“單分子油膜測(cè)分子大小”實(shí)驗(yàn)探究

郝長(zhǎng)春,孫潤(rùn)廣

(陜西師范大學(xué),陜西西安 710119)

“單分子油膜測(cè)分子大小”實(shí)驗(yàn)探究

郝長(zhǎng)春,孫潤(rùn)廣

(陜西師范大學(xué),陜西西安 710119)

從物理化學(xué)單分子膜研究領(lǐng)域探究了“單分子油膜測(cè)分子大小”實(shí)驗(yàn),給出了單分子膜形成的過(guò)程,用大學(xué)理論知識(shí)進(jìn)一步闡釋該實(shí)驗(yàn)的知識(shí)細(xì)節(jié),拓寬了實(shí)驗(yàn)本身知識(shí)含量,使教學(xué)內(nèi)容更加形象、生動(dòng)同時(shí)兼具科學(xué)性。

單分子油膜;分子大小;實(shí)驗(yàn)探究

“油膜法測(cè)分子直徑”是物理中傳統(tǒng)而經(jīng)典的實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)中利用油酸的酒精溶液在平靜的水面上形成單分子油膜,將油酸分子看作球形,測(cè)出一定體積油酸溶液在水面上形成的油膜面積,用d=V/S計(jì)算出油膜的厚度,這個(gè)厚度就近似等于油酸分子的直徑[1]。該方法是化學(xué)實(shí)驗(yàn)超分子組裝中單分子膜形成過(guò)程中常用的方法,形成的單層膜為L(zhǎng)angmuir膜[2],該實(shí)驗(yàn)中有一些細(xì)節(jié)需要進(jìn)一步的闡釋和拓展,在許多方面需要給學(xué)生進(jìn)行引導(dǎo)以及知識(shí)的普及,進(jìn)而對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)具有一定的嚴(yán)謹(jǐn)性同時(shí)兼具科學(xué)性。

1 油酸分子特點(diǎn)

油酸分子是生物分子中典型的雙親性分子,分子式為C17H33COOH,見(jiàn)圖1。

圖1 油酸的分子結(jié)構(gòu)圖

一個(gè)分子可以看成由兩部分組成:一部分是C17H33為疏水的尾部,另一部分是COOH為親水的頭部基團(tuán),當(dāng)把一滴用酒精稀釋過(guò)的油酸滴在水面上時(shí),油酸就在水面上散開(kāi),其中的酒精溶于水并很快揮發(fā),在水面上形成近似圓形的一層純油酸薄膜,其中C17H33部分冒出水面而COOH部分留在水中,油酸分子直立在水面上,形成一個(gè)單分子油膜,如圖2所示。

圖2 水界面油酸單分子層形成過(guò)程

從圖2中可以看出油酸分子并不是球形分子,而是類(lèi)似于柱狀長(zhǎng)方結(jié)構(gòu),其疏水的尾部與頭部大小約為5 1,所以在計(jì)算分子大小時(shí)確切的應(yīng)該是計(jì)算結(jié)果應(yīng)該為分子的長(zhǎng)度。

2 單分子油膜形成過(guò)程中的因素

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中必須將水槽清晰干凈,否則容易形成不規(guī)則的形狀的油膜。同時(shí)油酸乙醇溶液必須要求油酸濃度在0.01~0.1 mg/mL,濃度太大,滴加到水界面時(shí)油酸不容易分散沉入水中形成小的液體球,雖然其密度比水小能漂浮在水面上,但是水的表面張力要想拉開(kāi)油酸液滴,水的表面張力既要克服油酸的表面張力又要油酸拉開(kāi)時(shí)的粘滯力[3],而水不足以克服這些力而使油酸分子鋪開(kāi)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)該使用微量進(jìn)樣器,加入的量一定要少,否則形成多層膜也會(huì)帶來(lái)誤差。另外配置油酸溶液時(shí)最好不選擇乙醇,因?yàn)橐掖寂c水互溶,當(dāng)油酸乙醇溶液滴加到水界面時(shí),由于乙醇溶液溶解在水相中容易將油酸帶入水中形成膠束,見(jiàn)圖3所示,膠束停留在水相中,造成溶質(zhì)損失。所以配置油酸溶液時(shí)最好使用氯仿等不溶于水且易揮發(fā)的化學(xué)試劑作為溶劑。

