CN109179310B - 一种具有短距离离子选择性的仿生纳米通道及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有短距离离子选择性的仿生纳米通道及其制备方法，属于能量转换技术领域以及生物检测技术领域。本发明的纳米通道不同于传统的电子沉积金纳米层，是利用金纳米颗粒的液‑液界面自组装特性及形成的金纳米阵列本身的孔隙构建而得的，其形成的异质膜对阴阳离子具有选择性，并表现为离子电流整流；其金纳米阵列便可以诱导结构产生整流特性，将整流特性产生的结构尺度从微米级缩小到纳米级；其还能够通过对金纳米阵列的孔隙大小、带电荷量、电性、亲疏水性及层数的调节实现对整流大小调控。

Description

一种具有短距离离子选择性的仿生纳米通道及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种具有短距离离子选择性的仿生纳米通道及其制备方法，属于能量转换技术领域以及生物检测技术领域。

背景技术

细胞膜是细胞的边界，由脂质双分子层以及镶嵌于脂质双分子层中的具有功能特性的蛋白通道组成，这些蛋白孔道属于生物离子通道，对于细胞信号传递、能量转换、物质交换及功能性调控具有重要意义，因此，对于生物离子通道的结构和功能的研究一直是一个热点。

天然的生物离子通道具有结构易碎，化学性质不稳定，易变性等缺陷，这些缺陷均会影响离子通道的研究发展。

目前，常采用纳米材料构建而成的，相对天然的、生物离子通道来说更为坚固、稳定、不易变形的仿生纳米离子通道模拟并替换生物离子通道，以对生物离子通道的结构和功能进行探究，并且，这些采用纳米材料构建而成的仿生纳米离子通道也被发现在生物化学传感、能源转换、离子检测及盐差发电等领域具有重要的作用。

然而，现有的仿生纳米离子通道，如PET锥形通道、石墨烯异质膜、高岭土膜等，由于通道内表面材料具有惰性、尺度大、材料不均一，存在化学修饰难、离子选择性不可控、材料需求量大等缺陷，这些缺陷极大地影响了纳米通道的实际应用，因此，急需找到一种可克服上述缺陷的纳米通道。

细胞膜上的细胞离子通道可以选择性的调节离子进出细胞，并对外界的电压刺激、化合物刺激或者机械压力刺激做出反应，实现离子的选择性运输，而整流特性是离子通道在电压刺激下表现出的离子单方向传输特性。

我们可尝试采用纳米材料仿生离子通道的整流特性，克服现有纳米通道选择性不可控，化学修饰难及材料需求量大等缺陷，从纳米尺度上对生物离子通道的选择特性进行探究。

现在已经有的具有整流特性的纳米通道主要包括两类：一类，是通过蚀刻获得的聚合物纳米孔道，其由于孔道结构的非对称及孔道内表面的电荷作用实现离子选择，表现出离子电流整流特性，其孔道形状包括单锥形、双锥形、雪茄形等；另一类，是通过构建异质结构实现离子的不对称传输，如在氧化铝或氮化硅模板上沉积石墨烯，通过石墨烯与模板结构的不对称性。

遗憾的是，上述两者虽然都是具有整流特性的纳米通道，但是，它们依旧没有解决纳米通道选择性不可控、化学修饰难及材料需求量大等缺陷。

因此，如何得到一种可克服现有纳米通道选择性不可控、化学修饰难、材料需求量大等缺陷，同时，具有结构有序、形貌可控、选择性可控、表面易修饰等优势的仿生纳米通道，仍需进一步的研究，得到的纳米通道的实际效果如何也仍需进一步验证。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种具有短距离离子选择性的仿生纳米通道及其制备方法。此纳米通道不同于传统的电子沉积金纳米层，是利用金纳米颗粒的液-液界面自组装特性及形成的金纳米阵列本身的孔隙构建而得的，其形成的异质膜对阴阳离子具有选择性，并表现为离子电流整流；其金纳米阵列便可以诱导结构产生整流特性，将整流特性产生的结构尺度从微米级缩小到纳米级；其还能够通过对金纳米阵列的孔隙大小、带电荷量、电性、亲疏水性及层数的调节实现对整流大小调控。

