LBL自组装技术及自组装生物功能膜结构

综述
!"!
自组装技术及自组装生物功能膜结构!
吕德水!
!，林汉枫，李扬眉，徐立恒，林贤福!!!（浙江大学化学系，浙江杭州!"##$%
）摘
要：主要介绍近几年发展的用于生物大分子自组装功能膜的三种逐层（&’&）
自组装技术与制备方法，酰胺化反应自组装技术、生物分子的特异识别自组装技术、分子沉积自组装技术；同时总结了自组装功能膜的结构、特性的表征方法，主要有()*、+,*、循环伏安法、石英晶体微天平（-.*）技术、/0／012、342方法等。

关键词：大分子自组装；&’&；生物功能膜；结构；表征方法中图分类号：56!
文献标识码：(
文章编号："##789!:%（$##"）#;8#;998#:
功能生物大分子自组装膜在分子器件、分子调控、生物芯片、生物传感器等方面有重要的应用价
值〔"〕，从分子水平构筑的功能生物大分子自组装膜是化学、生命科学、材料学、物理学等学科的交叉科学的研究热点之一
〔$〕。

因此，许多学者对其进行了大量的研究，从单组分到多组分组装，从单层到多层交替组装，从蛋白质到<=(组装，从平面到胶体颗粒组装等方向发展，许多研究成果已成功地应用于实践。

本文就生物大分子的逐层（&’&，&>?@A 8B ?8C >?@A ）自组装技术及其功能生物大分子自组装膜结构研究的新进展和新成果进行综述。

#生物大分子逐层（!"!）
自组装技术#$#酰胺反应法自组装
利用分子中羧基（8.55D ）和氨基（8=D $）之间的化学反应生成酰氨键（8.5=D 8），从而形成生物大分子多层自组装膜的方法，将含有氨基或羧基的生物大分子通过酰氨键连接到含有羧基或氨基反应基的基材表面，以形成单分子层薄膜。

若生物大分子上还含有氨基或羧基，则可与含有羧基或氨基的另一分子发生酰氨反应，如此重复循环下去，可以制得生物大分子的&’&的多层膜。

<E F >G 等〔!〕
利用这种方法构造了酶的单分子层膜，他们将硫醇修饰的金表面的自组装单分子层（2(*）的末端羧基化，将其转化成活性的中间体，该活性中间体的.55D 受到葡萄糖氧化酶（H 5I ）上赖氨酸上的氨基的亲核进攻，通过酰胺化反应在H 5I 与2(*之间形成共价键，
从而得到酶的单分子层膜。

J K K G 等〔;〕利用这种手段在金表面构造酶的&’&交替沉积多层膜。

他们通过酰胺化反应将聚氨基
酰胺树状高分子和葡萄糖氧化酶（H 5I ）交替沉积到金表面，这样构筑出来的电极可应用于生物传感器。

J K K G 等〔:〕
还在实验中组装成另一种可应用于生物传感器的H 5I 多层酶修饰的金电极，
他们将高碘酸氧化的H 5I 和链接有荧光素的树状高分子（)L M <）（N @A A K L @G ?
C M O @O P @A @Q Q @G Q A R S @A F ）通过酰胺化反应交替沉积到金表面，这种电极具有电化学性质和酶的活性。

*?E G T K U 〔6〕
将抗8<=(抗体固定到!8羧基化的硫醇自组装单分子层膜上，并通过计算<=(上!:2的"放射线来检测自组装后的抗体<=(活性。

由于蛋白质具有羧基和氨基，这种方法被广泛应用于蛋白质的自组装，因此可通过这种方法将其固定到氨基和羧基的表面上。

0K C V ";$##"年"$月
功能高分子学报
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!!!!!!通讯联系人
吕德水：男（"967V :8）
，浙江人，高级工程师，研究方向：固定化酶促合成。

收稿日期：$##"8#:8";
!"#生物大分子的特异识别自组装
利用某些生物大分子和特定的生物分子之间的特异识别进行生物大分子的!"!自组装，是一种简易的自组装方法。

例如抗生物素蛋白对生物素，伴刀豆凝集素（#$%&）对甘露糖等。

通过这种方法，’($等〔)〕
获得了蛋白质的!"!多层自组装薄膜。

他们先将辣根过氧化酶（*’+）用",(-.*/（01$21%(%13$4,(-5$(26!47835$98:;,,1%1<1366:265）进行生物素化得到",(-4*’+（01$21%8
=(2637$5:65(31:7-65$9143(:6），其中每个*’+分子含有两个生物素分子，然后利用抗生物素蛋白和生物素的相互作用进行交替沉积到聚苯乙烯（+/）胶体颗粒上。

