LB膜技术的应用综述

1、2009年5月第27卷第3期合肥师范学院学报Journal of Hefei Teachers College May.2009Vol.27No.3收稿日期2009-01-10基金项目安徽省教育厅青年教师资助计划项目(2007jqL103zc 第一作者简介陈琛(1984-,女,合肥师范学院化学化工系教师,硕士。LB 膜技术的应用综述陈琛,袁立丽(合肥师范学院化学化工系,安徽合肥230061摘要LB 膜技术是一种制备分子高度有序排列的超薄膜的先进技术。本文对LB 膜技术的应用进行了综述,主要讨论了目前LB 膜技术在生物膜仿生模拟、超薄膜制备、光学及传感器等方面的应用研究进展。关键词LB 膜技术;

2、生物膜模拟;超薄膜;光学;传感器中图分类号Q735文献标识码B 文章编号167422273(20090320094204Langmuir 2Blogeet 膜,简称为LB 膜,它是将具有亲水头和疏水尾的两亲分子分散在水面(亚相上,沿水平方向对水面施加压力,使分子在水面上紧密排列,形成一层排列有序的不溶性单分子膜。LB 膜技术就是将上述的气/液界面上的单分子膜转移到固体表面并实现连续转移组装的技术1。LB 膜具有膜厚可准确控制,制膜过程不需很高的条件,简单易操作,膜中分子排列高度有序等特点,因此可实现在分子水平上的组装,在材料学、光学、电化学和生物仿生学等领域都有广泛的应用前景,近年来已成为人们

3、关注的热点之一2,3。本文主要介绍了LB 膜在生物膜仿生模拟、超薄膜制备、光学及传感器方面的应用。1LB 膜在生物膜仿生模拟上的应用LB 膜由于其特殊的物理结构和化学性质,在生物膜仿生模拟领域有很大的应用价值,人们运用LB 技术在生物膜的化学模拟以及生物矿化方面都作了很深入的研究。1.1生物膜的化学模拟生物膜是构成生命体系中最基本的有组织单元,它将细胞和细胞器同周围的介质分隔开来,形成许多微小的具有特定功能的隔室,起着维持膜两侧浓度的浓度差和电位差的作用。人们通常采用化学模拟的方法去寻找和建立各种比较简单的模拟体系4,5。LB 膜的物理结构和化学性质与生物膜很相似,具有极好的生物相溶性,能把功

4、能分子固定在既定的位置上,因而单分子膜和LB 膜常被用作生物细胞的简化模型。Pastorino 等6运用“保护板”法沉积了具有P GA (青霉素G 酰基转移酶活性层的生物催化剂,LB 技术的易选择性和吸附层为P GA 保持功能创造了适宜的环境。通过测试酶活性值及P GA 在溶液中分离的程度,表明能够满足生物催化应用的需要。陈佺等7利用LB 膜技术组装磷脂和蛋白质等各种有机分子,仿制生物膜结构,研究生物膜的理化特征及其在生物能量转换和物质传输过程中所起的各种作用,进一步揭示了人的生命本质。1.2生物矿化和膜控晶体生长生物矿化过程是指在生物体中细胞的参与下,无机元素从环境中选择性的沉析在特定的有机

5、基质上而形成矿物。LB 膜可以提供仿生体系,从而诱导矿化的形成。安徽大学沈玉华课题组运用LB 膜技术,制备胆红素和胆固醇混合单分子膜,体外模拟混合型结石的形成过程,通过改变成膜时两种物质的比例,研究它们的相溶性情况,在不同的膜压下,发现两者的相溶性发生了一定程度的改变8;并考察了亚相中加入Ca 2+和糖蛋白对混合单分子膜的影响9,这些研究对进一步揭示胆结石的形成机理有重要的意义。岳文瑾等10采用双扩散法研究了琼脂凝胶介质的尿酸体系中环状及分形结构的产生,并考察了影响环生长的有关因素;通过考察不同因素(包括:离子种类、离子浓度、不同种添加物、胶层位置对形成尿结石斑图结构的影响,发现加入Fe 2+

6、的体系易形成多环,不同种离子浓度影响成环49速度及环宽度,含有添加物的体系则易形成多环,而胶层的位置影响环的形状。利用有序分子膜作为诱导无机晶体的生长的模板,已成功诱导出CaCO3、CuSO4、NaCl、CdS、PbS 等。暨南大学钟玖平等11利用二棕榈酰磷脂酰胆碱(DPPCLB膜作为生物细胞膜的简单模拟,可以诱导亚稳溶液中CaC2O4晶体的异相成核,并促使CaC2O4晶体产生晶面取向生长。尿大分子C4S和生物小分子L2G L u通过调控CaC2O4晶体的晶面生长而影响晶体的形貌,C4S使CaC2O4晶体由六边棱柱晶体转变为六边薄片状晶体,L2G L u使CaC2O4晶体由六边棱柱晶体转变为“