本发明的是技术方案如下：

本发明提供了一种具有短距离离子选择性的仿生纳米通道，所述纳米通道是通过将自组装形成的单层有序金纳米阵列转移至阳极氧化铝模板表面形成异质膜结构得到的。

所述离子选择性是指固相表面对各种离子吸附亲和力大小不同的现象。

在本发明的一种实施方式中，所述阳极氧化铝模板表面由单层有序金纳米阵列形成的异质膜结构可为一层或一层以上。

在本发明的一种实施方式中，所述金纳米阵列的厚度为34-36nm。

在本发明的一种实施方式中，所述金纳米阵列的厚度为35nm。

在本发明的一种实施方式中，所述阳极氧化铝模板厚度为58-62μm。

在本发明的一种实施方式中，所述阳极氧化铝模板厚度为60μm。

在本发明的一种实施方式中，所述异质膜结构上的孔径大小为8-10nm。

在本发明的一种实施方式中，所述异质膜结构上的孔径大小为9nm。

本发明提供了上述一种具有短距离离子选择性的仿生纳米通道的制备方法，所述方法为将阳极氧化铝模板进行前处理；通过自组装形成单层有序的金纳米阵列；将得到的单层有序的金纳米阵列转移至前处理后的阳极氧化铝模板表面，形成异质膜结构；对得到的异质膜结构进行表面修饰，得到仿生纳米通道。

在本发明的一种实施方式中，所述方法中，形成异质膜结构并对得到的异质膜结构进行表面修饰的次数为一次或一次以上，得到单层或多层仿生纳米通道。

在本发明的一种实施方式中，所述将阳极氧化铝模板进行前处理是指先将阳极氧化铝模板用丙酮、无水乙醇、超纯水分别进行超声，除去通道内的残留物，再将阳极氧化铝模板在稀盐酸中浸泡后取出、吹干，使通道表面带正电。

在本发明的一种实施方式中，所述阳极氧化铝模板的前处理中，超声的次数为2-4次、时间为28-32s。

在本发明的一种实施方式中，所述阳极氧化铝模板的前处理中，超声的次数为3次、时间为30s。

在本发明的一种实施方式中，所述通过自组装形成单层有序的金纳米阵列是指在金纳米颗粒自组装过程中通过添加十二硫醇，获得小孔隙而且高度有序的单层金纳米阵列。

在本发明的一种实施方式中，所述通过自组装形成单层有序的金纳米阵列是指先合成带负电的金纳米颗粒，再将得到的金纳米颗粒离心后取沉淀，然后将得到的沉淀进行浓缩，最后将浓缩后的沉淀置于孔板内，先加入正己烷溶液和十二硫醇溶液，出现分层，再加入无水乙醇，在加入无水乙醇的过程中，分层处的液-液界面出现金纳米阵列，待正己烷挥发后，即得存在于液-空气界面的小孔隙而且高度有序的单层金纳米阵列。

在本发明的一种实施方式中，所述通过自组装形成单层有序的金纳米阵列是指先合成带负电的金纳米颗粒，再将得到的金纳米颗粒离心后取沉淀，然后将得到的沉淀进行浓缩，最后将浓缩后的沉淀置于孔板内，先缓慢加入正己烷溶液和十二硫醇溶液，出现分层，再逐滴加入无水乙醇，在逐滴加入无水乙醇的过程中，分层处的液-液界面出现金纳米阵列，待正己烷完全挥发后，即得存在于液-空气界面的小孔隙而且高度有序的单层金纳米阵列。

