纳通道内离子电流整流效应的实验研究

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纳米管道是指直径在0.1nm到100nm之间的孔状通道。当通道的直径尺寸从宏观量级降低到纳米量级时,通道的面积体积比将变得极大,通道会呈现出宏观尺寸下观察不到的独特性质。目前国内外已经广泛地开展了基于纳米通道的应用研究,主要集中在生物分子的检测方面,包括第三代DNA测序的研究等等。这些研究都是基于待检测物通过纳米通道时产生不同的电流阻塞信号来实现颗粒物的分辨,但对纳通道的过孔离子基准电流的研究尚不完善,这极大的限制纳通道技术的应用,因此,对纳通道基准电流的研究具有十分重要的意义。本文主要开展以下几个方面的研究:  (1)利用珀松-玻尔兹曼方程和相关理论建立了圆柱形纳通道的流体模型,分析了通道径向的正负离子分布、电势分布和电渗流流速分布。研究结果表明,纳通道的离子电流由电泳主导;只在浓度极低的情况下,离子电流受电渗的影响。  (2)基于氮化硅薄膜制备了不同孔径的纳米孔,并利用膜片钳对直径为27nm和5nm的纳米孔进行了离子电流实验。孔径为27nm的纳通道,在较高浓度下,纳米孔的电导呈现线性,并与体态预测值一致;浓度低于某一特定值时,孔的电导将由壁面电荷密度主导;孔径为5nm的纳通道,电导受表面性质的影响更明显;同时还进一步研究了亲水和疏水表面对孔电导的影响。  (3)利用P-2000微电极拉制仪,研究了硼硅酸盐玻璃毛细管制备玻璃纳米孔的制备工艺,成功制备出直径50nm左右的纳米孔,并且制备工艺重复性良好。利用膜片钳检测了通过玻璃纳米孔的离子电流,发现电流呈现出类似二极管的整流特性。通过实验研究了溶液浓度和溶液pH值对整流的影响。实验结果发现:对该类纳米孔而言,整流比值随浓度先增大后减小,最大值在10mM/L值50mM/L的浓度区间;当溶液pH值高于玻璃等电点时,整流比随pH值降低而降低;低于等电点时,玻璃纳米孔整流特性发生改变,而这也表明,纳米孔内壁面发生了电荷倒置。
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