新型导电纳米孔电极中电荷传输特性的定量分析研究

Due to the unique merits of nanoscale confinement and active electrochemical interface, the conductive nanopores have received great attentions in various emerging fields, including DNA sequencing, single molecule sensing, and high-resolution scanning probe microscopy techniques. However, still little is known about the complicated charge transport processes in the conductive nanopores. In this project, we are aiming to use both experimental and simulation methods to investigate the novel charge transport processes in the conductive nanopores, including the mass transport processes in the solution, electron transfer processes at the interior surface, and their interplays. The polarization effect, carbon layer potential and the solution potential established by the redox mediator will be systematically studied to correlate to the rectified ion current in the conductive nanopores. In addition, when serving as electrodes, the selectivity and sensitivity of the conductive nanopores will also be evaluated in the presence of the confined electric double layer structure. These results will not only help reveal the fundamental charge transport processes at nanoscale, but also enable the conductive nanopores as multifunctional nanoprobes applied in single cell analysis and in-situ local electrochemical measurements.

导电纳米孔电极由于兼具纳米空间限域以及电化学活性界面，近年来被广泛应用在DNA测序、单分子传感、高精度扫描显微技术等前沿热门领域。然而，人们对导电纳米孔道中复杂的电荷传递过程却知之甚少。本研究将结合实验和理论模拟，在导电纳米孔电极的控制制备的基础上，系统地探索研究其中的新型电荷传输特性，包括溶液中的离子传输过程、孔道内壁的电子转移过程、以及他们之间的相互作用。主要研究导电层极化效应、施加电压、以及溶液电势对离子整流的作用，并探讨双电层结构对电化学检测的灵敏度和选择性的具体影响。该研究不仅可以揭示纳米尺度下新型电荷传输机理，而且也为导电纳米孔电极作为多功能纳米探针在单细胞实时检测、原位电化学活性表征等领域的应用奠定坚实的理论基础。

按照项目计划书中的研究内容与计划，我们结合实验和理论模拟，在导电纳米孔电极控制制备的基础上，系统的研究探索了其中的新型电荷传输过程，包括溶液中的离子传输过程，导电界面上的电子转移过程以及他们之间的相互作用，并初步开发了一些基于导电纳米孔电极的单颗粒检测技术，包括基于电解原理的单个银纳米颗粒的分析检测，基于催化放大机理的单个纳米酶等，并系统阐述了纳米限域效应与双电层结构对单体电化学过程的影响。最后我们还初步探索了基于导电纳米孔电极的扫描探针显微技术，在将来有望应用到单个活体细胞的原位无损的具有高时空分辨的电化学测量与成像中去。总体而言，经过三年的努力，我们已圆满的完成了项目的研究内容，同时对导电纳米孔电极的应用做了初步的探索，超额完成了项目的预定目标，并取得了一些具有重要科学意义和应用价值的研究成果，在项目执行期间，共发表研究论文11篇，其中包括 Chem. Sci. 1篇，Anal. Chem. 6 篇，ACS Sens. 1篇。