实验发现这种方法组装的*’+比酰胺反应组装的活性高，也比游离的",(-4*’+溶液的活性高，因为它能容纳更高浓度的*>?>
，而且减少对底物的抑制作用。

&%@(1等〔A 〕
在石英晶体表面进行抗生物素蛋白和连接有生物素分子的抗体的交替沉积，并研究了它的活性。

另外还通过#$%&与糖酶的糖链的生物特定的络合作用进行糖蛋白的!"!交替沉积组装。

&%@(1等〔B 〕
通过#$%&和天然葡萄糖氧化酶（C ?9）的相互作用，在铂电极表面进行交替沉积以形成C ?9
的多层薄膜，并将其应用为葡萄糖传感器。

对于一些本身无糖链的生物大分子，如乳酸氧化酶（!?9）〔D E 〕先用甘露糖等进行修饰后，再与#$%&进行络合反应，这样就可得到!"!交替沉积的多层薄膜。

!"$分子沉积法
（%&）自组装分子沉积法是对带有电荷的生物大分子，以静电相互作用为推动力进行交替沉积。

自从D B B D 年F 6,765等提出这种方法后，
被广泛应用于大多数水溶性的蛋白质与带相反电荷聚电解质的交替沉积，通过一些表征手段可以观察到蛋白质的组装规律性，自组装酶具有很高的催化活性。

&%@(1等〔D E ，D D 〕通过!"!沉积法将抗生蛋白质和聚阴离子聚苯乙烯磺酸钠（+//）、聚乙烯硫酸盐（+G /）和葡聚糖硫酸酯（F /）交替沉积到石英晶体表面。

实验结果发现沉积的聚电解质不同，则沉积的状态也不同。

如在+//
和+G /交替沉积的多层膜中，每一层沉积着大量的抗生物素蛋白，且与抗生物素蛋白和聚电解质的浓度有关。

但在F /的!"!组装膜中，每一层只沉积着单层或少于单层的蛋白质，并且与浓度无关。

实验还证明组装后的抗生物素蛋白分子依旧保留着对生物素的键合作用。

!1%等〔D >，D H 〕研究了脂肪酶和!4淀粉酶分子在表面负离子化聚对苯二甲酸乙二醇酯（+I J ）
薄膜表面的分子自组装，并研究脂肪酶和!4淀粉酶单分子层膜的表面结构和活力，结果表明酶／+I J 自组装单分
子层膜的酶活力相当高。

#(5;:$等〔D K 〕
研究了在+/胶体颗粒上的L M J #4"/&（N =;56$:,61%1:$271$,8
(%(264=(06=63）牛血清蛋白和免疫球蛋白（M O C ）与聚电解质的交替沉积，葡萄糖氧化脱氢酶（C ?F ）、过氧化物酶（+?F ）和酶P 聚电解质络合物与带相反电荷的聚电解质的交替沉积〔D K 〕，"4糖苷酶（"
4C !:）和带相反电荷的聚电解质+//的交替沉积〔D Q 〕。

由于颗粒具有表面积大、组装密度高等优点，与平面组装相比较具有一定的优势。

当然也可以用其他的物质如纳米颗粒〔D R 〕等代替聚电解质进行交替沉积。

S F 膜具有制备简单、
热稳定性和长期稳定性好、不受衬底形状与面积的限制等优点。

#自组装生物功能膜结构研究
#"!表面形貌结构的表征技术
>T D T D 原子力显微镜（&L S ）
&L S 是在扫描隧道显微镜（/J S ）
基础上发展起来的一种具有原子级分辨率的新型表面分析仪器，它是通过监测针尖端原子与样品表面之间存在的极弱作用力来获取样品表面信息的，对材料的导电性无要求。

它能提供可视性的成像图，用于对组装膜表面的形貌和表面规整性进行分析。

如F .&分子在云母表面的沉积，当线性聚（腺嘌呤和胸腺嘧啶）［-$=8
（3&43J ）］的浓度低时（>Q #O ／<!），用&L S 可观察到合成的F .&分子簇彼此隔开，而当浓度高时（>Q E #O
／<!），所合成的F .&分子互相连接形成网状〔D A 〕。

又如牛血清蛋白（"/&）和透明质酸钠（.(*&）在+S !C ［-$=8
（54<6278=4=4O =;2(<(26）］表面上的吸附现象，用&L S 显像可观察到"/&在+S !C 表面的沉积是单分子层，而吸附在"/&表层的.(*&形成了六边形的网状结构。

