不同端基芳香硫醇自组膜的电化学表征

摘要

自组装单分子膜(Self-assembled monolayers，SAMs)是近20年来发展起来的一种新型有机超薄膜，具有高密堆积、排列规则有序、均匀一致、热力学稳定等优良性能，在非线性光学、分子电子器件、分子生物学、分子识别、选择性催化及超薄膜润滑等领域显示出广阔的应用前景，为研究各种表面和界面的复杂现象提供了理想的模型。迄今报道的自组装体系中，组装分子大多数是链状硫醇类化合物，而芳香族硫醇具有高度的各向异性、更好的导电性，可通过芳香环上的-NH2、-COOH、-SH等功能基团进行生物大分子的固定化，以构建分子识别元件，因而近年来受到越来越广泛的关注。但对芳香硫醇自组膜的表征方法及成膜规律的研究很少有文献报道。探索芳香硫醇SAMs的实时原位表征方法及其成膜规律对生物传感器、生物芯片的研究与应用具有重要的科学意义和实用价值。
　　 本文以金盘电极为基底，分别制备不同端基芳香硫醇(对羧基苯硫酚(4-MBA)、对羟基苯硫酚(4-HTP)以及对巯基苯硫酚(4-BDT))自组装单分子膜。以[Fe(CN)6]3-/4-为探针离子，利用循环伏安法(CV)和电化学交流阻抗技术(EIS)对不同条件下制备的SAMs进行了表征，初步研究了金表面不同方法构建的4-MBA和4-HTP以及4-MBA与苯硫酚(TP)混合硫醇膜的成膜规律。本论文工作主要包括以下四个方面：
　　 1.金表面4-MBA SAM的电化学表征
　　 在金表面制备4-MBA SAM，构建羧基化表面。以[Fe(CN)6]3-/4-为探针离子，利用CV和EIS对4-MBA SAM进行了表征。结果表明，改变探针离子浓度，可以改变探针跨膜到达电极表面的电荷传递电阻(Rct)；改变pH，可控制羧基表面的质子化与去质子化状态；组装时间对4-MBA在金表面成膜有很大影响，随着组装时间的延长，Rct逐渐减小并且趋于稳定；当固定组装时间分别为1、10、120、240 min，Rct都在4-MBA浓度达到2mmol/L时趋于稳定。
　　 2.金表面4-HTP SAM的电化学表征
　　 在金表面制备4-HTP SAM，构建羟基化表面。采用CV研究了4-HTP SAM在空白缓冲溶液中的电化学行为以及pH、扫速对4-HTP SAM的影响；以[Fe(CN)6]3-/4-为探针离子，采用CV和EIS对4-HTP SAM进行了表征。结果表明，4-HTP SAM扫描后膜表面结构发生变化，表面电阻增大；改变pH，膜表面-OH的状态发生改变，对[Fe(CN)6]3-/4-作用不同；当4-HTP浓度大于0.2 mmol/L，固定组装时间为6 h，即能得到有序的单分子膜。
　　 3.金表面4-BDT SAM的电化学表征
　　 在金表面制备4-BDT SAM，构建巯基化表面。以[Fe(CN)6]3-/4-为探针离子，利用CV和EIS对4-BDT SAM进行了表征。结果表明，4-BDT能够在金表面形成一层致密、较少“针孔”缺陷的单分子膜，电极表面覆盖度为99.97％；改变探针离子浓度和pH，可以改变探针到达电极表面的Rct；固定4-BDT浓度为0.01 mmol/L，组装时间为4 h，即能得到致密的单分子膜。
　　 4.混合芳香硫醇的研究
　　 (1)基于4-MBA和4-HTP不同的电化学性质，分别采用共吸附法和分步法构建混合硫醇。利用EIS研究了两种硫醇浓度比对共吸附法制备的混合硫醇SAM以及固定时间对分步法制备的混合硫醇SAM性能的影响。结果表明，共吸附法成膜过程与两种硫醇浓度比密切相关，当4-MBA百分含量为60％，混合硫醇组装的最致密；而采用分步法构建混合硫醇SAM，主要体现第一步中硫醇的电化学性质，通过电位扫描前后电阻变化对比，第二步中的硫醇也能组装在电极表面。
　　 (2)采用电化学方法对共吸附法制备的4-MBA和TP混合硫醇SAM进行了表征。结果表明，随着4-MBA百分含量增大，Rct先增大后减小，当百分含量为40％时，Rct达到最大值，此时SAM组装的最致密。这种混合SAM可应用作生物传感器的基础电极。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1自组装单分子膜技术

