劉巖，潘勇，王文，崔志鵬，林濤

（1.防化研究院，北京102205）

（2.中國科學(xué)院聲學(xué)研究所，北京100080）

（3.中國人民解放軍駐394廠軍代室，北京102205）

0 引言

隨著冠醚基本性質(zhì)的發(fā)現(xiàn)以及主-客體化學(xué)的發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識到超分子化學(xué)在分子識別領(lǐng)域中具有重要的研究意義[1～3]，特別是將自組裝技術(shù)同超分子化學(xué)的結(jié)合，實現(xiàn)了具有識別能力的單分子層、取向有序敏感薄膜的制備，使得成膜技術(shù)取得了巨大進(jìn)展，促進(jìn)了超分子化合物在傳感器研究領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展。同時，為了進(jìn)一步增強(qiáng)敏感膜的選擇性吸附能力，在制膜過程中引入分子印跡技術(shù)，即在自組裝過程中加入模板分子，使其與超分子化合物相結(jié)合，再去除模板分子，敏感膜上便形成了具有特異選擇性的三維空穴，這樣將有效地提高敏感膜對被測氣體的識別能力。

環(huán)糊精及其衍生物作為一類重要的超分子主體化合物，由于具有不同尺寸的疏水內(nèi)腔和親水表面，而且具有手性的微環(huán)境，可以選擇性鍵合不同分子，成為聲表面波（Surface Acoustic Wave SAW）傳感器所選用的敏感膜材料之一。該文以單[6-脫氧（1，10-癸二硫醇）巰基]β-環(huán)糊精為基礎(chǔ)，利用自組裝和分子印跡技術(shù)制備出用于SAW氣體傳感器檢測甲氟磷酸異丙酯的敏感膜材料，并對此種敏感膜材料的成膜效果及其檢測性能進(jìn)行了研究。

1 實驗

1.1 儀器與試劑

聲表面波傳感器，中心頻率300 MHz，延遲線面積4 mm2；CX-1頻率計，防化研究院；NanoscopeⅢa原子力顯微鏡，美國。

單[6-脫氧（1，10-癸二硫醇）巰基]β-環(huán)糊精，防化研究院；甲基羥基磷酸異丙酯，純度≥99%，防化研究院；甲氟磷酸異丙酯，純度≥99%，防化研究院；無水乙醇，分析純，北京化工廠。

1.2 分子印跡自組裝敏感薄膜的制備

自組裝膜是將欲鍍膜的基片浸入到含有特殊基團(tuán)的表面活性劑溶液中，表面活性劑的端基通過化學(xué)鍵與基片表面物質(zhì)相互作鍵合，從而自發(fā)吸附在固液或氣固界面，形成的一種熱力學(xué)穩(wěn)定的二維有序單層膜[4]。此種制膜方法簡便，敏感膜具有自發(fā)形成、成鍵排列有序、缺陷少、結(jié)合力強(qiáng)的特點，已被廣泛應(yīng)用[5～6]。目前，自組裝膜體系主要有有機(jī)硅烷/羥基化表面，硫醇/Au、Ag、Cu，雙硫醇/Au，羧酸/Al2O3、Ag等，由于環(huán)糊精本身不能與SAW傳感器延遲線的金表面發(fā)生鍵合，因此，在實驗中選取化學(xué)修飾過的環(huán)糊精——單[6-脫氧（1，10-癸二硫醇）巰基]β-環(huán)糊精來進(jìn)行敏感膜的制備。同時，在自組裝膜上利用分子印跡技術(shù)使與被測物甲氟磷酸異丙酯具有相似結(jié)構(gòu)的甲基羥基磷酸異丙酯進(jìn)入到環(huán)糊精空腔內(nèi)，進(jìn)行印跡，再洗去模板分子，使環(huán)糊精分子留下印跡結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)對甲氟磷酸異丙酯的特異性選擇。分子識別過程如圖1所示。

圖1 分子識別過程Fig.1 Illustration of molecular recognition

制備方法：配制濃度為2×10-4mol/L的單[6-脫氧（1，10-癸二硫醇）巰基]β-環(huán)糊精/乙醇溶液和5×10-3mol/L的甲基羥基磷酸異丙酯水溶液，制膜前首先用Piranha溶液反復(fù)清洗延遲線表面去除雜質(zhì)，再用高純水進(jìn)行多次清洗，氮氣吹干。將清洗干凈的延遲線浸入到單[6-脫氧（1，10-癸二硫醇）巰基]β-環(huán)糊精/乙醇溶液中，靜置12 h后緩慢加入甲基羥基磷酸異丙酯水溶液，12 h后將SAW延遲線取出，多次清洗去除模板分子甲基羥基磷酸異丙酯，即完成分子印跡自組裝敏感膜的制備。

