液晶化學(xué)傳感器的關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用研究進(jìn)展

王普紅，余建華，鄭清元，張道山，杜 斌

（防化研究院，北京 102205）

0 引言

液晶［1］是物質(zhì)介于固體和液體之間的一種特殊物質(zhì)形態(tài)，該類物質(zhì)的分子形狀各向異性且不易彎曲，分子末端含有極性或可以極化的基團(tuán)，通過分子間力、色散力使液晶分子保持取向有序。液晶在使用過程中附著在特殊處理的基片表面，一般具有沿面排列、垂直排列、傾斜排列等3種排列方式。然而，液晶分子的排列并不像晶體結(jié)構(gòu)那樣牢固，在電場(chǎng)、磁場(chǎng)、溫度、應(yīng)力等外部刺激的作用下，液晶將從特定的初始排列狀態(tài)轉(zhuǎn)變成為其它的排列狀態(tài)，隨著分子排列的變化，液晶的光學(xué)特性變化轉(zhuǎn)換成為視覺變化，利用液晶分子在電場(chǎng)、磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)的原理，人們制備成了液晶顯示器（LCD）。1998年，液晶材料的應(yīng)用有了新的突破，Abbott研究小組在《Science》上首先報(bào)道了［2］用于檢測(cè)免疫球蛋白G（IgG）的液晶化學(xué)傳感器。該傳感器的工作原理是:液晶材料附著在具有一定微結(jié)構(gòu)的化學(xué)敏感膜表面上，在敏感膜與微結(jié)構(gòu)基底共同作用下，液晶分子呈整齊的空間取向排列;傳感器檢測(cè)目標(biāo)分子時(shí)，利用目標(biāo)分子與敏感膜之間更強(qiáng)的相互作用:如氫鍵、酸堿作用、配位作用等，使目標(biāo)分子選擇性地、可逆地鍵合在敏感膜表面;由于液晶與敏感膜之間的相互作用消失，改變了液晶的取向排列方式。液晶取向發(fā)生變化后，改變了液晶對(duì)可見光折射、偏振的能力，導(dǎo)致液晶膜的顏色和光亮度的變化，顏色變化指示出目標(biāo)分子的存在，光亮度變化指示出目標(biāo)分子的濃度。

本文針對(duì)液晶化學(xué)傳感器的制備關(guān)鍵技術(shù)以及應(yīng)用研究進(jìn)行了綜述，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)作一展望。

1 液晶化學(xué)傳感器制備關(guān)鍵技術(shù)

在液晶化學(xué)傳感器的制備過程中，其核心技術(shù)為具有一定微結(jié)構(gòu)的化學(xué)敏感膜的制備，該種膜必須具備以下3個(gè)特點(diǎn):1）能夠使液晶分子在敏感膜表面整齊排列（絕大部分為垂直排列），形成均一的液晶膜;2）能夠與檢測(cè)目標(biāo)物發(fā)生特異性反應(yīng);3）特異性反應(yīng)過程中，對(duì)液晶膜的排列狀態(tài)產(chǎn)生影響。相應(yīng)現(xiàn)有技術(shù)中，傳感器的制備方法分為傾斜沉積蒸鍍Au膜法、摩擦法、自組裝法、金屬離子摻雜法以及軟刻蝕技術(shù)等。

1.1 傾斜沉積蒸鍍Au膜法

傾斜沉積蒸鍍無機(jī)材料（如SiO）和金屬膜（Au膜）一直為實(shí)驗(yàn)室中應(yīng)用比較廣泛的液晶取向材料的制備方法。Abbott研究小組首次［2］提出采用該種方法制備液晶化學(xué)傳感器。研制過程中，該小組將普通玻璃基底表面傾斜沉積蒸鍍一層納米級(jí)波紋狀A(yù)u膜，隨后在Au膜表面通過自組裝法進(jìn)行修飾制備成對(duì)目標(biāo)物具有特異選擇性的材料來實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物的檢測(cè)。在研究中［3］，他們還發(fā)現(xiàn)Au膜沉積的角度和Au膜表面組裝有機(jī)膜的種類對(duì)液晶分子的排列取向都有著直接的影響。目前，采用該種方法制備的傳感器成功地用于檢測(cè)神經(jīng)性毒劑及其模擬劑［5～7］、有機(jī)胺化合物［7］、蛋白質(zhì)［8］等物質(zhì)。