1.1.1自组装单分子膜的发展过程及现状

1.1.2自组装单分子膜的结构及分类

1.1.3自组装单分子膜的形成机理

1.1.4自组装单分子膜的应用

1.2混合自组装单分子膜

1.3自组装单分子膜的表征技术

1.3.1电化学方法

1.3.2其它表征方法

1.4芳香硫醇自组装单分子膜研究进展

1.5本论文工作及意义

第2章金表面4-MBA SAM的电化学表征

2.1引言

2.2实验部分

2.2.1仪器与试剂

2.2.2电化学测试方法

2.2.3自组装膜电极的制备

2.3结果与讨论

2.3.1 4-MBA SAM／Au电极在【Fe(CN)6】3-/4-溶液中的电化学行为

2.3.2探针离子浓度对【Fe(CN)6】3-／4-在4-MBA SAM上电化学行为的影响

2.3.3 KCI浓度对【Fe(CN)6】3-／4-在4-MBA SAM上电化学行为的影响

2.3.4扫速的影响

2.3.5 pH对[Fe(CN)6】3-/4-在4-MBA SAM上电化学行为的影响

2.3.6组装时间对4-MBA在金表面成膜的影响

2.3.7硫醇浓度对4-MBA在金表面成膜的影响

2.4本章小结

第3章金表面4-HTP SAM的电化学表征

3.1引言

3.2实验部分

3.2.1仪器与试剂

3.2.2电化学测试方法

3.2.3自组装膜电极的制备

3.3结果与讨论

3.3.1 4-HTP SAM／Au电极在缓冲溶液中的电化学行为

3.3.2 4-HTP SAM／Au电极在【Fe(CN)6】3-/4-溶液中的电化学行为

3.3.3电位扫描范围对4-HTP SAM／Au电极的影响

3.3.4 pH对【Fe(CN)6】3-/4-在4-HTP SAM上电化学行为的影响

3.3.5探针离子浓度对【Fe(cN)6]3-/4-在4-HTP SAM上电化学行为影响

3.3.6组装时间对4-HTP在金表面成膜的影响

3.3.7硫醇浓度对4-HTP在金表面成膜的影响

3.4本章小结

第4章金表面4-BDT SAM的电化学表征

4.1引言

4.2实验部分

4.2.1仪器与试剂

4.2.2电化学测试方法

4.2.3自组装膜电极的制备

4.3结果与讨论

4.3.1 4-BDT SAM／Au电极在【Fe(CN)6】3-/4-溶液中的电化学行为

4.3.2探针离子浓度对【Fe(cN)6】3-／4-在4-BDT SAM上电化学行为的影响

4.3.3 pH对【Fe(CN)6】3-／4-在4-BDT SAM上电化学行为的影响

4.3.4组装时间对4-BDT在金表面成膜的影响

4.4本章小结

第5章混合芳香硫醇的研究

5.1 4-MBA和4-HTP混合自组膜的研究

5.1.1引言

5.1.2实验部分

5.1.3结果与讨论

5.1.4小结

5.2 4-MBA和TP混合自组膜的研究

5.2.1引言

5.2.2实验部分

5.2.3结果与讨论

5.2.4小结

参考文献

致谢

在校期间的研究成果及发表的论文