在本发明的一种实施方式中，所述金纳米阵列的自组装中，金纳米颗粒是通过柠檬酸还原法合成的。

在本发明的一种实施方式中，所述金纳米阵列的自组装中，金纳米颗粒的直径大于阳极氧化铝模板孔道的直径，以保证金纳米阵列在氧化铝模板表面，而没有进入氧化铝孔道内部。

在本发明的一种实施方式中，所述金纳米阵列的自组装中，金纳米颗粒的直径为34-36nm。

在本发明的一种实施方式中，所述金纳米阵列的自组装中，金纳米颗粒的直径为35nm。

在本发明的一种实施方式中，所述金纳米阵列的自组装中，离心的转速为4200-4800rpm、时间为8-12min。

在本发明的一种实施方式中，所述金纳米阵列的自组装中，离心的转速为4500rpm、时间为10min。

在本发明的一种实施方式中，所述金纳米阵列的自组装中，浓缩倍数为8-12倍。

在本发明的一种实施方式中，所述金纳米阵列的自组装中，浓缩倍数为10倍。

在本发明的一种实施方式中，所述金纳米阵列的自组装中，浓缩后的沉淀、正乙烷溶液、十二硫醇溶液、无水乙醇的体积比为5000:1000:1:5000。

在本发明的一种实施方式中，所述形成异质膜结构为用前处理好的阳极氧化铝模板托起自组装形成的单层有序的金纳米阵列，并进行热固定，获得稳定的异质膜结构。

在本发明的一种实施方式中，所述形成异质膜结构中，托起的时间应为18-22s，防止由于速度过快造成阵列的机械损坏出现裂缝。

在本发明的一种实施方式中，所述形成异质膜结构中，托起的时间应为20s，防止由于速度过快造成阵列的机械损坏出现裂缝。

在本发明的一种实施方式中，所述异质膜结构的形成中，热固定为将捞起的金纳米阵列在70℃条件下放置2h。

在本发明的一种实施方式中，所述异质膜结构的表面修饰为将获得的异质膜在SH-PEG-COOH溶液中浸泡、水洗、吹干，通过修饰多聚物聚乙二醇(PEG)以增强金纳米阵列的机械强度。

在本发明的一种实施方式中，所述SH-PEG-COOH为末端分别连接有巯基和羧基的聚乙二醇。

在本发明的一种实施方式中，所述SH-PEG-COOH的分子量为1000。

在本发明的一种实施方式中，所述异质膜结构的表面修饰中，SH-PEG-COOH溶液的浓度为480-520μmol/L。

在本发明的一种实施方式中，所述异质膜结构的表面修饰中，SH-PEG-COOH溶液的浓度为500μmol/L。

在本发明的一种实施方式中，所述异质膜结构的表面修饰中，浸泡的时间为8-12min。

在本发明的一种实施方式中，所述异质膜结构的表面修饰中，浸泡的时间为10min。

在本发明的一种实施方式中，所述异质膜结构的表面修饰中，水洗的时间为0.5-1.5min。

在本发明的一种实施方式中，所述异质膜结构的表面修饰中，水洗的时间为1min。

在本发明的一种实施方式中，所述异质膜结构的表面修饰中，吹干为用氮气吹干

本发明提供了应用上述一种具有短距离离子选择性的仿生纳米通道的制备方法制备得到的仿生纳米通道。

本发明提供了上述一种具有短距离离子选择性的仿生纳米通道的制备方法或上述制备得到的仿生纳米通道在能量转换、生物检测、离子检测以及生物标志物检测方面的应用。

有益效果：

(1)本发明的异质膜对阴阳离子具有选择性，并表现为离子电流整流；

(2)与现有的具有离子选择性的仿生通道(现有的具有离子选择性的仿生通道均为微米级厚度)相比，本发明实现了短距离材料(本发明的仿生通道为纳米级厚度)的离子选择性；

(3)本发明单层金纳米阵列的存在使离子选择性实现从无到有的变化，选择性随金纳米阵列层数的增加而增大；

(4)本发明提出了提高纳米离子通道整流特性的方法，包括增加金纳米阵列层数、表面配基修饰及所处环境的pH、电解质浓度的不对称性，通过优化，本发明的最高整流比可以达到238，即在不同电压条件下对离子实现高选择性；

(5)本发明的金纳米阵列便可以诱导结构产生整流特性，将整流特性产生的结构尺度从微米级缩小到纳米级，为纳米离子通道的研究和发展提供了新的研究思路；

(6)本发明能够通过对金纳米阵列的孔隙大小、带电荷量、电性、亲疏水性及层数的调节实现对整流大小调控；

(7)本发明在金纳米阵列的制备过程中加入长链硫醇，通过硫醇与金纳米颗粒表面的配基交换，金纳米颗粒与十二硫醇通过巯基形成Au-S键，金纳米颗粒表面的疏水分子的存在，使金纳米粒子更容易从水相中析出至水-油界面，也使金纳米颗粒可以更好的排列至液-液界面处；

(8)本发明在金纳米阵列的制备过程中加入十二硫醇，可以使金-金之间的水合半径减小，使两个颗粒之间的距离更小，因而加入长链硫醇后获得的纳米阵列较不加硫醇的金纳米阵列的孔隙更小，纳米阵列有序度更高；

