納米間隙器件已成為當前電學傳感器研究的熱點之一，在實現高靈敏檢測方面具有廣闊的應用前景。近期，中科院合肥研究院智能機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“引進海外杰出人才”黃行九研究員領導的課題組創新性地提出了基于分子間隙納米器件檢測重金屬離子的新方法。

　　近三年來，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首席科學家劉錦淮研究員和中科院“引進海外杰出人才”黃行九研究員率領的課題組利用非貴金屬即金屬氧化物納米材料實現了對水中重金屬離子的超靈敏電化學響應，并提出了納米材料的選擇性電化學行為與吸附性能的相關性。

　　納米材料通常被用來實現對水中微量重金屬離子的高靈敏電化學響應。目前的相關研究中，有大量關于應用納米貴金屬以及導電納米碳材料作為修飾劑實現對重金屬離子的電化學檢測的報道。人們通常將這種增強的電化學信號歸因于納米材料的大比表面積，而對于納米材料增強電化學響應的本質尤其是如何從原子級別上設計高靈敏電化學敏感界面卻鮮有報道。

　　近年來，該研究團隊一直致力于此方向的研究，并取得了系列進展。如，綜述了納米間隙電極在傳感檢測研究方向上的最新發展及動態(《今日材料》MaterialsToday,2010,13,28-41);將CdSe量子點引入到納米間隙電極間，借助其光敏特性(紫外可見光)，有效地提高了對有機分子鏈霉親和素檢測的靈敏度(Small,2012,8,3274-3281);針對化學惰性的PTS檢測，基于納米間隙電極提出了其“抑制電子傳輸”的檢測新原理和新方法(《分析化學》Analytical Chemistry,2012,84,9818-9824)。

　　在上述研究工作的基礎上，研究人員進一步將納米間隙器件引入到重金屬離子的檢測研究中。通過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，間接地實現了分子間隙納米器件的構筑。該納米器件對Hg2顯示出高靈敏的電學響應，且表現出較低的檢測下限(1納米)。然而，對于其它重金屬離子(如Zn2，Cd2，Pb2等)，則并未引起器件電導/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制，研究人員通過理論模擬研究發現：不同于常規的傳感器件，該納米器件的選擇性不依賴于修飾物(谷胱甘肽分子)與重金屬離子的結合能力。其敏感機制主要在于：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合物后，改變其前線軌道分布及能量，進而影響到納米器件的電子輸運性能。無疑，該研究工作為設計具有特異性敏感響應的納米器件提供了新思路。

　　在前期研究基礎上，智能所課題組研究人員與中國科技大學微尺度國家實驗室李群祥教授合作，將電分析化學與理論模擬計算有機地結合起來，提出從原子級別上，從納米金屬氧化物晶面的角度設計對重金屬離子的高靈敏電化學傳感界面。研究人員發現，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于(001)面；吸附實驗表明，四氧化三鈷納米晶(111)面比(001)面能吸附更多的金屬離子(adsorptioncapacity)；模擬計算結果表明，相對于(001)面，四氧化三鈷納米晶(111)面對Pb2表現出較大的吸附能、較多的吸附位點、以及離子在其表面較低的擴散勢壘。評審人認為“實驗結果很有趣并且很好地得到理論計算的支持(TheresultsareinterestingandquitenicelysupportedbyDFTcalculations)”。