LB膜技术的应用综述

LB膜技术的应用综述

[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;生物膜模拟;超薄膜;光学;传感器

Langmuir Blogeet 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、超薄膜制备等方面的应用。

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PGA(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PGA保持功能创造了适宜的环境。通过测试酶活性值及PGA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Ca2+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。河南大学薛中会等[10]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(BSA)Langmuir 膜, 以更加接近生物矿化的方法研究了BSALangmuir 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BSALangmuir 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(ATO)是一种极具应用价值和潜力的薄膜材料[11],由于同时具有良好的光透过性和导电特性,故它在建筑玻璃、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[12]选用SnCl4 ·5H2O和SbCl3为基本原料采用共沉淀法制得了掺锑氧化锡(ATO)沉淀,经胶溶制得ATO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×30mmATO复合膜,烧结处理后制得ATO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ATO超薄膜。这种ATO超薄膜同时具有单分子膜及ATO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。

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[13]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(λ= 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。

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。LB膜还可以应用于味觉传感器的制备上。贺慧琦等[14]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(LAPS)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。

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DNALB 膜制备新型材料等。此外,LB膜在电学、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.

[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