(9)本发明通过对非对称电解质浓度梯度的研究，探究了金膜的能量转换能力，为发展和应用能量转换器件提供新的思路。

附图说明

图1为100K放大倍数的基于单层金纳米阵列的异质膜离子通道横截面的SEM图；

图2为氧化铝模板的结构表征图；

其中，a为氧化铝模板的表面SEM结构表征图；b为氧化铝模板的截面SEM结构表征图；

图3为金纳米阵列的结构表征图；

其中，a为金纳米阵列的TEM结构表征图；b为放大倍数为100K的金纳米阵列的SEM结构表征图；c为金纳米阵列的AFM结构表征图；d为金纳米阵列的AFM图像对应高度表征图。

图4为电压驱动下离子通过异质膜离子通道的电流-电压曲线；

其中，a为0.01M KCl浓度下的离子电流整流；b为无单层金纳米阵列存在时的离子电流整流；

图5为金纳米阵列孔径大小对离子电流整流的影响；

其中，a为不同大小金纳米颗粒形成的金纳米阵列的孔径大小统计；b为不同孔径大小对应的离子电流整流的大小。

图6为金纳米阵列的表面电荷量对离子电流整流的影响；

其中，a为修饰负电多聚物前后，离子通过金纳米阵列异质膜的离子电流-电压曲线；b为不同pH导致金纳米阵列表面电荷量差异而引起的离子电流整流的变化情况；

图7为金纳米阵列的电性对离子电流整流的影响；

图8为金纳米阵列的亲疏水性对离子电流整流的影响；

图9为不同层数金纳米阵列异质膜和负电多聚物修饰的不同层数金纳米阵列异质膜的整流比统计结果；

图10为非对称pH对离子电流整流的影响；

图11为非对称浓度对离子电流整流的影响；

图12为外接不同阻值大小的电阻时异质膜的电流密度和输出功率变化。

具体实施方式

下面结合具体实施例和对比例，对本发明进行进一步的阐述。

本发明涉及的检测方法如下：

稳定性检测方法：将得到的仿生纳米通道在水中浸泡7天，观察其变化，若异质膜表面的金纳米阵列光滑致密，电流曲线不随时间波动，则稳定性好，若异质膜表面金纳米阵列粗糙有破损或残缺，电流曲线随时间波动较小，则稳定性一般，若异质膜表面的金纳米阵列有明显脱落，电流曲线随时间波动明显，则稳定性差。

表征方法：将得到的金纳米阵列采用LBL技术方法转移至铜网表面，得到TEM的纳米结构表征；将得到的仿生纳米通道喷铂导电处理后获得SEM的纳米结构表征；将异质膜通道置于硅片上进行AFM结构表征。

实施例1：仿生纳米通道的制备

具体步骤如下：

(1)将购买的孔径为20nm，厚度为60μm的阳极氧化铝依次用丙酮、无水乙醇和高纯水超声清洗三次，每次30s，除去通道内的残留物，将通道在5％的稀盐酸中浸泡10min后取出，用氮气吹干备用，氧化铝模板经酸液浸泡后带正电；

(2)在195mL超纯水中加入6mL浓度为10mM的氯金酸溶液加热煮沸，溶液沸腾2分钟后，在煮沸的溶液中同时加入1.5mL浓度为1nM的粒径大小为5nm的金纳米种子和3.2mL浓度为10mg/mL的柠檬酸三钠溶液，待溶液变为透明的酒红色，且颜色不再变化后，停止加热，搅拌冷却至室温，制得均匀的直径为35nm的金纳米颗粒水溶液；

其中，5nm的金纳米种子合成方法为：在20mL纯水中加入1.47mg柠檬酸三钠固体，搅拌均匀后加入0.5mL浓度为10mM的氯金酸水溶液，并且在剧烈搅拌的条件下加入0.6mL浓度为0.1M的硼氢化钠水溶液，待溶液由淡黄色变为橙色且不再变色后，停止搅拌备用；

(3)将合成的35nm的金纳米颗粒在4500rpm的转速下，离心10min，弃上清，取沉淀，进行10倍浓缩，取5mL浓缩的35nm的胶体金溶液置于6孔板内，缓慢加入1mL正己烷和1μL十二硫醇的混合溶液，出现明显的分层，接着，以0.1mL/min的速率逐滴加入5mL的无水乙醇，在滴加乙醇的过程中，液-液界面出现金纳米阵列，待正己烷完全挥发后，在液-空气界面处得到有序排列的单层金纳米阵列。