圖3 單層膜形成過(guò)程中伴隨著膠束在水相中形成

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中應(yīng)該細(xì)心記錄相對(duì)應(yīng)的表面積大小,從而計(jì)算出合理的數(shù)值。從文獻(xiàn)調(diào)研科研實(shí)驗(yàn)中使用原子力顯微鏡對(duì)單層膜檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn),油酸分子單層膜的厚度約為3 nm,所以當(dāng)計(jì)算出分子的大小接近時(shí)說(shuō)明實(shí)驗(yàn)較為準(zhǔn)確,如果實(shí)驗(yàn)誤差較大,則計(jì)算結(jié)果就會(huì)在數(shù)量級(jí)上出現(xiàn)偏差。

4 實(shí)驗(yàn)拓展應(yīng)用

以單分子油膜實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的超分子組裝科研領(lǐng)域是物理化學(xué)研究熱點(diǎn)領(lǐng)域之一。單層膜制備儀器為L(zhǎng)angmuir-Blodgett(LB)膜儀,結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4所示。

圖4 LB膜儀結(jié)構(gòu)原理圖

實(shí)驗(yàn)中通過(guò)滑障驅(qū)動(dòng)馬達(dá)控制滑障移動(dòng),對(duì)單層膜進(jìn)行壓縮,單層膜表面壓力通過(guò)Wilhelmy吊片進(jìn)行監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)表面壓力的大小控制單層膜的排布以及緊密程度,分析單層膜的熱力學(xué)穩(wěn)定性、粘彈性物理特性等。通過(guò)垂直方向的馬達(dá)可以將特定成分的單層膜制備在固體襯底上,制成相應(yīng)的材料,在仿生膜材料研究、分子自組裝研究、表面催化與化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、生物傳感器等研究中具有重要的應(yīng)用[4,5]。

5 結(jié) 論

通過(guò)分析“單分子油膜測(cè)分子大小”實(shí)驗(yàn)可以看出,基礎(chǔ)經(jīng)典的物理實(shí)驗(yàn)在科研前言領(lǐng)域的應(yīng)用,反過(guò)來(lái)又指導(dǎo)物理實(shí)驗(yàn)實(shí)施的過(guò)程,只有教與學(xué)互相增長(zhǎng)才能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,達(dá)到學(xué)以致用,提高學(xué)生的綜合素質(zhì),是素質(zhì)教育重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。

[1] 段銀根.用油膜法估測(cè)分子大小[J].教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn),2005,21(11):23-24.

[2] 郝長(zhǎng)春,孫潤(rùn)廣.物理因素對(duì)磷脂酰膽堿單分子層影響的研究[J].原子與分子物理學(xué)報(bào),2007,24 (5):928-936.

[3] 王作凱.怎樣做好“用油膜法估測(cè)分子的大小”的實(shí)驗(yàn)[J].實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與技術(shù),2006(3):26-27.

[4] 徐斌,王英,張亞非.利用LB技術(shù)采用循環(huán)壓縮方法在不同基底表面制備FePt納米離子單層膜[J].高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào),2008,29(7):1317-1320.

[5] 郝長(zhǎng)春,張蕾,孫潤(rùn)廣,等.DOPC/DPPC單層膜中分子間的相互作用及形態(tài)觀測(cè)研究[J].高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào),2013,34(10):2340-2346.

The Exp loration of“M easuring M olecular Size by Single-M olecule Oil Film Experiments”

HAO Chang-chun,SUN Run-guang
(Shaanxi Normal University,Shanxi Xi’an 710119)

It has explored the"measuring molecular size by single-molecule film”experiment from the perspective of the physical and chemicalmonolayers research,and showed the process ofmonolayer formation. Meanwhile,we further explained the details of the experiment based on college theoretical knowledge.This article has also broadened the knowledge content and makes the teachingmore vivid and scientific.

single-molecule oil film;molecular size;experiment exploration

G 642

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.006.017

1007-2934(2015)06-0058-02

2015-05-07

2014年陜西師范大學(xué)校級(jí)重點(diǎn)教改資助項(xiàng)目(14JG24)