自组装单层：烷硫醇的优点

Maxi Boeckl, Dr., Daniel Graham, Dr.

Senior Scientists, Asemblon, Inc.

Material Matters 2006, 1.2, 3

自组装：从自然界到实验室

上世纪 80 年代，科学家发现烷烃硫醇在贵金属上自发组装。这一新的科学领域打开了一扇大门，以一种简单的方式，通过将金基板置于醇酐乙醇溶液的毫摩尔溶液中，创造出几乎具有任何所需化学性质的表面。这导致在金属表面上形成类似晶体的单层，称为自组装单层 (SAMs)。¹

多年来，自组装过程的机理得到了很好的研究和阐明。研究人员发现，一个典型的链烷硫醇单分子层在金表面形成 (√3×√3) R30° 结构² ，其硫醇链与表面法线倾斜约 30 度。^3–6 单层的确切结构取决于链的化学性质。

自组装形成了许多自然过程的基础，包括蛋白质折叠、DNA 转录和杂交以及细胞膜的形成。自然界中自组装的过程受分子间和分子内作用力的控制，驱使分子进入稳定的低能状态。这些力包括氢键、静电相互作用、疏水相互作用和范德华力。

与自然界中的自组装一样，烷烃硫醇在贵金属表面上的组装有多种驱动力。首先是硫对金表面的亲和力。研究人员发现，硫—金相互作用约为 45 kcal/mol，³形成了一种稳定的半共价键；相比之下，C-C 键强度约为83 kcal/mol。

组装的下一个驱动力是烷烃链上的亚甲基碳之间的疏水范德华相互作用。对于链烷硫醇单分子层，这种相互作用导致硫醇链倾斜，以便最大化链之间的相互作用并降低整体表面能。由至少 10 个碳的烷烃链形成有序的单层。对于这种长度的碳链，链之间的疏水相互作用可以克服分子的旋转自由度。^6,7

一个简单的链烷硫醇分子如  图 1所示。  链烷硫醇可以认为包含 3 个部分：一个硫结合基团（用于连接贵金属表面），一个间隔链（通常由亚甲基，(CH₂)_n 组成）和一个功能头基。如上所述，亚甲基中的硫原子和碳是链烷硫醇组装的主要驱动力。然后，头部基团提供了一个平台，任何所需的基团都可用于生产任何类型的化学表面。

图 1. 巯基分子示意图。

硫基将分子连接到金表面。头部基团可以设计为提供几乎任何表面化学、结合能力或性质。

通过简单地改变头部基团，可以形成疏水性（甲基头部基团）、亲水性（羟基或羧基头部基团）、抗蛋白质性（乙二醇头部基团）或允许化学结合（NTA、叠氮化物、羧基、胺头部基团）的表面。这使研究人员能够定制设计一个表面，满足任何所需的功能。

自组装：纯度问题

SAM 通常由 1 mm 的烷硫醇乙醇溶液制成。最初的单层形成速度非常快，在几秒到几分钟内就能实现单层覆盖。这种最初形成的单层排列不整齐，在链中含有许多薄片缺陷。随着时间的推移，这些层变得更加有序和聚集良好。文献报道的装配时间各不相同，但通常为 12 小时至 2 天。

组装良好的单分子层的形成取决于所用链烷硫醇的纯度。即使存在低水平污染物也会导致无序的非理想单层。巯基化合物中许多典型的杂质是巯基化前体分子，在纯化过程中未被分离。这些前体分子可能是缺少最终产物头基的直链链烷硫醇，也可能是用于将巯基官能团引入前体分子的分子（如硫代乙酸）。由于这些化合物还含有巯基官能团，它们可能会与相关的链烷硫醇竞争可用的表面位置。对于具有复杂或体积大的头部基团的链烷硫醇，竞争吸附可能是一个较大的问题。通过破坏烷烃链的紧密排列，大体积的头部基团可能降低组装的驱动力。随着组装驱动力的降低，直链或小的硫醇污染物可以竞争表面上相关的链烷硫醇。