(4)用步骤(1)得到的前处理好的氧化铝通道模板在液-空气界面处缓慢托起步骤(3)得到的金纳米阵列，整个托起的时间为20s，在70℃条件下放置2h进行热固定，获得稳定的异质膜结构；

(5)将获得的异质膜在500μM的SH-PEG-COOH溶液中浸泡10min，水洗1min后氮气吹干，通过修饰多聚物PEG以增强金纳米阵列的机械强度，得到仿生纳米通道。

将(5)得到的仿生纳米通道进行稳定性检测以及表征。

稳定性检测表明，获得的异质膜在水中浸泡7天后，没有明显的变化，说明使用该方法获得的纳米通道具有一定的稳定性；

表征结果如下：

TEM结果表明形成的金纳米阵列为均匀的、有序的单层纳米阵列(见图3a)；SEM结果表明金纳米阵列在AAO表面沉积后形成的依然是有序的单层阵列(图1，图3b)；AFM结果表明形成的纳米阵列的厚度与单个金纳米颗粒的直径相一致，均为35nm，进一步证明获得的纳米阵列为单层(图3c-d)。

实施例2：仿生纳米通道的电化学性质

选择不同的KCl溶液浓度，研究不同电解质浓度下异质膜纳米通道的电化学信号。

具体操作如下：将实施例1得到的纳米通道夹在两个完全相同的边长为2cm，孔径为1mm的有机玻璃池子之间，使用Ag/AgCl电极测定离子通过异质膜纳米通道的电化学信号(电压的线性扫描范围为-2V-2V、扫描速度为50mV/s、电解质溶液为KCl溶液)。

如图4所示，发现在10^-6M到0.1M的浓度范围内，当电解质浓度为0.01M时，纳米通道具有较高的离子整流特性，整流比为7，这是由于离子水合半径随离子浓度的增大而增大，只有当纳米孔道的尺寸与离子的德拜长度相匹配时，才能表现出较高的整流比。

在0.01M的KCl电解质中，纳米通道表现为正向整流，在正电压作用下，离子可以通过纳米孔道，而当负电压作用下，纳米通道表现为阻挡离子通过，即异质膜纳米通道表现出非对称离子运输特性；而当离子在电压作用下通过氧化铝通道时，无论正负电压，均表现为高通量的离子通过，离子运输行为不受电压方向变化的影响，即单层金纳米阵列的存在可以诱导离子电流整流的出现，离子通过纳米级的短距离选择后表现出非对称离子运输行为。

结果表明：不同于已有的基于微米级的离子选择后表现出的离子电流整流异质纳米通道结构，本发明发明在模板表面沉积薄薄的一层金纳米阵列就可以表现出离子的选择性运输，属于短距离选择诱导的离子整流。

实施例3：金纳米阵列孔径与非对称离子传输行为关系

将实施例1的步骤(2)替换为如下：

在195mL超纯水中加入6mL浓度为10mM的氯金酸溶液加热煮沸，溶液沸腾2分钟后，在煮沸的溶液中同时加入1.5mL浓度为1nM的粒径大小为5nm的金纳米种子和2.4mL、3.2mL或4mL浓度为10mg/mL的柠檬酸三钠溶液，待溶液变为透明的酒红色，且颜色不再变化后，停止加热，搅拌冷却至室温，制得均匀的直径分别为25nm、35nm和55nm的金纳米颗粒水溶液；

其中，5nm的金纳米种子合成方法为：在20mL纯水中加入1.47mg柠檬酸三钠固体，搅拌均匀后加入0.5mL浓度为10mM的氯金酸水溶液，并且在剧烈搅拌的条件下加入0.6mL浓度为0.1M的硼氢化钠水溶液，待溶液由淡黄色变为橙色且不再变色后，停止搅拌备用；

