用柠檬黄与柠檬黄小鼠单克隆抗体特异性结合的原理，将碳酰二亚胺盐酸盐法制备出的柠檬黄-牛血清白蛋白偶联物组装到活化了的金片上，制备了可用于食品色素柠檬黄检测的傅里叶-表面等离子体共振传感器。
3.3质量传感器
质量传感器中主要包括石英晶体微天平（QCM）及声表面波传感器（SAW）。
3.3.1石英晶体微天平
QCM的质量灵敏度可达ng级，通过测量吸附物质后QCM的响应频率变化，可以测量QCM所吸附物质的质量。王存嫦等[26]报道了一种基于胱氨自组装膜和采用聚电解质吸附法固定活性物质的压电免疫传感器，用于检测人血浆中抗凝血酶Ⅲ。采用Piranha试剂作洗脱液可实现传感器的反复再生。段淑静等人[27]以对巯基苯硼酸自组装修饰石英晶体微天平芯片，基于硼酸根对唾液酸的特殊反应，建立了检测唾液酸的新方法，检出限为0.15 mmol/L，为实际样品的测定奠定了基础。
3.3.2声表面波传感器
SAW器件本身对待测物质并不敏感，而是通过沉积在SAW传播途径上和叉指换能器（IDT）区域的界面敏感膜与被测气体或液体作用，产生相互作用的界面膜物理性质的变化来改变SAW的速度，从而把对界面膜某些参数敏感的SAW器件转换成了对气体浓度或液体浓度敏感的器件。检测敏感膜表面吸附被测气体或液体后所引起的SAW速度变化便可探测气体或液体的浓度。Johnson等[28]利用分子自组装技术将聚合电解质/分子篮和聚合电解质/环糊精交替地固定在SAW器件表面，形成敏感多层膜。分子篮是人工设计与合成的受体，其构形类似“篮筐”，可以容装配体分子。这种多层膜对有机物气体（如三乙醇胺、甲苯，丙酮等）具有高的选择性和灵敏度。邵晟宇等[29]以单6-脱氧（1，10-癸二巯基）-β-环糊精为敏感膜材料，采用自组装和分子印迹（MIP）技术研制出对甲氟膦酸异丙酯（GB）有选择性检测能力的SAW-MIP-GB传感器。该传感器集SAW传感器的高灵敏度、SAMs的稳定性和MIP的专一选择性于一体，对GB的检测下限可达0.4mg/m3。另外，潘勇等[30]还对SAW自组装技术在有机膦化合物中检测的研究进展进行了综述。
4结语
分子自组装技术引入传感器的研究，为制备化学和生物传感器提供了新的途径。分子自组装技术制备方法快速简单，所得到的膜性能稳定、机械强度好、结构高度有序，且可人为地通过有机合成来设计分子结构和进行分子剪裁以期获得预期的、物理和化学性质优异的界面。近年来，自组装技术在传感器方面的基础及应用研究方面均开展得相当活跃，并且取得了很大的成绩。但是，仍有许多方面的工作要做：①SAMs的稳定性、选择性及灵敏度有待于进一步提高，如结合MIP技术提高选择性;②为了达到对某一对象的检测，常需要多步化学修饰而导致操作方法繁琐，因而合成特异功能性化合物直接自组装在电极表面具有广泛应用前景;③SAMs通常具有高度致密性和有序性。相反，通过对这种致密性膜进行刻蚀制备有缺陷的膜可应用于检测大的有机或生物分子。
展望未来，自组装技术的研究和应用还将继续深入下去，并将进一步带动促进化学生物传感器的发展，也将对传感器及分析仪器的微型化起一定的推动作用。
参考文献：
[1]王毓德，马春来，孙晓丹.分子自组装及其在传感器中的应用[J].高技术通讯，2002（10）：102～106.
[2]王俊，曾百肇，周性尧.自组装膜技术在电分析化学中的应用[J].分析科学学报，2000，16（3）：253～258.
[3]崔晓莉，江志裕.自组装膜技术在金属防腐蚀中的应用研究[J].腐蚀与防护，2001，22 （8）：335～338.
[4]杨生荣，任嗣利，张俊彦.自组装单分子膜的结构及其自组装机理[J].高等学校化学学报，2001，22（3）：470～476.
[5]干宁.乙酰半胱氨铜自组装修饰金电极作为生物传感器测定一氧化氮[J].分析测试学报，2005，24（6）：10～15.
[6]李昌安，葛存旺，刘战辉.L-半胱氨酸修饰金电极测定水中铜离子的研究[J].东南大学学报：自然科学版，2004，34（1）：78～81.