1.2 自組裝法

自組裝技術(shù)由于其操作簡(jiǎn)單、成本較低，已經(jīng)成為液晶化學(xué)傳感器制備中的研究熱點(diǎn)?，F(xiàn)有報(bào)道中對(duì)自組裝技術(shù)的應(yīng)用大致分為2種:第一種為直接將能夠誘導(dǎo)液晶分子垂直排列的硅氧烷分子，例如:十八烷基硅氧烷（OTS），DMOAP等組裝到普通玻璃基底表面，在液晶膜底部誘導(dǎo)液晶分子垂直排列。Hartono D等人［9］采用該種方法制備了液晶化學(xué)傳感器用來快速檢測(cè)磷脂類毒素。實(shí)驗(yàn)中，他們?cè)谝壕さ撞坎捎米越M裝DMOAP分子膜誘導(dǎo)液晶分子呈垂直排列狀態(tài)，液晶膜上部L-DLPC膜也可以誘導(dǎo)使液晶分子垂直排列;加入金環(huán)蛇毒素后，毒素分子對(duì)L-DLPC膜結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞作用，液晶分子的排列狀態(tài)發(fā)生了改變。第二種為在普通玻璃基底表面組裝端基為活性官能團(tuán)（例如:醛基、氨基）的硅氧烷分子，通過表面接枝、改性，制備成能使液晶分子呈統(tǒng)一排列狀態(tài)的敏感膜用來檢測(cè)目標(biāo)物。Zhao Y B等人［10］采用自組裝法在普通玻璃基底表面組裝3-氨丙基-三乙氧基硅烷，通過微接觸印刷法在表面組裝能夠特異檢測(cè)蓖麻毒素的抗體，經(jīng)檢測(cè)，此時(shí)液晶分子為垂直排列，當(dāng)檢測(cè)蓖麻毒素時(shí)，液晶分子的排列狀態(tài)發(fā)生了改變。趙建軍等人［11，12］在具有微米級(jí)溝槽的載玻片表面平鍍一層Au膜，采用自組裝法在Au膜表面組裝敏感膜，制備成的液晶化學(xué)傳感器成功地檢測(cè)有機(jī)磷、胺化合物。

1.3 摩擦法

摩擦法為最早制備液晶取向膜的技術(shù)之一，直至現(xiàn)在LCD工業(yè)生產(chǎn)中仍然使用傳統(tǒng)的摩擦取向法。Bi X Y等人［13］采用4-丁醛基三乙氧基硅烷組裝到普通玻璃基底表面，采用絲絨類布料對(duì)表面進(jìn)行摩擦，使得液晶分子沿面排列，檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)，不同鏈長(zhǎng)的氨基酸分子對(duì)液晶分子的排列產(chǎn)生不同影響。Xu B等人［14］報(bào)道采用自組裝法在載玻片表面組裝 N-（β-氨乙基）-γ-氨基丙基-三乙氧基硅烷有機(jī)膜，表面經(jīng)摩擦后用多種金屬離子進(jìn)行修飾。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，采用Ag+，Au3+和Cu2+修飾的敏感膜制備的液晶化學(xué)傳感器可以用于檢測(cè)1-辛基硫醇。熊興良等人［15］采用該法制備的傳感器研究抗體與人血清白蛋白作用時(shí)發(fā)現(xiàn)液晶5CB排列狀態(tài)發(fā)生了改變。

1.4 摻雜法

Bungabong M L報(bào)道［16］采用摻雜有 Cu2+的液晶分子5CB膜附著在普通載玻片表面制備液晶化學(xué)傳感器。研究過程中，作者發(fā)現(xiàn)摻入不同比例的Cu2+到液晶分子5CB內(nèi)，會(huì)對(duì)液晶分子的排列和檢測(cè)靈敏度產(chǎn)生影響。

1.5 軟刻蝕技術(shù)

軟刻蝕技術(shù)是20世紀(jì)90年代初期，美國(guó)Harvard大學(xué)Whitesides教授的研究小組率先研究開發(fā)并提出來的一種新的微制造技術(shù)。由于該種技術(shù)可以用于微小結(jié)構(gòu)的加工，21世紀(jì)初，研究者［17，18］開始利用該法制備微納結(jié)構(gòu)溝槽來誘導(dǎo)液晶分子統(tǒng)一取向排列。2009年，王普紅等人［19］采用微接觸印刷法在普通玻璃基底表面制備了具有微米級(jí)溝槽的有機(jī)膜并采用Cu2+進(jìn)行改性，發(fā)現(xiàn)敏感膜表面液晶5CB分子呈垂直排列狀態(tài)，而當(dāng)這種材料與DMMP接觸時(shí)，液晶分子的排列取向發(fā)生改變。

2 液晶化學(xué)傳感器的應(yīng)用研究

2.1 氣相檢測(cè)中的應(yīng)用研究

在氣相檢測(cè)中，研究最為廣泛的是有機(jī)磷化合物的檢測(cè)。2001年，Shah R R 等人［3］首次在《Science》上報(bào)道了采用該技術(shù)成功用于甲基膦酸二甲酯（DMMP）的檢測(cè)，其最低檢測(cè)限可達(dá)到10－9級(jí)。Yang K L等人［6］采用近晶相液晶8CB取代了向列相液晶5CB來制備檢測(cè)DMMP的液晶化學(xué)傳感器，該法在一定程度上解決了液晶5CB不浸潤(rùn)性的弊端。Cadwell K D等人［7］在實(shí)際應(yīng)用中取得重大突破，他們采用溫度范圍更寬的E7（液晶相溫度為－10～60℃）取代液晶分子5CB（23～35℃）來制備傳感器，成功用于檢測(cè)DMMP，又通過不同金屬離子作為活性位點(diǎn)來鑒別不同種類的神經(jīng)性毒劑。Shah R R的報(bào)道中［3］也對(duì)有機(jī)胺化合物進(jìn)行了檢測(cè);Bi X等人［20］采用液晶化學(xué)傳感器來檢測(cè)空氣中的有機(jī)物分子戊二醛。

