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，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、磁場、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、磁場偏轉(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》上首先報道了［2］用于檢測免疫球蛋白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;傳感器檢測目標(biāo)分子時，利用目標(biāo)分子與敏感膜之間更強的相互作用: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，并對其發(fā)展趨勢作一展望。

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個特點: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）能夠與檢測目標(biāo)物發(fā)生特異性反應(yīng);3）特異性反應(yīng)過程中，對液晶膜的排列狀態(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

傾斜沉積蒸鍍無機材料（如SiO）和金屬膜（Au膜）一直為實驗室中應(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)行修飾制備成對目標(biāo)物具有特異選擇性的材料來實現(xiàn)對目標(biāo)物的檢測。在研究中［3］，他們還發(fā)現(xiàn)Au膜沉積的角度和Au膜表面組裝有機膜的種類對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神經(jīng)性毒劑及其模擬劑［5～7］、有機胺化合物［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?，F(xiàn)有報道中對自組裝技術(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磷脂類毒素。實驗中，他們在液晶膜底部采用自組裝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（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蓖麻毒素的抗體，經(jīng)檢測，此時液晶分子為垂直排列，當(dāng)檢測蓖麻毒素時，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)傳感器成功地檢測有機磷、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，采用絲絨類布料對表面進(jìn)行摩擦，使得液晶分子沿面排列，檢測中發(fā)現(xiàn)，不同鏈長的氨基酸分子對液晶分子的排列產(chǎn)生不同影響。Xu B等人［14］報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)，會對液晶分子的排列和檢測靈敏度產(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溝槽的有機膜并采用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，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 氣相檢測中的應(yīng)用研究

在氣相檢測中，研究最為廣泛的是有機磷化合物的檢測。2001年，Shah R R 等人［3］首次在《Science》上報道了采用該技術(shù)成功用于甲基膦酸二甲酯（DMMP）的檢測，其最低檢測限可達(dá)到10－9級。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不浸潤性的弊端。Cadwell K D等人［7］在實際應(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DMMP，又通過不同金屬離子作為活性位點來鑒別不同種類的神經(jīng)性毒劑。Shah R R的報道中［3］也對有機胺化合物進(jìn)行了檢測;Bi X等人［20］采用液晶化學(xué)傳感器來檢測空氣中的有機物分子戊二醛。

2.2 液相檢測中的應(yīng)用研究

2.2.1 免疫蛋白的檢測

Gupta Y K等人［2］首次報道了該種方法檢測免疫球蛋白G（IgG）的技術(shù)。他們在納米級波紋狀半透明超薄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，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。在隨后的研究報道中，Abbott研究小組對該研究成果進(jìn)行了定量分析［21］，并對液晶型化學(xué)傳感器的作用機理做了合理解釋。Kim S R等人［22］采用溶致型液晶材料代替向列型液晶材料，檢測液相中的IgG，擴展了液晶材料的使用范圍。

2.2.2 蛋白質(zhì)的檢測

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膜表面組裝有機膜，通過螯合方式將His-tag MEK蛋白固定于有機膜表面，在檢測抗MEK IgG時，液晶5CB分子的排列狀態(tài)發(fā)生了改變。Park J S［25］報道了一種采用液晶化學(xué)傳感器在液相中檢測特定切割酶蛋白的方法。

2.2.3 核酸的檢測

Kim H R等人［26］研究了DNA雜交化過程是否會對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)檢測手段。Price A D等人［27］采用液晶化學(xué)傳感器檢測液相中的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，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

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，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)過較長時間的自組裝，會在水相—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類似官能團毒素的檢測研究。

3 結(jié)束語

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。從長遠(yuǎn)來看，該種傳感器有以下發(fā)展趨勢:1）針對未來發(fā)展需要，采用現(xiàn)代微加工技術(shù)，制備能夠檢測多種目標(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，研制用于實驗室、現(xiàn)場檢測有毒有害物質(zhì)的檢測儀、報警器。

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