具有不同離子性及親疏水性末端官能基硫醇之製備及其自我聚集單分子層之表面性質與血小板接觸性質之探討(2/2)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

具有不同離子性及親疏水性末端官能基硫醇之製備及其自 我聚集單分子層之表面性質與血小板接觸性質之探討(2/2)

計畫類別： 個別型計畫

計畫編號： NSC91-2214-E-006-005-

執行期間： 91 年 08 月 01 日至 92 年 07 月 31 日 執行單位： 國立成功大學化學工程學系（所）

計畫主持人： 林睿哲

報告類型： 完整報告

處理方式： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，2 年後可公開查詢

中 華 民 國 92 年 9 月 19 日

2

計畫名稱：具有不同離子性及親疏水性末端官能基硫醇之製備及其自我聚集單分子層之表面性質與血小板 接觸性質之探討 (2/2)

計畫編號：NSC 91-2214-E-006-005 執行期限：91/08/01~92/07/31 計畫主持人：林睿哲教授 執行機構：國立成功大學 中文摘要

長碳鏈的烷基硫醇鍵結在金的表面上所形成的自我聚集性單分子層，因其具有排列緻密的特性，藉由 改變末端的官能基，可使表面具有不同的性質。

本研究是以細胞膜成分中含量最多的磷脂質結構為基礎，因它具有親水性的兩性離子官能基結構，由 於熱力學的影響，使得磷脂質具有自我聚集的特性，故研究自我聚集性單分子層恰可對磷脂質的結構作一 個適切地模擬。本研究之起始物為 10-mercaptodecanyl phosphonic acid 所製備之自我聚集單分子層，由接觸 角的量測發現到，所配製硫醇溶液中，不同溶劑會影響到單分子層結構，使得表面具有不同親疏水性的差 異。為了避免單分子層因吸附空氣中污染物，故將其保存在適當的溶劑中，並在表面改質前進行接觸角量 測，再次證明溶劑會影響到單分子層結構的重組，但表面的遲滯現象在不同條件下卻極為類似。

至於表面改質的部分，根據 ESCA 之 O

、N

、P

、S

圖譜證實自我聚集性單分子層之表面官能基的 存在，並觀察不同反應條件下圖譜的化學位移變化與表面元素組成比(Atomic ratio)的關係，發現到 SOCl

有可能會破壞表面的金-硫鍵結，使得醋酸膽鹼與表面單分子層反應的機會降低，故對於 SOCl

加入反應系 統的體積與反應時間皆須審慎考量。

關鍵字：自我聚集性單分子層, 磷脂質, 兩性離子官能基, 表面分析 Abstract

The self-assembled monolayer formed by the long-chain alkanthiol has densely-packed, and well-oriented characteristics. On the other hand, varying the terminal functional groups of the self-assembled monolayer will affect various properties of the surface.

This study is based on the structure of phospholipid, the most abundant component of the cell membrane.

Due to the thermodynamic effect, phospholipid with long hydrophobic hydrocarbon chains and hydrophilic zwitterionic functional group has the self-assembly character. In other words, studying the self-assembled monolayer (SAM) is just to mimic the structure of phospholipid properly. The starting material was phosphonic acid -terminated alkanethiol self-assembled monolayer. By the measurement of contact angle, it was found that different solvents would affect the structure of the self-assembled monolayer. Therefore, the surface would have the differences in hydrophilicity due to the solvent effect. To protect the monolayer formed from adsorbing contaminants in the air that could affect the following modification reaction, the phosphonic acid terminated SAM was stored in the proper solvent. Also, the measurement of contact angle had been done again before the surface was modified. As a result, it was proven the solvents can affect the reorganization of the monolayer structure.

However, the hysteresis value of the surface in this study was similar to each other.

According to the spectra of O

、N

、P

、S

in ESCA, the existence of the functional group on the surface has been proven. By correlating the variation within the spectrum chemical shift and atomic ratio under different reaction conditions, it was found that thionyl chloride is indeed a strong oxidant, and may destroy the gold-sulfur binding on the surface. Consequently, the chances of choline acetate reacting with the monolayer were reduced.

This indicates that both the amount of the thionyl chloride adding to the reaction system and the reaction time need to be considered carefully.

