表面改性纳米玻璃管的流体特性研究及离子选择探测传感器的研制

Due to its unique geometry and physical properties, glass nanopipettes have been widely used in many fields, such as biological study, low-volume liquid delivery, interfacial ion transfer, ion selective detection and analytical measurement. Nanochannels possess the characters of ion current rectification and ion selective detection which are very important to detect heavy metal ions, and thus there are many studies focused on investigating the influence factors of ion current rectification. However, weak long-term stability and anti-interference ability are the fatal problems for the real application of ion selective detection sensor. In this project, we try to study the influence of temperature, surface charge density, concentration gradient, species of electrolyte, type of ions and scan rate on the ion current rectification based on the surface modified glass nanopipettes. Meanwhile, combining the advantages of conventional PVC based ion selective electrode and glass nanopipette sensor, we want to explore the fabrication conditions of ion selective detection sensor with good long-term stability and strong anti-interference ability. Moreover, the relationship between the influence factors of ion current rectification and ion selective detection mechanism will be further investigated. Finally, we try to realize the application of ion selective detection sensor based on the glass nanopipette for the low-volume analysis and nondestructive detection of ion concentration in cells.

纳米玻璃管由于其独特的几何结构和物理性质，在生物研究、微量液体的转移、界面离子输运、离子选择探测和分析检测等领域有非常广泛的应用。纳米通道具有的离子电流整流特性和离子选择特性对其在重金属离子的探测方面显得非常重要，目前对影响整流特性的因素研究的非常多。但离子选择探测传感器存在着探测稳定性和抗干扰能力差的问题。本项目拟对锥形结构纳米通道的纳米玻璃管进行表面改性，研究温度、表面电荷密度、浓度梯度、电解质种类和离子类型、电压扫描速率等对其离子电流整流特性的影响规律；同时结合传统的PVC基离子选择电极的优势，探索出具有长期稳定性和强抗干扰能力的离子选择探测传感器的制备条件。进一步的研究影响离子电流整流的因素和离子探测机理之间的关系，最终实现纳米玻璃管基离子选择探测传感器的微量分析和在细胞中离子浓度的无损检测。

在本项目的资助下，主要进行了两个方面的研究：一是，基于纳米玻璃移液管的独特几何结构和物理性质在生物研究、微量液体转移、界面离子输运、离子选择探测和分析检测方面的应用前景而展开。预期的研究结果对纳米玻璃移液管在这些领域的应用有一定的指导作用。主要的研究内容为通过纳米玻璃管的表面改性，研究其温度、表面电荷密度、浓度梯度等对离子整流效应的影响规律；同时探索制备具有长期稳定性和抗干扰能力强的离子选择探测器。二是，基于当前世界面临的突出的能源和环境问题展开了半导体催化剂在光催化降解有机污染物和电化学能源存储与转换领域的研究。本项目开展后：一是，取得了温度对纳米移液管的电流特性影响很大，且与纳米移液管的内径相关；同时，纳米移液管的内径对于其在纯水电解质下的长时间的电流特性尤其稳定性影响很大，直接关系到在后期的整流效应测试过程中时间因素的衡量。因此该项研究对于选择合适的纳米尺度的玻璃移液管进行相应的后续研究和应用具有一定的指导作用。二是，通过简易的低温溶液法或者水热法（或溶剂热法）对半导体铜基化合物进行形貌、成分和结构的调控，实现了半导体氧化物-金属异质结、氧化物-氧化物异质结和硫化物-硫化物异质结的制备和性能优化，获得了对典型有机污染物的卓越的光催化降解效果和抗光腐蚀效果，其对将来的光催化剂的大规模制备和成本控制以及长期循环使用具有一定的指导意义，有很大的实际应用前景。同时，基于半导体材料的电化学能源存储与转换研究，也获得优异的超级电容器结构材料和电催化剂材料，其表现出了优异的超级电容器性能和可观的电催化氧还原和析氧性能，有望于应用到实际的储能材料电极和燃料电池上，取代传统能源，降低化石燃料对环境的污染以及缓解能源危机。

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