在化學與生物傳感領域，氧化還原循環（Redox Cycling）是一種有效的電化學信號放大機制，廣泛用于電化學活性物質探測。然而，傳統氧化還原循環研究主要集中電極對間隙在微米至數十納米尺度，對于更小的電極間隙（尤其是小于2納米的量子隧穿空間），氧化還原循環是否仍然有效？其增強效應是否會受到量子力學效應的影響？這些關鍵科學問題仍缺乏系統研究。

近日，浙江大學唐龍華教授團隊和帝國理工學院 Joshua B. Edel教授、Aleksandar P. Ivanov 博士合作，在前期工作的基礎上構建了一種新型的量子隧穿電學探針（Quantum Mechanical Tunnelling Probe, QMT Probe），其電極對間隙可在亞納米到3納米間進行調控，并發現當氧化還原活性分子（如Fe(CN)₆^3-/^4-）進入隧穿電極間隙時，在氧化還原電位下電流發生了顯著的增強。

進一步分析表明，這一增強效應不僅受電極間距影響，還與表面修飾、施加表面電位等因素密切相關。通過控制這些關鍵參數，成功實現了對氧化還原循環過程的增強調控。這一發現填補了氧化還原循環在亞納米尺度上的研究空白，并為超靈敏電化學檢測提供了新思路。

實驗表明，改變隧穿電極上的氧化還原活性分子數目，氧化還原循環增強效應將會受到抑制，導致電流信號變化。因此這一概念進一步被用于生物分子檢測，通過對電極表面功能化生物標志物，成功實現了對亞皮摩爾級目標新冠病毒S蛋白的超低濃度檢測，提供了一種新型無標記、高靈敏度的檢測方法。這一策略可廣泛適用于其他生物標志物檢測，為精準醫學、生物傳感和單分子分析開辟了新的可能性。

該研究首次揭示了氧化還原循環在量子隧穿電極體系中的增強機制，并展示了其在高靈敏度檢測中的應用前景。未來，該技術有望拓展至單分子電化學、納米催化反應研究、分子電子學等領域，為基礎科學與實際應用提供新型工具。

Quantum Mechanical Tunnelling Probes with Redox Cycling for Ultra-Sensitive Detection of Biomolecules

Long Yi, Tao Jiang, Dr. Ren Ren, Prof. Ji Cao, Prof. Joshua B. Edel, Prof. Aleksandar P. Ivanov, Prof. Longhua Tang

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202501941