智能所在重金属离子检测方面取得新突破

　　纳米间隙器件已成为当前电学传感器研究的热点之一，在实现高灵敏检测方面具有广阔的应用前景。近期，中科院合肥研究院智能机械研究所仿生功能材料与传感器件研究中心刘锦淮研究员和中科院“引进海外杰出人才”黄行九研究员领导的课题组创新性地提出了基于分子间隙纳米器件检测重金属离子的新方法。

　　近三年来，中科院合肥研究院智能所仿生功能材料与传感器件研究中心973首席科学家刘锦淮研究员和中科院“引进海外杰出人才”黄行九研究员率领的课题组利用非贵金属即金属氧化物纳米材料实现了对水中重金属离子的超灵敏电化学响应，并提出了纳米材料的选择性电化学行为与吸附性能的相关性。

　　纳米材料通常被用来实现对水中微量重金属离子的高灵敏电化学响应。目前的相关研究中，有大量关于应用纳米贵金属以及导电纳米碳材料作为修饰剂实现对重金属离子的电化学检测的报道。人们通常将这种增强的电化学信号归因于纳米材料的大比表面积，而对于纳米材料增强电化学响应的本质尤其是如何从原子级别上设计高灵敏电化学敏感界面却鲜有报道。

　　近年来，该研究团队一直致力于此方向的研究，并取得了系列进展。如，综述了纳米间隙电极在传感检测研究方向上的最新发展及动态(《今日材料》MaterialsToday,2010,13,28-41);将CdSe量子点引入到纳米间隙电极间，借助其光敏特性(紫外可见光)，有效地提高了对有机分子链霉亲和素检测的灵敏度(Small,2012,8,3274-3281);针对化学惰性的PTS检测，基于纳米间隙电极提出了其“抑制电子传输”的检测新原理和新方法(《分析化学》Analytical Chemistry,2012,84,9818-9824)。

　　在上述研究工作的基础上，研究人员进一步将纳米间隙器件引入到重金属离子的检测研究中。通过在叉指微电极间组装填充谷胱甘肽分子层包覆的Au纳米颗粒，间接地实现了分子间隙纳米器件的构筑。该纳米器件对Hg2显示出高灵敏的电学响应，且表现出较低的检测下限(1纳米)。然而，对于其它重金属离子(如Zn2，Cd2，Pb2等)，则并未引起器件电导/电阻的改变。为了从分子水平上阐明该纳米器件的特异性敏感机制，研究人员通过理论模拟研究发现：不同于常规的传感器件，该纳米器件的选择性不依赖于修饰物(谷胱甘肽分子)与重金属离子的结合能力。其敏感机制主要在于：重金属离子桥连相邻的Au纳米颗粒间谷胱甘肽分子形成络合物后，改变其前线轨道分布及能量，进而影响到纳米器件的电子输运性能。无疑，该研究工作为设计具有特异性敏感响应的纳米器件提供了新思路。

　　在前期研究基础上，智能所课题组研究人员与中国科技大学微尺度国家实验室李群祥教授合作，将电分析化学与理论模拟计算有机地结合起来，提出从原子级别上，从纳米金属氧化物晶面的角度设计对重金属离子的高灵敏电化学传感界面。研究人员发现，重金属离子如Pb2在四氧化三钴纳米晶(111)面的灵敏度要明显优于(001)面；吸附实验表明，四氧化三钴纳米晶(111)面比(001)面能吸附更多的金属离子(adsorptioncapacity)；模拟计算结果表明，相对于(001)面，四氧化三钴纳米晶(111)面对Pb2表现出较大的吸附能、较多的吸附位点、以及离子在其表面较低的扩散势垒。评审人认为“实验结果很有趣并且很好地得到理论计算的支持(TheresultsareinterestingandquitenicelysupportedbyDFTcalculations)”。