1.3 分子印跡自組裝敏感薄膜的表征

利用原子力顯微鏡技術(shù)對制備的敏感膜進(jìn)行表征，獲取其結(jié)構(gòu)信息與特征，驗證成膜效果。

原子力顯微鏡研究方法：利用原子力顯微鏡對鍍膜前后的金延遲線進(jìn)行表面粗糙度對比分析和形貌表征。

1.4 單[6-脫氧（1，10-癸二硫醇）巰基]β-環(huán)糊精分子印跡自組裝膜-SAW傳感器檢測甲氟磷酸異丙酯

檢測系統(tǒng)由氣體發(fā)生裝置、單[6-脫氧（1，10-癸二硫醇）巰基]β-環(huán)糊精分子印跡自組裝敏感膜-SAW傳感器、頻率計、采樣裝置及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)成，對甲氟磷酸異丙酯進(jìn)行檢測。

2 結(jié)果與討論

2.1 原子力顯微鏡表征

通常以真空蒸汽鍍膜、濺射、機(jī)械刨光等方法制得的金表面粗糙度一般在1～2 nm左右；而在鍍膜之后，由于R-SH中R-S基團(tuán)會與金表面發(fā)生鍵合作用，從而將使得金延遲線的表面粗糙度發(fā)生改變，從圖2（a）、（b）的原子力顯微鏡測試結(jié)果可以看出：鍍膜前金的表面粗糙度為2.294 nm，鍍膜后增加到了12.014 nm，粗糙度增加，延遲線的表面結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化。

2.2 對甲氟磷酸異丙酯的檢測結(jié)果

圖3 SAW傳感器檢測甲氟磷酸異丙酯（1.7 mg/m3）的頻率-時間曲線Fig.3 Frenquency-time curve of SAW sensor detect to O-Isoprohyl methylphosphonofluoridatee(1.7 mg/m3)

圖3為單[6-脫氧（1，10-癸二硫醇）巰基]β-環(huán)糊精分子印跡自組裝膜-SAW傳感器對甲氟磷酸異丙酯的檢測曲線，可以看出傳感器基線噪音小，對被測氣體甲氟磷酸異丙酯具有較大的響應(yīng)頻移，檢測前后頻率變化2 170 Hz。開始檢測階段，被測氣進(jìn)入環(huán)糊精空腔內(nèi)部，發(fā)生吸附、鍵合，使SAW傳感器延遲線上的質(zhì)量負(fù)載增加，檢測頻率信號在很短時間內(nèi)產(chǎn)生迅速變化；隨著檢測時間延長，膜材料對被測氣體的吸附趨于飽和，表現(xiàn)為Δf/t的斜率減??；當(dāng)停止通入被測氣體，并用氮氣進(jìn)行吹掃時，被測氣體在敏感膜上發(fā)生解析，延遲線上的質(zhì)量負(fù)載減小，頻率信號基本恢復(fù)到檢測前的初始值。

采用單[6-脫氧（1，10-癸二硫醇）巰基]β-環(huán)糊精分子印跡自組裝膜-SAW傳感器對相同濃度的甲氟磷酸異丙酯進(jìn)行連續(xù)5次檢測，設(shè)通入被測氣體時的基頻為f0，檢測2 min時的頻率為f1，計算5次檢測頻率變化Δf（Δf=f0-f1），結(jié)果如表1。

表1 SAW傳感器對同濃度甲氟磷酸異丙酯5次連續(xù)重復(fù)檢測結(jié)果Tab.1 The stability of SAW sensor to O-Isoprohyl methylphosphonofluoridatee repeating 5 times（1.7 mg/m3,27℃,RH=96%）

可以看出5次檢測的最大響應(yīng)頻移值一致性較好，標(biāo)準(zhǔn)差為0.157 kHz，離散系數(shù)為0.070，說明傳感器對相同濃度的甲氟磷酸異丙酯進(jìn)行連續(xù)檢測具有較好的重復(fù)性。