Key words: Self-assembled monolayer, Phospholipid, Zwitterionic functional group, Surface analysis 一、計畫緣由與目的

植入身體的材料對於人體而言是個外來物質，當它與身體相接觸時，可能會誘導體內產生排斥作用造 成血栓，因此，促成了生醫材料和血液接觸時所引發的界面性質進一步之研究與發展。

本研究是希望合成類似生物細胞膜中具親水性的兩性離子官能基結構之磷脂質分子，將它應用在生物 相容性的技術上，主要是建立在觀察到大部份細胞膜的外部是由正負電荷的磷脂質所構成，具有好的血液

相容性

。又因自我聚集單分子層具有排列緻密的優點，藉由改變其末端官能基可使表面具有不同的性

質

，這對於將植入人體的生醫材料，可以提供一個很好的參考，本研究即利用自我聚集單分子層的這項 特點，來合成模擬末端具有兩性離子官能基的單分子層，並對它的表面性質加以探討。

二、實驗方法

1. 自我聚集性分子層的製備

(1) 清洗矽晶片： 將其放入 70 vol.% 濃硫酸與 30 vol.% 雙氧水所配成的溶液，加熱溫度為 90 ，時間為 一小時， 再利用二次水與 99.9 % 無水乙醇將矽晶片沖洗多次，再用氮氣將矽晶片上多餘的水及乙醇 吹乾。

(2) 利用真空蒸鍍法，先在矽晶片上鍍鈦

，鍍膜的速率調整為 1 埃/s，厚度為 100 埃，再鍍金，鍍膜的速 率調整為 3 埃/s，厚度為 2000 埃。

(3) 將處理好的金基材浸入所配置的 2mM 硫醇之二氯甲烷溶液

，於室溫下進行化學吸附反應，時間為

24 小時，反應完成後，分別以二氯甲烷、絕對酒精沖洗材料表面，將物理吸附層清除並以氮氣將表 面吹乾。

2. SAM 之表面改質的實驗流程

三、結果與討論

1. 10-硫醇癸烷基亞磷酸(10-Mercaptodecanyl Phosphonic acid)之合成

參考前人

的作法，合成 10-硫醇癸烷基亞磷酸分子，讓它長到金的表面上，以此形成的自我聚集單分 子層為基礎，作接下來的表面改質實驗，以 NMR 和元素分析(EA)鑑定之，如圖 1 和表 1，證明出所合成的 硫醇分子結構與純度，利於作為接下來改質的實驗。

2. 醋酸膽鹼 ( Choline Acetate ) 的合成 採用文獻上

最多人作合成反應用到的醋酸膽鹼，參考前人

作法，同樣以 NMR 來鑑定吾人所合 成出來的化合物，如圖 2，確認結構無誤後再進行後續的改質。

3. 自我聚集性單分子層之表面性質探討 3-1 溶劑效應

為得較佳的自我聚集單分子層，採 DMF、CH

Cl

兩種溶劑溶解此硫醇，發覺硫醇在兩者的溶解性都很 好，又以 CH

Cl

為溶劑配製之硫醇溶液，所形成的自我聚集單分子表面經接觸角的測量顯示較親水，若以 DMF 為硫醇的溶劑時，所得的接觸角的值較疏水，如表 2，故之後的實驗皆以 CH

Cl

為溶劑製備硫醇溶液，

得吾人所要的單分子層，以繼續做接下來的表面改質。

又當自我聚集單分子層長成時，為避免空氣中的污染物附著，將此單分子層保存在適當的溶劑中。分 別以 DMF、THF 為保存 SAM 的溶劑，由測得的角度看來，DMF 應會影響到表面分子的再次排列，造成 表面呈現較疏水的現象；但 THF 對原本的自我聚集單分子層結構影響較不那麼大，如表 2，故之後表面改 質即以 THF 做為保存自我聚集單分子層的溶劑，以利反應進行。由此可知，不同溶劑可能會影響到自我聚 集單分子層上表面結構的重組或是溶劑可能會影響鏈末端官能基在構形上的改變，這些現象皆可能會隨著 溶劑與單分子層的相容性及單分子層的初始結構而變

。

3-2 遲滯現象的討論

靜態前進角與後退角的量測是在一定時間下，藉由增加與減少水滴的體積來測量前進角與後退角的差 異，此差值即所謂的遲滯現象，由此可看出表面的機械性質。

從表 2 發現到，除空白金之外，其餘四個長完單分子層的試片經接觸角量測後，所得的遲滯現象極為 類似，亦可由 ESCA 證實 10-硫醇癸烷基亞磷酸分子的確有長到金的表面上，如表 3，至於空白金，因表面 上沒有鍵結任何極性官能基，故遲滯現象相對於長完單分子層的試片較不明顯。