通过透射电子显微镜(TEM)的观察，对三种不同大小金纳米颗粒形成的金纳米阵列的TEM图像各100张进行孔径统计(如图5所示)。

实验结果表明：形成的纳米阵列的孔径大小随金纳米颗粒的增大而增大，25、35和55nm的金纳米阵列分别对应5、9和11nm的孔尺寸大小。

使用实施例2的Ag/AgCl电极测定不同大小单层纳米阵列的电化学信号，结果发现：随着孔径的减小，离子电流整流逐渐增强。

实施例4：金纳米阵列电荷强度与非对称离子传输行为关系

1、将实施例1的步骤(5)替换为如下：

将制备好的金纳米阵列异质膜置于浓度为500μM的聚丙烯酸(PAA)溶液中孵育10min，水洗1min后获得多聚物修饰的金纳米阵列异质膜。

使用实施例2的Ag/AgCl电极测定此异质膜的电化学信号，结果发现，由于金纳米阵列表面负电多聚物的的存在，使得金纳米阵列表面的负电荷密度增大，表面的羧基密度增大，相应的表现为离子电流整流的增强(如图6a)。

2、将实施例1制备好的金纳米阵列异质膜放置在pH分别为4、6、8、10的电解质溶液中，获得在不同pH条件下具有不同电荷密度的金纳米阵列。

通过计算不同方向电压下电流的比值得到整流比，比较不同条件下整流比。

实验结果表明：在不同pH条件下，金纳米阵列表面的电荷密度会发生变化(如图6b)，随着金表面电荷密度的增加，整流比由6.5增加到9.5，这一结果与PAA修饰的金纳米阵列的的整流比增强的结构相一致，说明金纳米阵列表面的电荷密度与整流大小关系密切，整流比随电荷密度的增大而增大。

实施例5：金纳米阵列电性与非对称离子传输行为关系

将实施例1的步骤(5)替换为如下：

将制备好的金纳米阵列异质膜置于浓度为500μM的PEI溶液中孵育10min，水洗1min后获得多聚物修饰的金纳米阵列异质膜。

使用实施例2的Ag/AgCl电极测定此异质膜的电化学信号，通过计算不同方向电压下电流的比值得到整流比，比较不同条件下整流比。

实验结果表明(如图7所示)：负电的金纳米阵列的I-U曲线斜率变化明显高于带正电的异质膜，这是由于带负电的金纳米阵列与带正电的氧化铝模板形成结构和电荷异质，增强了离子的选择性。

为了说明不存在电荷异质是否会影响离子电流整流的产生，采用CTAC作为配体，制备了带正电的金纳米颗粒，并用该纳米金材料制备出异质膜纳米通道，并使用实施例2的Ag/AgCl电极测定此异质膜的电化学信号，具体如下：

取20mL锥形瓶，将含有2.5×10^-4M HAuCl₄和0.01M CTAB混合物的试样生长溶液加入每个烧瓶中；然后，将50μL的0.1M新鲜制备的抗坏血酸加入瓶中，然后温和搅拌2分钟；最后，向每个烧瓶中加入0.5mL粒径为5nm的金种子溶液，并将混合物在30℃水浴中保持至少6小时，即可获得均匀的粒径为35nm的带正电的金纳米颗粒；

其中，5nm的金纳米种子合成方法为：在20mL纯水中加入1.47mg柠檬酸三钠固体，搅拌均匀后加入0.5mL浓度为10mM的氯金酸水溶液，并且在剧烈搅拌的条件下加入0.6mL浓度为0.1M的硼氢化钠水溶液，待溶液由淡黄色变为橙色且不再变色后，停止搅拌备用。

结果发现，虽然不存在电荷异质性，但是由于基于CTAC包裹的正电的异质膜有更小的孔隙，电化学测试表现出较强的离子电流整流，这一实验结果表明该发明的整流特性的产生不依赖结构的电荷异质性。

实施例5：金纳米阵列疏水性与非对称离子传输行为关系

将实施例1的步骤(5)替换为如下：

将制备好的金纳米阵列异质膜置于浓度为500μM的十八硫醇溶液中孵育10min，水洗1min后获得具有疏水表面的金纳米阵列异质膜。

使用实施例2的Ag/AgCl电极测定此异质膜的电化学信号，通过对亲、疏水通道的电化学测试得到的I-U曲线比较，计算不同方向电压下电流的比值得到整流比，比较不同条件下整流比。

实验结果表明(如图8所示)：亲水表面允许离子通过纳米通道，并且表现出离子选择性，使I-U曲线的电流随着电压由负变为正后，电流变化斜率明显增加，表现出正向整流特性，相反，疏水表面的离子通量减小，而且I-U曲线的电流随着电压由负变为正后，电流变化斜率明显减小，表现为反向整流特性。