可从&L S 的探针与"/&或.(*&表面的粘
・
E E Q ・吕德水，林汉枫，李扬眉，徐立恒，林贤福
附力的大小估计它们的表面张力!!
〔"#〕。

$%!&’等〔(〕用)*+观察,-.在金表面的结构，发现,-.分子形成无规则的五边形或六边形的簇团。

/0"0/透射电镜（12+）12+可以得到可视性的成像图。

3&4’!5等〔"6，"7〕在观察,-$
（葡萄糖氧化酶），8-$（过氧化物酶），酶9电解质络合物包裹的8:表面的12+显像图，与未有任何修饰的8:颗粒相比较，发现表面的粗糙度显著增加〔"7〕，还用12+表征技术观察到*;139<:)和;=,在8:表面的均匀覆盖〔"6〕。

:>?@等〔/A 〕使用)*+和12+两种表征手段对合成肽进行结构形态的研究，发现12+
所得组装肽的一般形态外形和尺寸与)*+结果相似。

!"!石英晶体微天平（#$%）
技术B 3+是一种非常灵敏的质量检测器，它发展于C A 年代初，可以进行纳克级的质量测定。

B 3+的
基本原理是频率值与质量改变之间有一简单的线性关系，质量升高，则频率降低。

朱果逸〔/"〕等用B 3+技术测定沉积在金上的单层或多层的硬脂酸钙的D <膜，发现B 3+的频率改变与沉积的层数成线性关
系。

E %&’=〔//〕用B
3+半定量地提供了固定化的$F )分子数目。

D G 5G 等〔"H 〕从+I （肌红蛋白）和+’-/纳米颗粒的交替沉积膜的成长的B 3+分析中反映了膜附近的蛋白质和分散的+’-/纳米颗粒的竞争吸附。

F 5’5=
&?@等〔"#〕
用B 3+研究<:)和F &E )的沉积膜中层与层之间的相互作用力。

*54J &’@等〔/(〕
用B 3+定量地跟踪在硫醇修饰的金电极表面上自组装形成的多酚氧化酶和聚烯丙基胺
交替层的成长过程。

!"&紫外’可见光吸收光谱（()／)*+
）紫外9可见光吸收光谱是一种常用的分析方法，但用于分子水平研究和原位跟踪分子沉积膜成长
过程发挥了该方法的优势。

沈家骢等〔/6〕应用K L ／L ;:来跟踪葡萄糖氧化酶和两种季铵盐交替沉积的
成长过程，从吸收光谱的强度与层数的关系，看出当酶的电荷足够多时，沉积的静电作用力较大，则酶在表面形成了均匀的沉积；当静电作用力太弱时，不能维持均匀沉积，这时光强度与沉积层数不成线性关
系。

M %’@N &?>等〔/7〕
也成功地应用了紫外吸收光谱和B 3+证实了肌红蛋白和聚苯乙烯磺酸钠的沉积
规律。

D @等〔/C 〕
利用K L ／L ;:监测辣根过氧化酶（E O 8）和69乙烯基吡啶络合的交替沉积过程。

!",循环伏安法（$)）
3L 通过屏蔽效应研究组装膜的结构、
影响因素及最佳成膜条件，可用于估计表面吸附剂的覆盖率。

P 55’等〔7〕
从,-.／Q >’Q 4@R >4多层膜修饰的金电极的3L 测定中揭示了电极的生物电催化活性与金表面沉积的生物层数有着直接的关系；从电压信号分析估计多层膜的形成过程中每层,-.／Q >’S Q 4@R >4多层膜中酶的覆盖率，从而可以知道多层膜的构造是空间有序。

3&4%!5等〔"6〕
用3L 表征手段研
究了乳蛋白在铂电极表面，在不同T E 值（酸、碱、中性）、不同温度（/H (!(7(M ）条件下的吸附行为，结果表明吸附蛋白质的量与表面的电荷密度成比例，且伴随着电荷的转换。

B @等〔/H 〕通过3L 等方法研
究，表明在金表面使用共价法和吸附法来固定$F )是可行的。

!"-.’射线光电子能谱（./+
）3&4%!5等〔/U 〕
在铁蛋白的表征中，利用V 8:测定来计算金表面吸附铁蛋白的厚度和表面覆盖率。

,%@5R &4等〔/#〕
采用V 8:表征手法证实了葡萄糖氧化酶（,-.
）在单层膜表面的出现。

&结语
从分子水平构筑的功能生物大分子自组装膜的研究日新月异，在分子器件、生物芯片、生物传感器等应用已经取得成果。

本文就酶、蛋白质和$F )等功能生物大分子的单层或多层交替组装的组装方法及其自组装膜的表征技术的归纳总结。

综上可知，单层或多层自组装膜结构及其体系多方面的性质、性能表征技术，必须运用表面技术和超微量手段才能获得可靠的结果。

・
"A 7・D <D 自组装技术及自组装生物功能膜结构
参考文献：
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:I 8・T 3T 自组装技术及自组装生物功能膜结构。