2.2 液相檢測(cè)中的應(yīng)用研究

2.2.1 免疫蛋白的檢測(cè)

Gupta Y K等人［2］首次報(bào)道了該種方法檢測(cè)免疫球蛋白G（IgG）的技術(shù)。他們?cè)诩{米級(jí)波紋狀半透明超薄Au膜表面組裝表面抗生素修飾過的敏感膜，向列型液晶5CB在這種敏感膜表面呈沿面排列;當(dāng)這種敏感膜接觸到含有IgG的溶液時(shí)，IgG與抗生素AV發(fā)生專一的鍵合反應(yīng)，液晶分子的取向由沿面排列發(fā)生扭曲，導(dǎo)致液晶分子對(duì)可見光的折射發(fā)生改變，傳感器的顏色和光亮度發(fā)生變化。在隨后的研究報(bào)道中，Abbott研究小組對(duì)該研究成果進(jìn)行了定量分析［21］，并對(duì)液晶型化學(xué)傳感器的作用機(jī)理做了合理解釋。Kim S R等人［22］采用溶致型液晶材料代替向列型液晶材料，檢測(cè)液相中的IgG，擴(kuò)展了液晶材料的使用范圍。

2.2.2 蛋白質(zhì)的檢測(cè)

Clare等人［23］利用向列型液晶5CB在自組裝膜表面的取向排列變化檢測(cè)不同性狀的蛋白質(zhì)，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)Src蛋白激酶采用磷酸鹽處理前后，在自組裝膜上的組裝密度會(huì)產(chǎn)生很大影響。Luk Y Y等人［24］在納米波紋狀A(yù)u膜表面組裝有機(jī)膜，通過螯合方式將His-tag MEK蛋白固定于有機(jī)膜表面，在檢測(cè)抗MEK IgG時(shí)，液晶5CB分子的排列狀態(tài)發(fā)生了改變。Park J S［25］報(bào)道了一種采用液晶化學(xué)傳感器在液相中檢測(cè)特定切割酶蛋白的方法。

2.2.3 核酸的檢測(cè)

Kim H R等人［26］研究了DNA雜交化過程是否會(huì)對(duì)向列型液晶分子的排列產(chǎn)生影響，他們發(fā)現(xiàn)，DNA在雜交化前液晶分子5CB為垂直排列狀態(tài)，而雜交化后液晶分子呈平行狀態(tài)，從而提供一種新的核酸反應(yīng)檢測(cè)手段。Price A D等人［27］采用液晶化學(xué)傳感器檢測(cè)液相中的ssDNA，他們采用溶液中加入表面活性劑分子OTAB誘導(dǎo)使得液晶分子呈垂直排列狀態(tài)，當(dāng)溶液中的ssDNA與OTAB反應(yīng)時(shí)，該種誘導(dǎo)取向消失，液晶膜顏色和亮度發(fā)生了變化。

2.2.4 病毒、毒素的檢測(cè)

Jang C H等人［28］利用向列型液晶5CB在基質(zhì)表面的變化來檢測(cè)不同包膜結(jié)構(gòu)的病毒。他們通過研究發(fā)現(xiàn)，具有生物包膜的病毒與向列型液晶5CB作用時(shí)，促使液晶垂直排列，而無生物包膜的病毒卻誘使向列型液晶5CB近平行排列，從而證實(shí)該法可以用于病毒的結(jié)構(gòu)分析。Lin I H［29］研究發(fā)現(xiàn)，GM1在水相中經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間的自組裝，會(huì)在水相—液晶膜之間形成膜，使得液晶分子的取向發(fā)生了變化，該研究成果可以用于有GM1類似官能團(tuán)毒素的檢測(cè)研究。

3 結(jié)束語(yǔ)

液晶化學(xué)傳感器由于具有不可比擬的優(yōu)越性已經(jīng)受到人們的廣泛關(guān)注。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，該種傳感器有以下發(fā)展趨勢(shì):1）針對(duì)未來發(fā)展需要，采用現(xiàn)代微加工技術(shù)，制備能夠檢測(cè)多種目標(biāo)物的陣列液晶化學(xué)傳感器;2）以液晶化學(xué)傳感技術(shù)為核心，采用多種光譜為平臺(tái)，研制用于實(shí)驗(yàn)室、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)有毒有害物質(zhì)的檢測(cè)儀、報(bào)警器。

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