2.3 吸附動力學(xué)研究

SAW傳感器對被測氣體的響應(yīng)主要是由敏感膜對被測氣體的吸附產(chǎn)生的，由于敏感膜間理化性質(zhì)、結(jié)構(gòu)特征的差異使得吸附過程有所不同，因此，在選取模型對吸附過程進(jìn)行描述時應(yīng)當(dāng)考慮膜材料的種類、實驗溫度、膜厚等多種影響因素[7]。

單[6-脫氧（1，10-癸二硫醇）巰基]β-環(huán)糊精分子印跡自組裝膜具有單分子層薄膜的理化性質(zhì)，所引起的聲波衰減效應(yīng)不明顯，因此在建立模型時可以只考慮質(zhì)量負(fù)載對頻率變化的影響。Skládal等[8]在研究單克隆抗體作為壓電傳感器檢測2，4-二氯苯氧基乙酸時建立的動力學(xué)方程可以用來很好的描述單[6-脫氧（1，10-癸二硫醇）巰基]β-環(huán)糊精分子印跡自組裝膜與甲氟磷酸異丙酯間的吸附動力學(xué)過程。設(shè)被測氣體甲氟磷酸異丙酯的濃度為[A],敏感膜材料單[6-脫氧（1，10-癸二硫醇）巰基]β-環(huán)糊精濃度為[B],吸附過程中兩者的包結(jié)物濃度為[AB],整個過程可以看做如下基元反應(yīng)：

ka為結(jié)合常數(shù)和kd為解離常數(shù)，反應(yīng)速率方程為：

在SAW傳感器檢測過程中，傳感器的頻率信號變化值與質(zhì)量負(fù)載間的關(guān)系符合Sauerbray方程：

其中Δf為檢測前后頻率的變化值，f0為傳感器的中心振蕩頻率，S為鍍膜區(qū)延遲線面積，Δm為敏感膜上沉積的氣體質(zhì)量，從式（3）可以看出頻率的變化正比于敏感膜上吸附氣體的質(zhì)量變化，吸附量增加頻率下降，因此，在這里可以將反應(yīng)速率方程式（2）中的濃度值轉(zhuǎn)化成頻率值來表示:

fm為從開始檢測到吸附平衡頻率的變化值（即Δf），包結(jié)物AB的濃度以頻率f來表示，則B的自由濃度可以表示成（fm-f），c為甲氟磷酸異丙酯的自由濃度（在檢測過程中保持恒定）。

將式（4）進(jìn)行等式變換就可以得到一個自變量為f，因變量為

在實驗中，通常所獲得的吸附-解析曲線（如圖3）就是一條頻率～時間曲線，從開始檢測到吸附平衡這一段范圍內(nèi)曲線上每一點的切線值即體現(xiàn)了頻率隨時間的變化（如圖4），如果在這段曲線上以等間隔頻率值取各點的切線斜率就可以得到一f變化的線性關(guān)系曲線（如圖5），直線的斜率SL=-（kac+kd），與y軸的截距INT=kafmc，這樣就可以計算出吸附過程的結(jié)合常數(shù)和解離常數(shù)。

氣體在通入的瞬間產(chǎn)生的質(zhì)量轉(zhuǎn)移以及氣體在傳感器氣室內(nèi)的填充過程使檢測初始的一段時間內(nèi)的頻率信號受到一定影響，考慮到這一點在計算ka、kd值時以頻率271 450 Hz為參考零點，得到-df/dt～f關(guān)系曲線如圖5所示。

計算得到，ka=1.017×105mol-1·l·s-1；kd=2.434×10-3s-1。

通過實驗得到ka、kd值后，可以得到吸附過程的平衡常數(shù)：

圖4 開始檢測到吸附平衡（單[6-脫氧（1，10-癸二硫醇）巰基]β-環(huán)糊精分子印跡自組裝膜檢測1.7 mg/m3甲氟磷酸異丙酯）Fig.4 The results from gas on to adsorption balance(Imprinted and self-assembled Mono[6-deoxy(1,10-Decanedithiol)]β-CD film detect to 1.7 mg/m3 O-Isoprohyl methylphosphonofluoridatee)

圖5 df/dt～f關(guān)系曲線Fig.5 The curve of df/dt～f

3 結(jié)論

以單[6-脫氧（1，10-癸二硫醇）巰基]β-環(huán)糊精為原料制備出分子印跡自組裝敏感膜，制膜方法簡單，成膜效果好，在SAW傳感器中對甲氟磷酸異丙酯具有理想的檢測效果，為含磷化合物的檢測提供了一種有效的方法。

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