7、不定”形晶体。河南大学薛中会等12以生物矿化模型系统为基础,利用LB技术,采用本体交换的方法,制备了牛血清白蛋白(BSALangmuir膜,以更加接近生物矿化的方法研究了BSA Langmuir膜对碳酸钙晶体生长的取向、形貌和晶型的控制作用。XRD分析表明晶体为碳酸钙的方解石晶型,且晶体仅沿(104晶面有取向生长。SEM分析表明结晶初期碳酸钙以球状的晶体存在,随着时间的延长,BSA对晶体形貌的控制作用逐渐减弱,直到完全不起作用,在结晶后期形成菱方形晶体,但晶体生长取向和晶型始终没有发生变化。说明BSA Langmuir膜对碳酸钙的生长取向、晶型和形貌有较好的控制作用。2LB膜在超薄膜制备上的应

8、用LB膜技术是一种在纳米尺度上对分子进行有序组装的行之有效的方法。利用LB技术制备有序纳米材料超薄膜具有许多优点:可以制备单层纳米膜,也可以逐层累积,形成多层膜或超晶格结构,组装方式可任意选择;可以选择不同的纳米材料,累积不同的纳米材料形成交替或混合膜,使之具有多种功能;成膜可在常温常压下进行,不受时间限制,基本不破坏成膜纳米材料的结构;可控制膜厚和膜层均匀度;可有效地利用纳米材料自组装能力,形成新物质;LB膜结构容易测定,易于获得。因此,LB技术成为制备纳米材料的主要方法之一。锑掺杂SnO2薄膜(A TO是一种极具应用价值和潜力的薄膜材料13,由于同时具有良好的光透过性和导电特性,故它在建筑

9、玻璃、液晶显示器、透明电极以及太阳能利用等领域得到了广泛的应用。冀鸽等14选用SnCl45H2O和SbCl3为基本原料,采用共沉淀法制得了掺锑氧化锡(A TO沉淀,经胶溶制得A TO纳米水溶胶,将其溶于纯水并作为亚相,采用LB膜技术制备了10mm×30mm A TO复合膜,烧结处理后制得A TO超薄膜,并采用紫外光谱、X2射线衍射、原子力显微镜等手段对热处理前后的薄膜进行了形貌、组成、结构表征。结果表明,制得的是均匀性和覆盖度较高的A TO超薄膜。这种A TO超薄膜同时具有单分子膜及A TO粉体的优点,对于纳米尺度电子器件的制备,具有极大的应用价值。目前,研究较多的纳米粒子超薄膜还有

10、Au、Ag、Pt、Si、CdS、Ag2S、SiO2、TiO2等纳米粒子薄膜。曲鹏等15在不同条件下采用LB技术制备了金纳米粒子单层膜,并利用SEM对所得到的薄膜的表面形貌进行表征。结果表明决定薄膜质量的关键因素是表面压。将表面压控制在22-26mN/m的范围内以较慢的拉膜速度在Si(100基底上进行拉膜,可以得到大面积金纳米粒子的均匀致密单层膜。他们在室温下测量单层膜两点之间的I-V特性,得到了非欧姆特性。Murali Sast ry等16以具有还原性的表面活性剂3十五烷基苯酚铺展在Ag2SO4溶液亚相上形成单分子膜,直接原位氧化还原制备了粒径分布非常均匀的银纳米颗粒(如图1所示, 制备了层状

11、结构良好的银纳米颗粒复合膜。图1气/液界面上32PDP还原纳米银颗粒的透射电镜图(G中的插图为H中100个纳米颗粒大小分布柱状图3LB膜在光学上的应用LB膜是目前人们所能制备的缺陷最少的超分子薄膜,它在作为光电探测器、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很大的应用前景。曾昊等17利用椭圆偏振光谱法(SE对Y型花菁染料LB膜在紫外-可见光范围内(=27515 82616nm的光学特性进行了表征,同时得到了该薄膜的光学常量(复介电常数、消光系数、吸收系数、反射系数、折射率等;讨论了LB薄膜对不同频率光的较高吸收特性及其成膜结构之间的关系,对其物理机理给