提高电解质温度为60℃后，疏水通道的I-U曲线向亲水通道恢复，表现为正向的整流曲线，这是由于疏水表面的通道抑制了水的通过，同时也使离子通量减小，而由于疏水通道只有金表面为疏水界面，所以在负电压驱动下，钾离子从氧化铝向金纳米阵列一侧的流动的离子运输受疏水界面的影响较小，所以表现出反向整流的I-U曲线，而在温度提高后，疏水界面的水浸润性提高，离子截留能力下降，所以整流曲线向亲水通道恢复。

通过单层金纳米阵列亲疏水性的电化学测试研究发现：金纳米阵列的亲疏水性可以改变纳米通道的离子通量和选择性，亲水表面有利于离子选择性运输，通过该研究可以更进一步的看出单层金纳米阵列在实现离子电流整流中具有重要的作用。

实施例6：多层金纳米阵列对离子运输的影响

重复实施例1的步骤(3)-(4)，具体如下：

将合成的35nm的金纳米颗粒在4500rpm的转速下，离心10min，弃上清，取沉淀，进行10倍浓缩，取5mL浓缩的35nm的胶体金溶液置于6孔板内，缓慢加入1mL正己烷和1μL十二硫醇的混合溶液，出现明显的分层，接着，以0.1mL/min的速率逐滴加入5mL的无水乙醇，在滴加乙醇的过程中，液-液界面出现金纳米阵列，待正己烷完全挥发后，在液-空气界面处得到有序排列的单层金纳米阵列。

用得到的前处理好的氧化铝通道模板在液-空气界面处缓慢托起得到的单层金纳米阵列，整个托起的时间为20s，在70℃条件下放置2h进行热固定，获得稳定的异质膜结构；

重复上述步骤，用热固定后获得的温度的异质膜托起新制得的单层金纳米阵列，热固定获得两层金纳米阵列异质膜，类似的，可以获得含有不同层数金纳米阵列的异质膜。

通过电化学测试测定I-U曲线，计算+2V和-2V的电流比值，获得不同层数金纳米阵列的整流比大小(如图9所示)。

实验结果表明：随着金纳米阵列层数从单层增加到10层，整流比增大约12倍，由7增大到86，离子选择性增强，同样的，与单层金纳米阵列异质膜的结果类似，修饰了PAA多聚物的多层纳米阵列异质膜的整流比高于未修饰的异质膜，选择性随层数增加而增大，这是由于多层金膜提供了较长的选择路径，让离子在通道内的选择更彻底。

实施例7：不对称pH环境对离子运输的影响

按照实施例8得到十层金纳米阵列，并在实施例8的基础上通过改变十层金纳米阵列和氧化铝模板两侧电解质溶液的pH形成不对称的pH环境，使用Ag/AgCl电极测定此异质膜的电化学信号，具体如下：

固定10层金纳米阵列异质膜的金膜一侧的pH值为10，使AAO一侧的pH值从4到10变化，采用电化学测试各pH条件下I-U曲线，计算+2V和-2V的电流比值，获得不同pH条件下异质膜的整流比大小。

固定10层金纳米阵列异质膜的AAO一侧的pH值为10，使金膜一侧的pH值从4到10变化，采用电化学测试各pH条件下I-U曲线，计算+2V和-2V的电流比值，获得不同pH条件下异质膜的整流比大小(如图10)。

实验结果表明：在金膜一侧pH为4，另一侧为10时，整流比为负值，在金膜一侧pH为10，另一侧为4时，整流比为正值，该结果说明pH的不对称环境会影响整流方向，在不同pH条件下离子的整流方向发生反转。

,实施例8：不对称电解质浓度对离子运输及能量转换的影响

按照实施例8得到十层金纳米阵列，并在实施例8的基础上固定十层金纳米阵列异质膜的AAO一侧的电解质浓度值为1μM，使金膜一侧的浓度值为0.1M，采用电化学测试I-U曲线，计算+2V和-2V的电流比值，获得异质膜的整流比大小。

固定十层金纳米阵列异质膜的金膜一侧的电解质浓度值为1μM，使AAO一侧的浓度值为0.1M，采用电化学测试I-U曲线，计算+2V和-2V的电流比值，获得异质膜的整流比大小。

通过比较不同浓度梯度条件下的整流比发现：当金膜一侧电解质浓度为0.1M，另一侧为10^-6M时，整流比为正值，当金膜一侧电解质浓度为10^-6M，另一侧为0.1M时，整流比为负值，该结果说明电解质浓度的不对称环境会影响整流方向，在不同电解质浓度条件下离子的整流方向发生反转(如图11)。

