单层自组装膜的应用进展

单层自组装膜的应用进展XXXX（CC大学应用化学，山西太原030006）摘要：自组装单分子膜(SAMs)是近20年来发展起来的一种新型有机超薄膜，具有广泛的应用前景，具有序度高、缺陷少、能量低的优点，易于用物理和化学技术进行研究。文中综述了自组装单分子膜在电分析化学，金属腐蚀与防护与美感修饰效能的应用进展。关键词：自组装单分子膜；电分析化学；金属腐蚀与防护；美感修饰效能自组装单层膜是表面活性物质在基片上形成一层排列致密有序的自组装膜，是近20年来发展起来的一种新型有机超薄膜，一般而言，自组装单分子膜(SAMs)具有以下主要特征：(1)原位自发形成；(2)热力学稳定；(3)覆盖度高，缺陷少；(4)分子有序排列;；(5)可人为设计分子结构和表面结构来获得预期的界面物理和化学性质;；(6)简单易得。由于其独特的结构和性能，其应用受到科研工作者的密切关注。本文综述了自组装单层膜在等领域的应用进展。1自组装膜在电分析化学的应用[1]自组装单分子膜在电分析化学领域显示出巨大的优势。主要表现在：在分子水平上预先设计膜结构，获得特殊的性能和功能，达到研究对象的目的。膜与研究对象的相互作用可通过对膜的预先设计和修饰达到最佳效果。另外，有序规则单分子膜提供了均相的电极表面，能有效避免电活性物质向电极表面的扩散。因此，SAMs技术在电分析化学领域获得了广泛的应用。1.1化合物电化学性质研究[1]利用自组装膜的活性基团，将具有氧化还原中心的化合物引入自组装膜分子中，在电极表面形成特定的修饰层来研究这些化合物的电化学性质。常常研究的化合物有二茂铁、偶氮苯、醌、染料及它们的衍生物等。另一类研究是将具有氧化还原中心的化合物共价键合在自组装膜上，研究该氧化还原中心对其他电活性物质的电催化作用。醌、染料及其衍生物对生物分子(如蛋白质及其他小分子)的电催化研究最为广泛。1.2生物传感器[2]利用自组装膜技术将酶或具有活性的细胞组织固定在自组装膜电极上，可制成对生物物质有选择性响应的传感器，对特定物质选择性地产生电催化反应，并对产物进行检测。根据识别机理，SAM生物传感器可分为电化学传感器，光学传感器，热传感器和质量传感器。电化学传感器SAM生物传感器的主要优点是它的稳定性，这与电活性的SAM作为电子通道有关，因此适合用作检测生物分子的基底。表面等离子体共振(SPR)传感器表面等离子体传感器属光学传感型，它能检测覆盖金属表面单分子膜厚度的变化，还可用于监测SAM原位生长和溶液中分子主体-客体作用，这种方法一般检测大的生物分子。如环糊精和杯状芳烃修饰的长链SAM表面，由于其孔穴可螯合有机小分子和相关的大的生物分子，因此具有较高的选择性。石英晶体微天平(QCM)是另一种重要的生物传感器，它根据共振频率变化引起的原位质量变化进行分析检测。这种质量敏感技术在研究单分子层信息，酶的固定、小分子有机物以及大的生物分子选择性响应等方面具有独到之处。1.3离子选择性电极[1]引入特定基团或化合物的自组装膜修饰电极对金属离子有选择性的响应，可制成离子选择性电极。具有超分子结构的冠醚，杯芳烃及杯芳醚对金属离子及有机分子有很高的识别能力，将这些物质键合在自组装膜电极上，可对金属离子及有机分子进行选择性测定。1.4电子转移[3]通过SAMs分子表面基团的设计，从而影响异相电子转移的速率，更进一步研究电子转移机制变化方面的工作也是SAMs的重要应用方面之一。这方面不仅能够直接体现界面结构和功能性的关系，同时也是SAMs在分子识别、传感控制等方面得以应用的基石。另外一方面有意义的工作是通过改变pH，调节SAMs表面基团的状态，进一步影响异相电子转移过程的研究。2自组装膜在金属腐蚀与防护中的应用[4]金属在各种环境下均会遭受腐蚀，轻者给人们的生产和生活带来诸多不便，重者造成巨大的财产损失，甚至危及人身安全。