摘要
由摩尔定律预言以“自上而下”思路设计的电子器件正抵达其物理尺寸极限，这意味着器件性能的进一步提升将面临极大挑战。费曼提出的分子电子学概念旨在以“自下而上”的设计思路将分子或原子作为基本构成单元，进而组建功能复杂的分子器件。如何在纳米尺度上构建金属-分子-金属结并对其电荷传输特性进行精准表征是分子电子学的研究重点。 葫芦脲(Cucurbit[n]uril，CB[n])分子具有独特的纳米空腔结构，能通过多种分子间相互作用与客体分子形成主客体复合物(Host-guestcomplexes)。此外，其分子端口具有带负电的羰基氧基团，不但能通过离子偶极作用结合带阳离子的客体分子，还能与金通过静电相互作用进行耦合，因此将葫芦脲分子引入分子电子学研究领域是可能的。葫芦脲系列分子凭借其独特的化学结构和优良的分子识别性能，在物理化学、分析化学、生物传感和基因测序等领域具有巨大的应用前景。 基于上述背景，本论文完成了以下几项研究工作: (1)通过STM固结法实验和理论计算证明了路易斯碱吡啶二苯腈(DBP)与路易斯酸相互作用形成的复合物能有效提升电荷传输效率，且不影响DBP分子结的接触构型。在此基础上，向Au-DBP-Au分子结中依次加入路易斯碱和路易斯酸能实现7.5倍电流开关比的可逆分子开关。 (2)通过STM固结法成功构建了Au/CB7/Au分子结并对其电学性质进行了表征，随后研究了CB7-金刚烷胺和CB7-氨基二茂铁主客体复合物的电学特性。结果表明，与CB7分子结相比，主客体复合物的单分子电导略有降低，但分子结寿命明显增强，其原因是客体分子中氨基和主体分子CB7中的羰基氧存在协同作用。 (3)在上述工作基础上，以CB7作为识别分子制备出功能化的纳米电极，并实现了A，T，G，C四种DNA碱基的单分子电学识别。与非功能化的金电极相比，CB7功能化纳米电极有效提升了单碱基识别的读取精度和检测效率。这是由于CB7空腔独有的限域效应抑制了DNA碱基在纳米间隙中的分子构象。 (4)结合上述外部刺激调控电导和CB7功能化电极的研究经验，我们在两端金电极上修饰CB7分子，构建了动态监测生物化学分子的纳米电学平台。被“捕获”在CB7电极对之间的喜树碱(CPT)分子的质子化/非质子化过程被实时检测，且不同pH下CPT的电导分布呈现S型滴定曲线规律，其拟合所得到的pKa与化学表征结果一致都为6.3左右。此外，我们通过外部添加Na+或Ca2+等盐类刺激物实现了CB7与药物分子喜树碱的重复可控结合与释放。
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