[7]Wang S F，Du D.Studies on the electrochemical behavior of hydroquinone at L-cysteine self-assembled monolayers modified gold electrode[J].Sensors，2002，2：41～49.
[8]杨培慧，赵秋香，朱洁晶.谷胱甘肽自组装膜修饰电极用于Cr（VI）离子的测定[J].暨南大学学报：自然科学版，2004，25（1）：97～111.
[9]高先娟，王怀生，蔡青云.基于谷胱甘肽—壳聚糖自组装的葡萄糖生物传感器[J].分析测试学报，2013，32（7）：872～876.
[10]李黎，李磊，刘飞鸽.静电自组装技术制备多巴胺传感器的研究[J].传感器与微系统，2008，27（9）：46～49.
[11]Xu J J，Fang H Q，Chen H Y.The electrochemical characteristics of an inorganic monolayer film modified gold electrode and its molecular recognition of alkali metal cation[J].J.Electroanal. Chem，1997，426（1-2）：139～143.
[12]Wang J，Zeng B Z，Fang C et al.Voltammetric study of a cupric hexacyanoferrate monolayer immobilized on mixed dodecanethiol-glutathione self-assembled monolayer modified gold electrode[J].Electroanalysis， 2000，12（10）：763～766.
[13]Henke C，Steinem D，Janshoff A et al.Self-Assembled Monolayers of monofunctionalized cyclodextrins onto gold：A mass spectrometric characterization and impedance analysis of host-guest interaction[J].Anal.Chem，1996，68（18）：3158～3165.
[14]连惠婷，孙向英，徐金瑞.共价键合修饰壳聚糖pH传感器的研制[J].分析试验室，2006，26（4）：100～103.
[15]齐斌，杨秀荣.基于电化学电容检测的新型钙离子传感器[J].分析化学，2007，35（2）：196～200.
[16]Knichel M，Heiduschka P，Beck W et al.Utilization of a self-assembled peptide monolayer for an impedimetric immunosensor[J].Sensors and Actuators B：Chemical，1995，28：85～94.
[17]何燕芳，孙向英，刘斌.检测色氨酸的免标记生物传感器研制[J].华侨大学学报：自然科学版，2007，28（4）：414～417.
[18]Sun X Y，Xia K H，Liu B.Design of fluorescent self-assembled multilayers and interfacial sensing for organophosphorus pesticides[J].Talanta，2008，76（4）：747～751.
[19]徐义邦，孙向英，杨传孝.碲化镉量子点自组装膜的构筑及其对溶菌酶的界面传感[J].分析化学，2011，39（9）：1336～1440.
[20]孙向英，翁文婷.荧光性自组装双层膜的制备及其性能研究[J].高等学校化学学报，2005，26（6）：1030～1034 .
[21]何菲，孙向英，刘斌桑.色素修饰金纳米粒子自组装膜的制备及其性能研究[J].光谱学与光谱分析，2007，27（10）：2102～2106.
[22]李芳，孙向英，吴凯.以异硫氰酸荧光素为指示剂的pH荧光自组装传感膜[J].分析化学，2013，41（7）：1097～1101.
[23]Abdelghani A，Chovelon J M，Jaffrezic Renault N et al.Surface plasmon resonance fibre-optic sensor for gas detection[J].Sensors and Actuators B：Chemical，1997，39 （1-3）：407～410.
[24]羊小海，黎振华，王青.基于自组装多层膜的葡萄糖表面等离子体共振传感器[J].化学学报，2007，65（12）：1185～1189.
[25]王曼丽，明华蜜，尹洪宗.表面等离子体共振生物传感器的构建及对柠檬黄的检测[J].分析化学，2014，42（1）：53～58.
[26]王存嫦，王桦，吴朝阳.基于胱氨自组装膜的压电免疫传感器检测抗凝血酶Ⅲ[J].分析化学，2002，30（9）：1030～1034.
[27]段淑静，何锡文，陈朗星.对巯基苯硼酸修饰石英晶体微天平传感器用于测定唾液酸[J].高等学校化学学报，2012，33（3）：464～469.
[28]Yang X，Johnson S，Shi J et al.Polyelectrolyte and molecular host ion self-assembly to multilayer thin films：An approach to thin film chemical sensors[J].Sensors and Actuators B：Chemical，1997，45（2）：87～92.
[29]邵晟宇，穆宁，潘勇.SAW分子印迹技术检测甲氟膦酸异丙酯研究[J].化学传感器，2013，33（2）：54～58.
[30]潘勇，黄启斌，余建华.SAW自组装技术在有机膦化合物中检测的研究[J].压电与声光，2005，27（6）：598～601.
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