分子器件的构筑及其在分析化学中潜在应用的基础研究

在现代分析化学领域，微型化是一个重要的、不可逆转的发展方向，与计算机技术的结合也将更加紧密。计算机和现代分析仪器都是以硅基半导体电子器件为基础的。目前科学家普遍认为现行的微电子加工工艺的发展将逼近物理极限和工艺极限，这在很大程度上限制了计算机和分析仪器未来的发展。分子器件的构筑采用 "从下到上"的组装技术，具有低能耗、低成本的显著特点，有望解决上述问题。分子器件在今后科技领域中将发挥越来越重要的作用。为了抢占未来科技制高点，许多国家制备了发展计划并投入了大量人力物力。本项目以前期工作为基础，利用多种自组装技术构筑修饰电极，以电化学方法、光谱学为主要分析手段，掌握界面电子传递机理，进一步构筑多功能分子器件，在同一体系中实现多种逻辑运算。将所构筑分子器件应用到环境监测、生物分子识别与检测，有望提高检测灵敏度和抗干扰性，实现对重金属离子的智能检测，为促进仪器的进一步微型化做探索性基础研究。

研究工作在基金委资助下圆满完成计划任务。基于电子传递理论构建了分子三极管，构建了分子开关，在同一体系实现了多种分子逻辑门运算，并将分子器件应用于分析检测，发展了多种新型生物传感器，将分子器件应用于生物分析，可促进生物传感器向微型化方向发展。发表SCI文章17篇，影响因子均大于3，其中影响因子大于10的2篇，大于5的12篇，包括NPG Asia Mater.，Angew. Chem. Int. Ed.，ACS Nano，Chem. Sci.。参加国际国内会议并作会议报告6次。研究成果简要介绍如下：.1. 构建多功能分子器件.1）基于叉指阵列芯片，发展了具有信号放大功能的新型分子三极管，电流信号可被放大400倍。此分子三极管可应用于构建高灵敏生物传感器。2）基于G-4能增强染料分子的荧光，利用DNA间相互作用，构筑了新颖的DNA通用平台。可以执行半加器及半减器的运算功能。所有运算都是以一通用值为阈值，在无酶的情况下实现的。有望应用于多元检测及对疾病的智能检测。3）发展了一种基于DNA的具有可重置和从未报道过的可编码功能的安全体系。此系统还可区分不同使用者的使用权限，以达到优先级别的设定。4）制备了具有独特pH开关性能的壳聚糖石墨烯复合材料。该复合物既能溶解于酸性溶液还可溶解于碱性溶液，在近中性溶液中则表现出聚集行为。.2. 构建新型生物传感器.1）利用脂质体对石墨烯进行功能化，所制备的杂化材料对抗癌药物表现出高效负载能力和pH可控的释放特性。利用此纳米材料构建的生物传感器对过氧化氢表现出良好的电催化性，具有灵敏度高、检测范围宽、稳定性好、重现性高等优势。2）发展了基于固定化探针新方法用于电化学细胞传感器的构筑。实现了在大量正常细胞存在情况下高选择性的检测其中的10个癌细胞。3）基于铜离子、组氨酸以及半胱氨酸与G－四链体间的相互作用，引入屏蔽剂，首次实现了同时对组氨酸和半胱氨酸的高灵敏度检测。.3. 分子器件与分析检测相结合.1）创新性地利用分子整流器发展了一种灵敏度高选择性好的新型细胞传感器，搭建了新的检测平台。2）应用DNA分子机器建立了一种无酶、免标记的放大检测方法用于高灵敏检测DNA，可进行单碱基错配及多态性分析，具有很大的应用潜力。3）利用DNA杂化及与汞离子间相互作用构筑了输出信号具有时序性的分子密码锁。该体系对开展多元重金属智能检测起到指导作用。