纳米Au膜在口腔呼吸检测器中的应用

　　0　引　言

　　口腔气味的来源主要是口腔细菌分解氨基酸的代谢产物,这些代谢产物包括多种化合物,如,吲哚、粪臭素、二元胺类(尸胺、腐胺),以及挥发性硫化物(VSCs)[1]等。目前,研究较多的主要是VSCs,包括硫化氢、甲硫醇、二甲基硫醇、二甲基二硫醇等。与口腔臭味有关的是前3种,因为它们都含有能发挥活性作用的巯基(-SH),在低浓度时就能发出强烈臭味。二甲基二硫醇由于没有巯基,与口臭呼吸气基本无关。VSCs作为口腔臭味的主要成分,由牙周袋内的或舌苔内的革兰阴性厌氧菌产生,以含硫氨基酸(主要是甲硫氨酸)作为细菌底物。研究证实,硫化氢在口腔内的气体成分中含量较高,而甲硫醇是在牙周病患者的牙周袋内占主导地位。有时则由呼吸道感染、糖尿病以及肺气肿等疾病引起口腔臭味。因此,需要研制一个体积比较小、比较准确和低成本的仪器来检测这些物质。鉴于人的嗅觉及技术难度,该产品应该在气体体积分数达到0. 05%以上时,就能显示结果。

　　1　硫化氢的检测原理

　　如何寻找一种方法能简单有效地检测这些物质,是国内外正在研究的课题。大家知道,常温下固体Au不与硫或硫化物发生任何反应,这是因为固体表面原子与内部原子所处的环境不同。在粒子的直径远大于原子的直径时(如大于0. 1μm),表面原子所占的比例可以忽略;但当粒子直径逐渐接近原子直径时,表面原子的数目及作用就不一样,此时,粒子的比表面积、表面能和表面结合能都发生了很大的变化,人们把由此而引起的种种特殊效应统称为表面效应[2]。当Au被制成纳米数量级的超细粉末后,能显示出极高的化学活性和催化性能。与一般纳米粒子相似,Au纳米粒子的特殊性质也是由其特殊的结构以及由此产生的特殊效应引起的。Au具有特殊的电子云结构,在一些特定的晶面上存在着表面电子态,其能级恰好位于体能带结构沿该晶向的禁带之中。处于此表面态的电子由于功函数的束缚不能选出外围,又由于体能态的限制而不能深入内层,只能形成平行于表面方向运动的二维电子云。这是纳米Au颗粒具有表面效应、量子效应和宏观量子隧道效应的物理基础[3]。

　　已有一些学者研究纳米金微粒,但大多数与硫醇类物质有关。他们基于如下三点考虑:首先,Au是一种相当惰性的金属,不易被氧化,并且,具有抗大气污染的作用;其次,存在有其他许多功能团的情况下,Au与S之间具有强烈的特殊相互作用形成单分子膜;第三,长链烷基硫醇在金表面能够形成紧密排列的晶态或液晶态单分子膜,在Au表面烷基硫醇自组装形成单分子膜,硫醇分子的巯基与Au之间通过极性共价键连接,烷基硫醇在Au表面的自组装有如下特性: (1)成膜速率越低,膜的有序性越好;(2)在溶液中,烷基硫醇不易聚合,成膜的条件容易控制;(3)选择性愈高,吸附的杂质愈少; (4)在超高真空条件下,采用蒸发镀膜的方法可以制备具有原子级平整度的基片。影响分子自组装和单分子膜的品质的因素较多,主要因素包括基片表面物质种类和表面的粗糙度、活性分子反应基团的活性和空间位阻、分子链的大小和极性、溶质的极性和溶液的浓度等。自组装的速率受到多种因素的影响,由温度、溶剂、溶液浓度、吸附分子的链长和基片物质的清洁程度等,这些因素是相对容易控制的。有的因素如界面反应的速率和单分子层吸附的可逆性是由系统本身所决定。