对盐差条件下，纳米通道的能量转化能力进行研究，当外接电阻测试时，当电阻为10⁵Ω时，功率为最大值功率最高可达到0.1W/m2(图12)，而当电阻阻值大于或小于10⁵Ω时，获得的功率均小于0.1W/m2，这一研究为金纳米阵列异质膜的研究开拓了新的应用方向。

对比例1：

将实施例1的步骤(3)替换为如下：

将合成的35nm的金纳米颗粒在4500rpm的转速下，离心10min，弃上清，取沉淀，进行10倍浓缩，取5mL浓缩的35nm的胶体金溶液置于6孔板内，缓慢加入1mL正己烷和2μL十二硫醇的混合溶液，出现明显的分层，接着，以0.1mL/min的速率加入5mL的无水乙醇，在滴加乙醇的过程中，液-液界面出现金纳米阵列，待正己烷完全挥发后，在液-空气界面处得到金纳米阵列。

表征结果如下：

通过增加十二硫醇的量获得的金纳米阵列为无序的排列的纳米阵列，且获得的阵列不是单层。

对比例2：

将实施例1的步骤(3)替换为如下：

将合成的35nm的金纳米颗粒在4500rpm的转速下，离心10min，弃上清，取沉淀，进行10倍浓缩，取5mL浓缩的35nm的胶体金溶液置于6孔板内，缓慢加入1mL正己烷和1μL十二硫醇的混合溶液，出现明显的分层，接着，以1mL/min的速率加入5mL的无水乙醇，在滴加乙醇的过程中，液-液界面出现金纳米阵列，待正己烷完全挥发后，在液-空气界面处得到的金纳米阵列迅速皱缩。

表征结果如下：

通过加快无水乙醇的滴加速度获得的金纳米阵列为无序排列的多层聚集体。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (8)

1.一种具有短距离离子选择性的仿生纳米通道的制备方法，其特征在于，所述具有短距离离子选择性的仿生纳米通道是通过将自组装形成的单层有序金纳米阵列转移至阳极氧化铝模板表面形成异质膜结构得到的；

所述制备方法为将阳极氧化铝模板进行前处理；通过自组装形成单层有序的金纳米阵列；将得到的金纳米阵列转移至前处理后的阳极氧化铝模板表面，形成异质膜结构；对得到的异质膜结构进行表面修饰，得到仿生纳米通道；

所述将阳极氧化铝模板进行前处理是指先将阳极氧化铝模板用丙酮、无水乙醇、超纯水分别进行超声，除去通道内的残留物，再将阳极氧化铝模板在稀盐酸中浸泡后取出、吹干，使通道表面带正电；

所述通过自组装形成单层有序的金纳米阵列是指在金纳米颗粒自组装过程中通过添加十二硫醇，获得小孔隙而且高度有序的单层金纳米阵列；

所述异质膜结构的表面修饰为将获得的异质膜在SH-PEG-COOH溶液中浸泡、水洗、吹干，通过修饰多聚物聚乙二醇(PEG)以增强金纳米阵列的机械强度。

2.如权利要求1所述的一种具有短距离离子选择性的仿生纳米通道的制备方法，其特征在于，所述形成异质膜结构为用前处理好的阳极氧化铝模板托起自组装形成的单层有序的金纳米阵列，并进行热固定，获得稳定的异质膜结构。

3.如权利要求2所述的一种具有短距离离子选择性的仿生纳米通道的制备方法，其特征在于，所述热固定为将捞起的金纳米阵列在70℃条件下放置2h。

4.如权利要求1或2或3所述的一种具有短距离离子选择性的仿生纳米通道的制备方法，其特征在于，所述SH-PEG-COOH溶液的浓度为480-520μmol/L。

5.应用权利要求1或2或3任一所述的一种具有短距离离子选择性的仿生纳米通道的制备方法制备得到的仿生纳米通道。

6.应用权利要求4所述的一种具有短距离离子选择性的仿生纳米通道的制备方法制备得到的仿生纳米通道。

7.权利要求5所述的仿生纳米通道在能量转换、生物检测、离子检测以及生物标志物检测方面的应用。

8.权利要求6所述的仿生纳米通道在能量转换、生物检测、离子检测以及生物标志物检测方面的应用。

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