单分子电化学检测在水溶液中的突破：自对准纳米间隙传感器的开发与应用
1. 研究团队与发表信息
本研究由荷兰特文特大学（University of Twente）MESA+纳米技术研究所的Shuo Kang、F. Nieuwenhuis、Klaus Mathwig、Dileep Mampallil和Serge G. Lemay（通讯作者）合作完成，成果发表于2013年11月26日的《ACS Nano》（卷7，期12，页码10931–10937）。
2. 学术背景与研究目标
单分子检测技术是生物分析、单细胞研究和DNA测序等领域的核心工具。传统光学方法（如荧光标记）依赖复杂的光学系统，而电化学检测因其低功耗、微型化和兼容集成电路的潜力，成为更具前景的替代方案。然而，水溶液中的单分子电化学检测长期面临两大挑战：
- 极低电流信号：单分子事件产生的电流仅飞安（femtoampere, 10^-15 A）级别，接近室温检测极限；
- 扩散效率限制：水溶液中分子的扩散系数低于有机溶剂，进一步降低信号强度。
本研究旨在通过开发新型自对准纳米间隙传感器（self-aligned nanogap transducers），首次实现水溶液中单分子电化学检测，并验证其在生理盐浓度下的适用性。
3. 研究方法与流程
3.1 传感器设计与制备
研究团队提出了一种创新的自对准微加工工艺，克服传统纳米间隙器件中“死体积”（dead volume）导致的信号损失问题。具体流程如下：
1. 多层金属堆叠沉积：在硅晶圆上依次沉积Ti/Pt/Cr/Pt/Ti（15 nm/50 nm/40 nm/50 nm/10 nm），Cr作为牺牲层。
2. 单步光刻与离子束刻蚀（IBE）：通过单次光刻定义电极边缘，IBE精确刻蚀Pt顶部电极和Cr牺牲层，形成40 nm间距的纳米通道。关键创新在于通过自对准步骤消除传统工艺中的对齐误差，使死体积从微米级降至80 nm（图3e）。
3. 表面清洁与钝化：采用王水（aqua regia）去除IBE过程中的金属再沉积，并沉积SiO₂/SiN多层钝化层以平衡应力，防止纳米通道变形。
3.2 单分子电化学检测实验
- 研究对象：三种常见氧化还原介质——(Ferrocenylmethyl)trimethylammonium bromide (FCTMABr)、Ferrocenedimethanol (Fc(MeOH)₂) 和铁氰化钾（K₃[Fe(CN)₆]），浓度均为10 pM。
- 检测条件：在0.1 M KCl水溶液中，施加氧化-还原偏压（如FCTMA⁺：E_top=0.5 V, E_bottom=0.35 V），通过双电极体系记录电流-时间曲线。
- 信号放大机制：氧化还原循环（redox cycling）使单个分子在电极间反复得失电子，单次事件可转移约10^5个电子，将信号放大至可检测水平。
4. 主要结果与发现
4.1 单分子事件的特征
电流-时间曲线显示随机出现的反相关电流台阶（图1c），台阶高度约5–7 fA，对应单个分子进入纳米间隙后通过氧化还原循环产生的电流。例如：
- FCTMA⁺：实测电流7 fA，理论理想值50 fA，差异源于分子吸附（χ_ads=0.17，即80%时间吸附于电极表面）。
- 温度效应：37°C时电流提升3倍，归因于扩散系数增大（D从5.0×10⁻⁶增至7.0×10⁻⁶ cm²/s）和吸附减弱（χ_ads从0.17升至0.25）。
4.2 多分子验证与性能优化
研究团队通过三种分子验证了方法的普适性（图4），并量化了吸附对信号的影响（表1）。通过优化刻蚀工艺，死体积降至80 nm（图3e），几何效率因子（χ_geom）达0.97，显著提升信号信噪比（SNR=2.3）。
5. 研究结论与价值
- 科学价值：首次实现水溶液中单分子电化学检测，填补了纳米流体技术与生物分析间的技术鸿沟。
- 应用潜力：为低成本、高通量的单细胞分析、临床诊断（如单分子DNA测序）提供了新工具。
- 方法创新：自对准工艺仅需常规光刻技术，适合大规模生产，推动纳米传感器商业化。
6. 研究亮点
1. 死体积最小化：通过自对准工艺将死体积从1 μm降至80 nm，提升信号效率40%以上。
2. 水溶液兼容性：突破有机溶剂的限制，直接检测生理条件下的生物分子。
3. 多分子普适性：验证了铁氰化物等常见介质的检测能力，拓展了应用场景。
7. 其他重要内容
- 控制实验：通过对比不同温度、分子类型的响应，排除了背景噪声干扰（支持信息）。
- 未来方向：建议通过流体驱动（advection）缩短分子扩散时间，或功能化电极表面减少吸附，进一步提升检测效率。
本研究为单分子电化学领域树立了新标杆，其工艺创新与生物学兼容性为后续开发即时诊断（point-of-care）设备奠定了坚实基础。