12、予了解释;采用洛伦兹振子模型对所得的光学参量进行了理论拟合,结果发现其理论拟合与实验数据符合得非常好。祁春媛等18在ITO导电玻璃上,制备了38层Z型细菌视紫红质(bRLB 膜,控制平均转移比在0.93以上,测量了这个LB59膜的紫外-可见吸收谱,并利用Z扫描技术在输出激光波长为400nm和800nm处对菌紫质LB膜的三阶非线性光学性能进行了研究,在800nm处,它的三阶非线性光学极化率为10-9esu,而在400nm 处为10-8esu,表明菌紫质LB膜在非线性光学器件方面具有潜在的应用前景。高学喜等19采用紫外可见吸收和二次谐波产生技术研究了两种“推-拉”型偶氮苯分子LB膜的光谱和二阶非线

13、性光学特性。4-硝基-4-氨基偶氮苯(NAA和4-羧基-4-氨基偶氮苯(CAA分子在亚相表面可以形成稳定的单分子膜,并且能较好地转移到固体基板上形成LB多层膜;由于-NO2比-COO H具有更强的吸电子能力,电子在NAA分子内更容易转移,并形成较大分子偶极矩,分子具有更大的一阶超极化率。实验测得两种偶氮苯化合物LB膜均有很好的非线性光学特性,而偶氮苯发色团的顺反同分异构可以引起光学诱导双折射,因此,它们具备了开发光学存储器件的潜力。4LB膜技术在传感器上的应用LB膜由于其分子排列的高度有序性,在传感器领域也有着重要的应用。酞菁是一类对气体具有敏感特性的有机半导体材料,具有良好的热稳定性和化学稳

14、定性,酞菁LB膜在高灵敏度气体探测方面有着极大的应用前景。谢丹等20以一种新型有机半导体材料-三明治型稀土金属元素镨双酞菁配合物(PrPc(OC8H1782为气敏材料,利用LB膜技术,将(PrPc(OC8H1782以13的配比与十八烷醇(OA的混合LB多层膜拉制在自行设计的场效应晶体管上,形成了一种新型的以LB膜取代通常的MOSFET中栅金属的化学场效应管器件。将该器件放入NO2气体中,随着气体浓度和LB膜层数的变化,器件的漏电流将产生0.05×10-6A 1.5×10-6A的变化,探测灵敏度可达到5pp m NO2,这种气敏传感器具有较高的灵敏度。LB膜还可以应用于味觉传

15、感器的制备上。贺慧琦等21利用LB膜技术,把多种不同特性的类脂薄膜沉积到光寻址电位传感器(L A PS系统上,制备了能以近似人体味觉方式检测味道的味觉传感器,并测试了传感器对甜、酸、苦、咸、鲜5种基本味觉物质溶液的响应,进行了响应图像的处理和模式识别,实验表明该传感器对不同味觉物质可以进行区分和检测。此外,LB膜在制备电化学传感器、生物传感器2等方面都有重要的应用价值。5LB膜技术的其他应用利用LB技术制备的有序超薄膜在其他领域也有着重要的应用。近年来,随着科技的不断发展, LB膜被广泛应用于尖端材料的制备中,如制备半导体材料、制备铁电材料、用DNA LB膜制备新型材料等。此外,LB膜在电学、

16、医学等领域也表现出越来越重要的应用价值。6展望LB膜以其超薄、有序、厚度可控、结构可任意设计以及在分子水平上可以任意组装的特点,在分子电子学、集成电路、信息科学、仿生合成、化学以及生物传感器等领域都具有非常重要的应用价值。但是,与任何方法一样,LB膜也存在基片尺寸、形状的局限性,且现实生活中用LB膜制备的商用器件还比较少,因此,LB膜技术还需要不断的发展。可以预见,今后LB膜技术将对科学发展和技术进步有着更加巨大的影响。参考文献1欧阳健明.LB膜原理与应用M.广州:暨南大学出版社,1999:1.2毕亚东,韩恩山,张西慧.LB膜技术的应用研究进展J.化工进展,2002,21(12:8942902

17、.3柯善明,刘来君,唐波,等.LB薄膜技术在尖端材料制备中的应用J.材料导报,2005,19(1:6220.4范迎菊,盛永丽,马玉翔.Langmuir2Blodgett膜技术在生物膜模拟方面的应用J.山东科学,2004,17(4:14217.5朱杰,孙润广.LB膜技术在生命科学中的应用研究J.生命科学仪器,2005,3(1:528.6Pastorino L.,Berzina T.S.,Troit sky V.I.,et al.BiocatalyticLangmuir2Blodgett assemblies based on penicillin G acylase J.Colloids and

