基于硅纳米线阵列的多态分子逻辑光开关及其在传感器方面的应用研究

In order to solve the present problem---poor control of logic molecules in solution, we presented the model of building logic devices by assemblying logic molecules on surface of nanowire in proposal of Youth Foudation. Multi-state logic optical switches were realized by grafting logic molecules on surface of silicon and zinc oxide nanowire arrays. These results have been collated into 13 papers (SCI) and 6 Chinese patents. In this proposal, we intend to realize the higher integration of molecular logic devices. The research includes: controllable preparation of the silicon nanowire arrays; designs and syntheses of optically functional logic molecules; the relevance between structures of logic molecules, assemblying density on surface of nanowire and the threshold of logic switches; assemblying different logic molecules on the surface of the nanowire arrays to configure the multi-state logic devices; application of logic devices in sensing to achieve detection of multiple goals. The proposal will provide an important experimental and theoretical basis for preparation of molecular logic devices with smaller and a higher degree of integration.

青年基金中，针对目前溶液中逻辑分子不易控制的问题，我们提出了在纳米线表面组装逻辑分子构建逻辑器件的模式。通过在硅纳米线和氧化锌纳米线阵列表面组装单一功能逻辑分子，实现了基于纳米线阵列的多态逻辑光开关，到目前为止，已经发表SCI论文13篇，申请发明专利6项。在此基础上，为解决不同功能逻辑分子在纳米线阵列的集成问题，实现集成度更高的分子逻辑器件，本项目拟开展不同功能逻辑分子在同一硅纳米线阵列表面的组装，实现多态多功能逻辑器件的集成。主要内容包括硅纳米线阵列的可控制备及表面调控；设计、合成不同功能的逻辑分子，并将其同时组装在硅纳米线阵列表面；研究功能分子的结构及表面修饰密度对多功能逻辑开关阈值的影响，实现在纳米线阵列上构建多态多功能逻辑器件；进一步发展逻辑器件在传感方面的应用，实现多目标的相关联检测。本项目的研究结果将为制备集成化程度更高、性能更好的分子逻辑运算器件提供重要的实验和理论依据。

在青年基金工作的基础上，为解决不同功能逻辑分子在纳米线阵列的集成问题，实现集成度更高的分子逻辑器件，并将其用于多目标检测，本项目中我们围绕着基于硅纳米线阵列的多态分子逻辑器件的制备及其在传感器方面的应用开展工作。主要研究内容包括：化学刻蚀法可控制备硅纳米线阵列、两步法制备Si-Mn4Si7纳米线阵列、硅氢键还原法制备硅纳米线/银团簇复合结构；在材料可控制备的基础上，发展了硅纳米线表面修饰新方法，实现了硅纳米线表面硅氢键与有机官能团醛基的反应，使得硅纳米线修饰条件更加温和，更有利于逻辑器件的制备及性能提高；以此为基础，构建了一系列基于硅纳米线的酶（碱性磷酸酶、超氧化物歧化酶、胰蛋白酶）、金属离子（汞离子、铜离子、锌离子）、硫化氢气体、温度等为输入的单输入分子逻辑器件。将这些逻辑器件用于生物检测，以硅纳米线阵列逻辑器件作为细胞培养的基底，首次实现了细胞凋亡过程中络合态铜离子、细胞外围硫化氢、细胞环境中pH的实时原位检测。并将硫离子输入的逻辑器件用于硫化氢气体的检测，实现了硫化氢气体检测的小型传感器件；构建了以半乳糖苷酶/酯酶, 超氧化物歧化酶/铜离子, 铜离子/硫离子为输入的双输入硅纳米线分子逻辑器件，实现了半乳糖苷酶/酯酶, 超氧化物歧化酶/铜离子, 铜离子/硫离子的相关联检测；构建了以四种重金属离子为输入的2×2硅纳米线阵列多态多功能逻辑器件。将四输入的逻辑器件用于重金属离子的检测，实现了基于硅纳米线阵列的多目标检测传感器。在这些工作的过程中，我们详细研究了硅纳米线与其表面分子之间的能量转移相关因素，通过调节硅纳米线与表面发光分子之间的距离，改变荧光分子的发光波长，调控了硅纳米线与荧光分子之间的能量转移。并以拉曼为检测手段研究了硅纳米线与表面分子之间的能量转移和光物理过程。这些工作为构建基于硅纳米线、荧光分子能量转移体系的多态多功能逻辑器件提供了重要的理论基础，也为构建高性能的多目标传感器提供了重要依据。同时，我们将研究的范围扩展到氧化锡-氧化锌纳米管和银纳米线，构建了基于氧化锡-氧化锌纳米管和银纳米线的分子逻辑器件，并将其用于多巴胺和温度的检测。以这些研究工作为基础，发表SCI论文15篇，申请专利12项，授权6项。