人们在早期链烷硫醇自组装研究中注意到了这些效应，并对一种链烷硫醇与另一种链烷硫醇的优先吸附进行了一些详细的研究。两种链烷硫醇的混合物在稀乙醇溶液中的吸附，其中一种具有极性，另一种具有非极性头部基团，表明具有非极性头部基团的链烷硫醇的吸附是更有利的。⁷ Bain 等也注意到带有相同头部基团但具有更长链的烷硫醇，会比更短的烷硫醇更优先被吸附。⁴当试图有意地按所需比例获得存在两个或多个头部基团的混合单层时，很难根据溶液浓度预测相对表面浓度并通常都需要校准曲线。⁴ 在由Nelson等给出的一个例子中，他研究了与巯基十六烷或（1-巯基-11-十一烷基）四（乙二醇）混合的生物素化链烷硫醇的混合单层，并使用化学分析用电子光谱（ESCA）和飞行时间二次质谱（ToF-SIMS）将溶液浓度与表面浓度进行了关联。⁸ 该研究证明了混合单层中表面和溶液组成会有怎样显著的不同，以及为什么在设计混合单层表面时需要校准曲线。

为了证明巯基杂质在 SAM 形成中的作用，表 1显示了由硫醇溶液制备的一系列 SAM 的 ESCA 表面成分数据（这些 SAM 故意掺入了“杂质”）。在本实验中，（1-巯基-11-十一烷基）四（乙二醇）（ PEG₄ 巯基，产品编号674508）与 0%、1% 和 10% (v/v) 硫代乙酸 (TAA) 混合。所有单层均由 1 mM 无水乙醇溶液制备。所显示的各种巯基组分的百分比是体积百分比。

表1. 含有和不含“杂质”的 PEG4 硫醇单层的 ESCA 组成数据。所有数据均以原子百分比显示。每个样品显示两个分析点。†PEG4 巯基 =（1-巯基-11-十一烷基）四（乙二醇）；产品编号674508 TAA = 乙硫羟酸

从表 1中注意到的第一个观察结果是随着组装溶液中硫代乙酸量的增加，金的原子百分比增加。金信号来自单层下面的金基质。这种金信号被上覆的单层薄膜衰减。更薄或更无序的覆盖层会导致信号衰减（金信号增加）的减缓。这表明在组装溶液中即使加入 1% 的硫代乙酸也会导致单层厚度的显著降低。硫代乙酸是一种小分子，如果插入到单层中会破坏局部单层的顺序，引起层厚度的显著减小。

表 2显示了表 1中没有金信号的数据。这样可以将原子百分比与基于溶液混合物原子组成的预期百分比进行比较。如表 2 所示，实验值与计算值相当吻合。由于上覆单层的衰减，通常观察到硫的原子百分比低于预期。PEG₄巯基就是这种情况。来自另外两个单分子层的硫数据接近预测数的事实表明，这些层是无序的（与金原子百分比一致）或者表面上存在大量的硫代乙酸（对比其他原子，它具有较高的硫相对百分比）。

表2. 来自PEG4硫醇单分子层的、没有“杂质”重新标定、没有金信号的ESCA成分数据。所有数据都以原子百分比显示。每个样品显示两个分析点。粗体数值是根据所用化合物的溶液混合比计算出的原子百分比。†PEG4 巯基 =（1-巯基-11-十一烷基）四（乙二醇）；产品编号674508 TAA = 乙硫羟酸

值得注意的是，在查看表 2时，人们可能会认为，由于碳和氧的相对百分比在样品间没有明显变化，因此表面仍然是纯 PEG₄硫醇。只有高比例的硫才能使样品分离，并表明可能存在杂质。

总的来说，这些数据表明，溶液中即使是少量的污染物也会引起单层组成和结构的显著差异。避免这些问题的最好方法是使用纯度最高的分子。

当PEG₃和PEG₆硫醇样品中存在硫代乙酸时，可见与这些相似的结果。这两种样品都显示出比预期更高的金和硫信号，表明这些层是无序的并且存在硫污染物。聚（乙二醇）链烷硫醇（PEG_n  硫醇）最重要的性质是能够形成无污染的自组装单分子层，但只有少量羧酸封端的 PEG_n  硫醇（可能是从聚（乙二醇）起始原料中引入的）会导致显著的蛋白质吸附，使得表面比裸金本身更加易于结垢，如 Roberts  等人的研究结果所示。⁹

硫醇污染对单层形成的干扰也已被报道用于硫醇化DNA在金上的组装。¹⁰ 发现硫醇污染物二硫苏糖醇的存在阻碍了硫醇化 DNA 在金表面的组装。作者表明，当被污染的硫醇化 DNA 用于组装时，特征性 DNA 元件 (P，N) 的原子百分比并不像纯样品那样随着组装时间的增加而增加。组装时间的增加反而导致表面上污染物分子的数量增加。由相对纯的 DNA 制备的样品在时间序列组装中显示出 DNA 元件的逻辑趋势。

