在化学与生物传感领域，氧化还原循环（Redox Cycling）是一种有效的电化学信号放大机制，广泛用于电化学活性物质探测。然而，传统氧化还原循环研究主要集中电极对间隙在微米至数十纳米尺度，对于更小的电极间隙（尤其是小于2纳米的量子隧穿空间），氧化还原循环是否仍然有效？其增强效应是否会受到量子力学效应的影响？这些关键科学问题仍缺乏系统研究。

近日，浙江大学唐龙华教授团队和帝国理工学院 Joshua B. Edel教授、Aleksandar P. Ivanov 博士合作，在前期工作的基础上构建了一种新型的量子隧穿电学探针（Quantum Mechanical Tunnelling Probe, QMT Probe），其电极对间隙可在亚纳米到3纳米间进行调控，并发现当氧化还原活性分子（如Fe(CN)₆^3-/^4-）进入隧穿电极间隙时，在氧化还原电位下电流发生了显著的增强。

进一步分析表明，这一增强效应不仅受电极间距影响，还与表面修饰、施加表面电位等因素密切相关。通过控制这些关键参数，成功实现了对氧化还原循环过程的增强调控。这一发现填补了氧化还原循环在亚纳米尺度上的研究空白，并为超灵敏电化学检测提供了新思路。

实验表明，改变隧穿电极上的氧化还原活性分子数目，氧化还原循环增强效应将会受到抑制，导致电流信号变化。因此这一概念进一步被用于生物分子检测，通过对电极表面功能化生物标志物，成功实现了对亚皮摩尔级目标新冠病毒S蛋白的超低浓度检测，提供了一种新型无标记、高灵敏度的检测方法。这一策略可广泛适用于其他生物标志物检测，为精准医学、生物传感和单分子分析开辟了新的可能性。

该研究首次揭示了氧化还原循环在量子隧穿电极体系中的增强机制，并展示了其在高灵敏度检测中的应用前景。未来，该技术有望拓展至单分子电化学、纳米催化反应研究、分子电子学等领域，为基础科学与实际应用提供新型工具。

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