4. 討論合成兩性離子官能基的反應條件與 ESCA 分析的結果

實驗中發現當 SOCl

體積在 175 µ l 以上時，經表面改質反應後，在金表面末端邊緣的部分有稍微掀起，

顯示出 SOCl

有可能會破壞到金的表面，需考量到在作表面改質反應時，所加入反應系統中 SOCl

的體積。

為使反應系統處在一個均相的狀態下，以無水 DMF 做為反應系統中溶劑的選擇，至於使用醋酸膽鹼的理 由在於它相對於其他的膽鹼鹽具有好的移動性。目前藉由 ESCA 分析已改質上去的反應條件與結果如表 3，

就此部分的表面改質，N

與 P

的存在是一個很好的指標

；比較表 3 中不同條件下自我聚集單分子層的 差異，以 C

做為基準來定量表面上元素組成的比例，得表 4，就 P/C，N/C、O/C 而言，在 B

之含量均 較在 B

、B

之含量低，而 S/C，Au/C 在 B

之含量卻較在 B

、B

高，顯示出 125 ìl 之 SOCl

極有可能破 壞 Au-S 鍵結而形成氧化金，或破壞未改質的分子層結構上末端 C-P 鍵結，使得醋酸膽鹼接到表面的機會 降低，或烷鏈上的 C-C 鍵被打斷，使得表面上 C 的含量減少，故 P/C，N/C 相對地降低，S/C，Au/C 相對 地增加；再比較 B

、B

的差異，S/C，Au/C、O/C 在 B

之含量較 B

為高，P/C，N/C 則差不多，顯示出 50 µ l 之 SOCl

在 2 小時反應後仍對單分子層的表面具有破壞性，可能會部分形成氧化金，但破壞的情形則 沒有像 125 µ l 之 SOCl

對表面影響那麼大。

B

、B

、 B

可再與 B

作比較，P/C 在 B

的含量最高，而改質後的 P/C 在 B

、B

、B

則較低，此 因醋酸膽鹼已接到表面上，使表面上的碳數增加，雖 C-P 鍵結有可能因加入 SOCl

而斷鍵，但就相對值而 言，P/C 經改質後應會下降，故我們可從上述分析知 SOCl

的確為一強氧化劑，對表面多多少少都會有一 些破壞性的影響，故對於所加入 SOCl

的體積需審慎考量。再由接觸角的量測發現到：這三種條件下所量 測出來的接觸角，其值並不相同，如表 5 。由 ESCA 分析知，在 B

之反應條件下，表面應有較多的非極 性分子，可能因改質後的分子末端的 4 級胺鹽帶有三個甲基暴露在表面上，抑或 N 旁的-CH

CH

亦有可能 因彎曲使得所量測出來的角度較疏水。至於在 B

，B

的條件下，可能因加入的 SOCl

的量較多，表面有些 會形成氧化金，使得角度並不像 B

的反應條件下那樣的疏水。

再對表 3 中不同條件下所得的 ESCA 資料中之 C

、O

、S

、P

的原始強度數據利用正規化，即將 原始數據中的最大值定為 1，最小值定為 0，其餘取相對值，並將不同條件下所有正規化的值再經適當位 移，以此位移後的值為縱軸，鍵結能為橫軸，得圖 3、4、5、6。由圖 3 可看出，-C-C-的位置在 4 個不同

HS(CH2)10P(OH)2 O

Au-S binding 2mM thiol solution

Au-S(CH2)10P(OH)2

SOCl_2,few minutes

Au-S(CH2)10PCl2 O

DMF,r.t

(CH3)3N⁺CH2CH2OH DMF,45度C , overnight

Au-S(CH2)10P-OCH2CH2N⁺(CH3)3 O

O^- O

4

表 2：金在不同條件下的角度

θa = static advancing angle,θ r = static receding angle, θ

= static angle, Ä

=

a -

r

A

：剛鍍完金的角度；前進角的速率：0.70-0.87mm

/sec；

後退角的速率：0.70-0.90 mm

/sec

A

： 將金片放入以 CH

Cl

為溶劑的 10-硫醇癸烷基亞磷酸 的溶液中所長成的 SAM 所測的角度；前進角、後退角 的速率：0.80-1.10 mm

/sec

條件下差不多都在 285eV 的位置，但在 B

、B

、B

的條件下，約在 286.5eV 的位置有一小峰，應為-O-C- 或-C-N

(CH

)

的結構

；圖 4 則在 B

、B

、B

的條件下，峰的半幅寬增加，應為改質後多了-C-O-P 的 鍵結（約在 533.37eV 的位置）

；由圖 5 發現到 Au-S 鍵結位置在 162、163.2eV 並不是那麼明顯，可能 是由於 S 占全部原子數較少的關係，相對地，雜訊就會較明顯；圖 6 則在 B