自组装：无限机会

SAM 已被用于许多领域的研究和应用。应用实例包括表面润湿、无污染特性、电化学、表面钝化、蛋白质结合、DNA 组装、耐腐蚀性、生物阵列、细胞相互作用和分子电子学。以前的评论文章总结了这些主题和其他主题。^11-13

SAM 真正打开了直接表面工程的大门。相关研究人员可以跟随他们的想象力不断开拓新的领域。图 2显示了链烷硫醇单层的几种可能应用的示意图。这些类型的应用可能依赖于高纯度烷烃硫醇，其头部基团如表 3 所列。

图 2. 链烷硫醇单分子层的可能应用。A）无污染表面 B）具有特异性结合受体的 SAM C）天然细胞生长的细胞支持物和研究 D）分子电子学 E）微阵列 F）分离。

表3. 一些对于图 2 所示应用非常有用的头基示例。

参考文献

1. Nuzzo RG, Allara DL. 1983. Adsorption of bifunctional organic disulfides on gold surfaces. J. Am. Chem. Soc.. 105(13):4481-4483. https://doi.org/10.1021/ja00351a063

2. Strong L, Whitesides GM. 1988. Structures of self-assembled monolayer films of organosulfur compounds adsorbed on gold single crystals: electron diffraction studies. Langmuir. 4(3):546-558. https://doi.org/10.1021/la00081a009

3. Dubois LH, Nuzzo RG. 1992. Synthesis, Structure, and Properties of Model Organic Surfaces. Annu. Rev. Phys. Chem.. 43(1):437-463. https://doi.org/10.1146/annurev.pc.43.100192.002253

4. Bain CD, Whitesides GM. 1989. Formation of monolayers by the coadsorption of thiols on gold: variation in the length of the alkyl chain. J. Am. Chem. Soc.. 111(18):7164-7175. https://doi.org/10.1021/ja00200a040

5. Bain CD, Whitesides GM. 1989. Modeling Organic Surfaces with Self-Assembled Monolayers. Angew. Chem. Int. Ed. Engl.. 28(4):506-512. https://doi.org/10.1002/anie.198905061

6. Porter MD, Bright TB, Allara DL, Chidsey CED. 1987. Spontaneously organized molecular assemblies. 4. Structural characterization of n-alkyl thiol monolayers on gold by optical ellipsometry, infrared spectroscopy, and electrochemistry. J. Am. Chem. Soc.. 109(12):3559-3568. https://doi.org/10.1021/ja00246a011

7. Bain CD, Evall J, Whitesides GM. 1989. Formation of monolayers by the coadsorption of thiols on gold: variation in the head group, tail group, and solvent. J. Am. Chem. Soc.. 111(18):7155-7164. https://doi.org/10.1021/ja00200a039

8. Nelson KE, Gamble L, Jung LS, Boeckl MS, Naeemi E, Golledge SL, Sasaki T, Castner DG, Campbell CT, Stayton PS. 2001. Surface Characterization of Mixed Self-Assembled Monolayers Designed for Streptavidin Immobilization. Langmuir. 17(9):2807-2816. https://doi.org/10.1021/la001111e

9. Molecular Self-Assembly - Material Matters v1n2. [Internet]. Available from: https://www.scribd.com/document/12704111/Molecular-Self-Assembly-Material-Matters-v1n2

10. Lee C, Canavan HE, Gamble LJ, Castner DG. 2005. Evidence of Impurities in Thiolated Single-Stranded DNA Oligomers and Their Effect on DNA Self-Assembly on Gold. Langmuir. 21(11):5134-5141. https://doi.org/10.1021/la0472302

11. Love JC, Estroff LA, Kriebel JK, Nuzzo RG, Whitesides GM. 2005. Self-Assembled Monolayers of Thiolates on Metals as a Form of Nanotechnology. Chem. Rev.. 105(4):1103-1170. https://doi.org/10.1021/cr0300789

12. Chaki NK, Vijayamohanan K. 2002. Self-assembled monolayers as a tunable platform for biosensor applications. Biosensors and Bioelectronics. 17(1-2):1-12. https://doi.org/10.1016/s0956-5663(01)00277-9

13. Ulman A. 1996. Formation and Structure of Self-Assembled Monolayers. Chem. Rev.. 96(4):1533-1554. https://doi.org/10.1021/cr9502357