因此研究金属腐蚀机理，采取有效的防腐蚀措施具有十分重要的意义。自组装技术在金属腐蚀与防护中的应用主要体现在以下几方面：(1)解释缓蚀机理需要了解缓蚀剂在金属表面的微观吸附状态，如分子的取向和排列方式等，但运用常规的涂层方法直接获取分子取向和排列特征非常困难，可以借助SAMs模型来解释缓蚀剂作用机理。(2)可以通过一些现代分析测试仪器对SAMs进行表征，如XPS、FTIR、STM、SEM及EIS等。(3)能有效提高缓蚀剂的缓蚀效率。缓蚀剂分子在基底金属上自发形成单分子层，分子层排列致密，结构有序，可以阻止介质中的水分子、氧原子向金属表面的迁移和传输，即能很好地抑制基底金属的氧化—还原过程，保护基底金属免遭腐蚀。例如，希夫碱是一类含有亚胺或苯甲亚胺基团的化合物，其分子中所含的氮原子和氧原子具有未成对电子，而且两个苯环和碳氮双键形成大∏键，可通过化学键作用吸附在铜的表面上形成自组装单分子膜，而烷基硫醇由于具有两亲性也被广泛应用于自组装膜的研究。3自组装膜在美感修饰效能的应用[5]基于自组装单分子膜的自身特性，像韧度高、膜层稀薄且致密有序等特点，非常适合作精美奢侈饰品与贵重金属的防磨损保护层。又由于自组装单分子膜的厚度在纳米级水平，金属表面成膜后并不影响其美观和性能，所以像钻石、铂金等贵重物品制成的工艺品、文物或纪念品的表面修饰更具有特别重要的意义。4结束语自组装单分子膜是超分子化学的重要分支，目前已成为凝聚态物理、材料科学、合成化学、结构化学、微电子学及生物化学等研究领域的交叉性前沿课题，并被广泛应用于生物传感器和分子、电子学器件等领域。如何提高生物活性分子自组装膜的稳定性以及自组装膜的功能化可能是未来自组装技术在电化学、生命科学、分析科学的研究热点。相信经过科学家的不断努力，自组装技术必将会广泛应用到人类社会生活、工业生产中去。参考文献[1]王都留，杨建东。自组装单分子膜的制备及其在电分析化学中的应用[J].大学化学，2012,27(5):53-58.[2]汪海燕.自组装单分子膜及其在生物传感器中的应用[J].巢湖学院学报，2006,8(3):65-67.[3]宋雅茹，王宁，童汝亭，邵会波。自组装单分子膜在电化学电子转移过程中的应用[J].分析化学(FENXIHUAXUE)评述与进展，2003,7(31):874-879.[4]马洪芳，项东，孙华，刘志宝，秦广久。自组装单分子膜技术及金属腐蚀与防护[J].山东建筑工程学院学报，2004,19(3):86-89.[5]楚茂阳，高传奎，刘琳，邢锦娟，钱建华。自组装单分子膜防护效能研究[J].渤海大学学报(自然科学版)，2011,32(1):47-49.TheApplicationofSelf-assembledmonomolayersAbstract:Self-assembledmonomolayers(SAMs)isakindofneworganicultrathinmembrane,whichwasfornearly20years.Ithaswideprospect.SAMshasadvantagesofhighdegree,lessdefectsandthelowenergy,Soitiseasytobeusedtostudythephysicalandchemicaltechnology.Inthispaper,wereviewtheSAMsintheapplicationofElectroanalysischemistry,MetalcorrosionandprotectionandAestheticmodificationefficiency.Keywords:SAMs;Electroanalysischemistry;Metalcorrosionandprotection;Aestheticmodificationefficiency