之條件下，參照表 4，知 P 的含量在此條件下是最低的，故圖形變化不大應為可能。

四、結論

為得較佳的自我聚集單分子層，須選擇適當的溶劑來製備硫醇溶液，就吾人的系統而言，DMF 與 CH

Cl

都可溶解 10-硫醇癸烷基亞磷酸，但就接觸角的量測發現到，以 CH

Cl

為溶劑來製備吾人所要的單分子層 恰符合我們實驗上的需要，因為此硫醇分子末端的 OH 較有可能暴露在單分子層的外部，利於作接下來的 表面改質。由此知，不同溶劑可能會影響到自我聚集單分子層上表面結構在方向上的排列，造成親疏水性 的差異。又為了避免空氣中的污染物附著上去，可將未反應的自我聚集單分子層保存在適當的溶劑中，在 不同溶劑下保存的單分子層由接觸角的測量結果知，應會影響到原單分子層末端結構的再次排列，但就遲 滯現象而言，原始的單分子層與經過保存之後的單分子層極為類似。由 ESCA 分析中的表面元素組成比與 O

、C

、P

、S

圖譜變化之相互關係知，SOCl

的確為一強氧化劑，在不同的反應條件下，對表面的破 壞性有著不同程度的差異，故對於所加入 SOCl

的體積需審慎考量；至於反應系統中所用的溶劑、反應時 間、反應溫度等變因，仍須進一步研究探討。

五、參考文獻

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六、圖表

5

實驗值 推測值

C % 47.225 ± 0.02 47.23 H % 9.160 ± 0.06 9.11

θ a θ r θ ∆θ

A

85.30

±1.25

66.50

±1.05

84.80

±0.92

18.80

50.65

±2.24

3.00

±1.00

51.65

±1.47

47.65

A

72.00

±3.27

20.67

±4.99

69.14

±4.91

51.33

A

60.95

±2.92

6.50

±4.56

63.23

±4.08

54.45

A

71.33

±2.49

22.33

±0.47

75.40

±1.20

49.00 表 1：10-硫醇癸烷基亞磷酸的 EA data

圖 2：醋酸膽鹼的 NMR (D

O as the d solvent)

B1：剛鍍完金馬上泡入以 CH2Cl2為溶劑的 10-硫醇癸烷基亞磷酸溶 液中，經 24hrs 後所長成的自我聚集單分子層

＊B2, B3, B4的單分子層皆以 CH2Cl2為溶劑來配製硫醇溶液 B2：反應條件

1. 取 SOCl250ì l 溶在 12 ml THF，並將含有 10-硫醇癸烷基亞磷 酸的單分子層共同放入四頸反應器中， 在室溫下通入氮氣進行 反應 2 hrs

2. 之後，用蒸餾過的 THF 清洗單分子層，再取 2.445g 的醋酸膽 鹼溶於 24ml 的 THF，並將洗淨的單分子層共同置入新的四頸 反應器中，在室溫下通氮氣，反應 24hrs

＊此單分子層的條件為：長成後直接作反應 B3：反應條件

1. 取 SOCl225ì l 溶在 12 ml DMF，並將含有 10-硫醇癸烷基亞磷 酸的單分子層共同放入四頸反應器中， 在手套箱中通氮氣進行 反應 6 min

2. 之後，用無水的 DMF 清洗單分子層，再取 1.63g 的醋酸膽鹼 溶於 24ml 的 DMF，連同洗淨的單分子層共同置入新的四頸反

A

：將金片放入以 DMF 為溶劑的 10-硫醇癸烷基亞磷酸的

溶液中所長成的 SAM 所測的角度；前進角的速率：

0.70-0.85 mm

/sec；後退角的速率：0.90-1.10 mm

/sec A

：將金片放入以 CH

Cl

為溶劑的 10-硫醇癸烷基亞磷酸的 溶液中所長成的 SAM 後，放入蒸餾過的 THF 中保存，

做 表 面 改 質 前 所 測 得 角 度 ； 前 進 角 的 速 率 ： 0.80-0.90mm

/sec，後退角的速率：0.70-0.85 mm

/sec A

：將金片放入以 CH

Cl

為溶劑的 10-硫醇癸烷基亞磷酸的 溶液中所長成的 SAM 後，放入無水的 DMF 中保存，

做 表 面 改 質 前 所 測 得 角 度 ； 前 進 角 的 速 率 ：

0.80-1.00mm

/sec；後退角的速率：1.10-1.30 mm

/sec