金膜之表面修飾

從前 SPR 技術應用在生物分析時，蛋白質是以簡單的物理性吸附在活 化過後的金屬表面[11]。然而，人們很快地體會到，我們需要發展更精密

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的方法來挑戰更大範圍的蛋白質應用層面。常用的金屬基板像是金和銀，

表現出高自發性地吸附蛋白質或其他分子，但這些分子被動的與基板結合 後，會對生物分子的活性造成影響。1917 年時，Langmuir [12]透過油脂可 輕易散佈於水面上之特性，研究出這樣的油脂層可以薄到僅一個分子層的 厚度，他也是第一位利用單層膜 (monolayer)具有規則排列與方向特殊性質，

製備出排列整齊並且具有方向性分子薄膜的科學家。

分子自組裝單層膜 (Self-assemble monolayer, SAM)

為了減少非特異性的吸附，以及引進特異性固定化之反應基團，在固 定化之前，需要有一層物質覆蓋於金屬表面，目前已研究出許多不同的方 法。其中最成功的例子為使用硫醇或二氧化硫分子透過自我組裝技術鍵結 於金屬表面上。自我組裝單層膜的發展起源於1946年Bigelow等人[13]發現 長鏈狀的胺類分子可以自我吸附在乾淨的鉑金屬表面上，形成一層單分子 層；而有機二硫化物(disulfide)會自發性的在吸附在金膜表面形成單層膜這 個現象，最早則在1983年由Nuzzo等人[14]在界面模型的研究中提出。幾年 後，矽烷化合物可吸附在SiO₂、Al₂O₃ 上，硫醇化合物可吸附在金、銀、

銅上之相關理論也於幾年後陸續被提出。圖2.4為SAM技術的示意圖，主要 是有機分子藉由特定官能基以物理或化學的方法吸附在基板的表面上所 形成的薄膜，近年來此技術已被廣泛地運用在基礎理論的分析與研究上。

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圖2.4、分子自組裝單層膜(SAM) 技術之示意圖

如圖2.5 所示，分子自組裝單層膜的結構可以分為三個部分[15]：第一 部分為分子的頭基(head group)，通常是具有表面活性(surface-active)的物種，

用於將分子吸附在表面上，最常見的是有機硫醇吸附在金的表面[16]以及 羧酸吸附金屬氧化物上。當這些具有表面活性的物種與基板進行自發性的 化學吸附時，會產生放熱反應，每莫耳分子吸附時所放出的能量可達數千 焦耳。第二個部份為橋基(spacer)，此部份多半是使用直鏈的烷類，在吸附 時，烷鏈與烷鏈間會因分子間堆疊的凡得瓦力(van der Waals interactive forces)，使基板表面上的整串分子與分子之間保持固定的距離，有助於形 成緊密且有規律性的排列結構。第三部分為末端官能基團(terminal group)，

為最遠離基板表面的部分。由於分子吸附到基板上後，基板表面也完全被 此末端官能基所覆蓋，因此在形成單層膜後，此官能基的特性就決定了自 我組裝單層膜的性質。它可以是簡單的甲基，或是具有親水基團[16]、疏 水基團[16]、氧化還原中心等的官能基。

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圖2.5、分子吸附在基板表面的SAM薄膜結構圖

以硫醇化合物吸附在金屬的例子來說，分子自組裝單層膜的形成，是 由硫和金屬間強烈的作用力，伴隨著烷基鏈(alkyl chains)之間的凡得瓦力 所驅使。因為有足夠的鏈長，最後在金屬表面形成的單分子層是密度高、

方向一致且結構非常的穩定。這種奈米尺度的薄膜層，以現今的技術，已 經可輕易的透過市售物質來製作。 80 年代末由 Biacore 公司開發的儀器，

是最早將分子自組裝單層膜(SAM)技術應用於生物感測器的公司[17]。

硫醇在金膜表面上之分子自組裝單層膜

即使分子自組裝單層膜技術已廣泛被研究，但使用烷基硫醇自組於黃 金表面的單層膜，依然是SAM技術中最受矚目的，而本論文主要也使用硫 醇在金膜表面上形成分子自組裝單層膜。硫醇吸附於金膜之系統有三項特 點：(1)金為反應性較鈍的金屬，在大氣中不易被氧化，有助於硫醇化合物 的吸附；(2)硫醇的官能基與黃金之間有強烈的作用力，硫與金的鍵能約為 45 KJ/mol，此作用力較其他官能基與金之作用力來的強大[18]；(3)隨著烷 基硫醇分子碳鏈數增加，分子排列將會越有規則性[19]。