納米間隙器件已成為當(dāng)前電學(xué)傳感器研究的熱點(diǎn)之一，在實(shí)現(xiàn)高靈敏檢測(cè)方面具有廣闊的應(yīng)用前景。近期，中科院合肥研究院智能機(jī)械研究所仿生功能材料與傳感器件研究中心劉錦淮研究員和中科院“引進(jìn)海外杰出人才”黃行九研究員領(lǐng)導(dǎo)的課題組創(chuàng)新性地提出了基于分子間隙納米器件檢測(cè)重金屬離子的新方法。

　　近三年來(lái)，中科院合肥研究院智能所仿生功能材料與傳感器件研究中心973首席科學(xué)家劉錦淮研究員和中科院“引進(jìn)海外杰出人才”黃行九研究員率領(lǐng)的課題組利用非貴金屬即金屬氧化物納米材料實(shí)現(xiàn)了對(duì)水中重金屬離子的超靈敏電化學(xué)響應(yīng)，并提出了納米材料的選擇性電化學(xué)行為與吸附性能的相關(guān)性。

　　納米材料通常被用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)水中微量重金屬離子的高靈敏電化學(xué)響應(yīng)。目前的相關(guān)研究中，有大量關(guān)于應(yīng)用納米貴金屬以及導(dǎo)電納米碳材料作為修飾劑實(shí)現(xiàn)對(duì)重金屬離子的電化學(xué)檢測(cè)的報(bào)道。人們通常將這種增強(qiáng)的電化學(xué)信號(hào)歸因于納米材料的大比表面積，而對(duì)于納米材料增強(qiáng)電化學(xué)響應(yīng)的本質(zhì)尤其是如何從原子級(jí)別上設(shè)計(jì)高靈敏電化學(xué)敏感界面卻鮮有報(bào)道。

　　近年來(lái)，該研究團(tuán)隊(duì)一直致力于此方向的研究，并取得了系列進(jìn)展。如，綜述了納米間隙電極在傳感檢測(cè)研究方向上的最新發(fā)展及動(dòng)態(tài)(《今日材料》MaterialsToday,2010,13,28-41);將CdSe量子點(diǎn)引入到納米間隙電極間，借助其光敏特性(紫外可見(jiàn)光)，有效地提高了對(duì)有機(jī)分子鏈霉親和素檢測(cè)的靈敏度(Small,2012,8,3274-3281);針對(duì)化學(xué)惰性的PTS檢測(cè)，基于納米間隙電極提出了其“抑制電子傳輸”的檢測(cè)新原理和新方法(《分析化學(xué)》Analytical Chemistry,2012,84,9818-9824)。

　　在上述研究工作的基礎(chǔ)上，研究人員進(jìn)一步將納米間隙器件引入到重金屬離子的檢測(cè)研究中。通過(guò)在叉指微電極間組裝填充谷胱甘肽分子層包覆的Au納米顆粒，間接地實(shí)現(xiàn)了分子間隙納米器件的構(gòu)筑。該納米器件對(duì)Hg2顯示出高靈敏的電學(xué)響應(yīng)，且表現(xiàn)出較低的檢測(cè)下限(1納米)。然而，對(duì)于其它重金屬離子(如Zn2，Cd2，Pb2等)，則并未引起器件電導(dǎo)/電阻的改變。為了從分子水平上闡明該納米器件的特異性敏感機(jī)制，研究人員通過(guò)理論模擬研究發(fā)現(xiàn)：不同于常規(guī)的傳感器件，該納米器件的選擇性不依賴于修飾物(谷胱甘肽分子)與重金屬離子的結(jié)合能力。其敏感機(jī)制主要在于：重金屬離子橋連相鄰的Au納米顆粒間谷胱甘肽分子形成絡(luò)合物后，改變其前線軌道分布及能量，進(jìn)而影響到納米器件的電子輸運(yùn)性能。無(wú)疑，該研究工作為設(shè)計(jì)具有特異性敏感響應(yīng)的納米器件提供了新思路。

　　在前期研究基礎(chǔ)上，智能所課題組研究人員與中國(guó)科技大學(xué)微尺度國(guó)家實(shí)驗(yàn)室李群祥教授合作，將電分析化學(xué)與理論模擬計(jì)算有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，提出從原子級(jí)別上，從納米金屬氧化物晶面的角度設(shè)計(jì)對(duì)重金屬離子的高靈敏電化學(xué)傳感界面。研究人員發(fā)現(xiàn)，重金屬離子如Pb2在四氧化三鈷納米晶(111)面的靈敏度要明顯優(yōu)于(001)面；吸附實(shí)驗(yàn)表明，四氧化三鈷納米晶(111)面比(001)面能吸附更多的金屬離子(adsorptioncapacity)；模擬計(jì)算結(jié)果表明，相對(duì)于(001)面，四氧化三鈷納米晶(111)面對(duì)Pb2表現(xiàn)出較大的吸附能、較多的吸附位點(diǎn)、以及離子在其表面較低的擴(kuò)散勢(shì)壘。評(píng)審人認(rèn)為“實(shí)驗(yàn)結(jié)果很有趣并且很好地得到理論計(jì)算的支持(TheresultsareinterestingandquitenicelysupportedbyDFTcalculations)”。