18、 SurfacesB:Biointerfaces,2002,23(4: 3572363.7陈佺,张旭家.中国生物膜研究新进展J.科学通报,2003,48(9:9882990.8Xie A.,Shen Y.,Xia B.,et al.Thermodynamic studies ofbilirubin/cholesterol mixtures at t he air/water interfaceJ.Thin Solid Films,2005,472(122:2272231.9Xie A.,Shen Y.,Chen C.,et al.G lycoprotein adsorption in2to b

19、ilirubin/cholesterol mixed monolayers at t he air2water in2 terfaceJ.Colloid Journal,2006,68(3:3902393.10岳文瑾,聂光军,王华.琼脂凝胶双向扩散法模拟尿石形成及影响因素的研究J.安徽工程科技学院学报,2006,21(3: 18221.11钟玖平,欧阳健明,邓穗平.LB膜诱导下草酸钙晶体的生物矿化研究J.无机化学学报,2002,18(12:125321257. 12薛中会,张动天,关荣峰.二棕榈磷脂酰胆碱单分子膜诱导碳酸钙结晶J.焦作师范高等专科学校学报,2008,24(2:66269.(下转

20、第99页69掌握程度,考核原理了解和操作掌握程度,采用现场提问的方式;然后,将指导教师考核与企业实习鉴定两者相结合,给出评语,评定认知实习的成绩。成绩采用等级制,不合格的学生需进行重修;对于课程设计考核评价重视课程设计总结,重点对学生灵活运用知识解决实际问题的能力进行考核,可以采用百分制,逐项给分。4结束语经过四年的建设,合肥学院无机非金属工程专业建立了以培养学生工程应用能力,进而提高学生综合素质的实践教学体系,初步达到培养应用型人才的目标,但也存在一些急需解决的问题,如实践教学基地不巩固,校内工程实训中心建设落后等问题,这些有待于进一步解决。参考文献1王建珍.特色实践教学环节的构建与实施J.

21、山西财经大学学报(高等教育版,2005(9:9211.2周昌荣,陈国华,刘心宇,等.对构建普通工科院校大学生创新能力评价体系的思考J.高教论坛,2008,(1:75277.3洪林,王爱军.应用型本科高校实践教学改革与创新J.实验室研究与探索,2004(9529.4芶立,姚亚东,张萍,等.加强实验教学,培养无机非金属材料工程创新人才J.实验技术与管理,2006(3:11212. 5张军,娄伟.实践教学改革与培养创新人才的研究与探讨J.实验技术与管理,2006,(6:1082109.6石彪,周鲜成,刘利枚,等.提高工科课程设计质量的思考J.黑龙江教育,2006(358259.Establishme

22、nt and Application of the Programs of Practice T eachingSystem in Inorganic Materials E ngineering SpecialtyGUAN Hang2min1,CH EN Hong1,DON G Qian1,2,BAO Wei2tao1(1.De p artment of Chemist ry and M ateri al Engi neeri ng,Hef ei Uni versit y,Hef ei230022,Chi na;2.Teachi ng A f f ai rs O f f ice,Hef ei

23、 U ni versit y,Hef ei230022,Chi naAbstract:Practice2teaching system is an important part in of special knowledge system and t he program of application2oriented talent t raining.According to t he characteristics of engineering and t he t rend of engi2 neering develop ment,p ractice2teaching system i

24、n Inorganic Materials Engineering Specialty has been built in t he way of optimizing and unification experiment co ntent and reforming exercitation system,which focus on t he enhancing st udent sp ractical ability and innovative ability.K ey w ords:Inorganic Materials Engineering;practice teaching s

25、ystem;application(上接第96页13苗莉,徐瑞松,马跃良.SnO2:F导电薄膜的制备方法和性能表征J.材料导报,2008,22(1:1212123.14冀鸽,强亮生,万山红,等.LB技术制备A TO超薄膜J.稀有金属材料与工程,2007,36(增刊1:9002903.15曲鹏,王英,张亚非.金纳米粒子LB单层膜的制备及其I-V特性J.电子元件与材料,2006,25(2:18221.16Swami A.,Selvakannan P.R.,Pasricha R.,et al.One2stepsynt hesis of ordered two2dimensional assemblies of silver nan2 oparticles by t he spontaneous reduction of silver ions by pen2tadecylphenol Langmuir monolayersJ.J.Phys.Chem.B,2004,108(50:19269219275.17曾昊,高峰,马世红.新型花菁染料Langmuir2Blodgett膜的椭偏光谱研究J.物理学报,2008,57(5:311323118. 18祁春