单分子检测可以对体系中单个分子的个体行为进行研究，因而能够达到分析化学检测的极限，由此引起越来越多的关注。使用电化学方法直接检测单分子进行氧化还原时产生的电信号是一项极大的挑战，因为一个或几个电子得失形成的电流极小，无法利用目前的电化学仪器在室温下直接检测。为了克服这一困难，氧化还原循环、荧光检测、拉曼光谱等方法陆续发展。其中，荧光检测法是利用单分子处在氧化还原不同状态时发出的荧光信号也不同的特性进行检测，是一种非常灵敏、有效的方法。在单分子荧光检测中，为了达到较高的信噪比，人们需要将检测体积最小化来尽可能地降低背景信号。全内反射荧光显微法、共聚焦显微法以及纳米孔电极阵列等都可以用来减小检测体积。然而，这些方法很难估测单分子检测的效率，也就是检测到的单分子数与实际氧化还原生成的单分子数的比值。

　　近期，华盛顿大学的张波教授（点击查看介绍）课题组设计了一种新策略来检测具有氧化还原活性的单分子，成功估测了单分子检测的效率。作者利用铂双极纳米电化学池（Pt bipolar electrochemical nanocell，简称Pt nanocell）和落射荧光显微术（epifluorescence microscopy）观察Pt nanocell内试卤灵分子（resorufin）的生成。如图所示，Pt nanocell的主体是一根纳米玻璃吸管（nanopipet），其100纳米直径的管口镀有一个铂纳米粒子，将吸管内部溶液和外部溶液完全分隔开来，形成一个两极隔离式双极电极（closed bipolar electrode）。之后，他们将Pt nanocell内部充满刃天青（resazurin）溶液，水平地放置于倒置荧光显微镜的样品台上，并浸于FcMeOH溶液中。一对驱动电极也分别被插入nanocell的内、外溶液中，用于控制双极电极上的电压。当双极电极两端的电压差达到一定数值时，铂纳米粒子外表面的FcMeOH氧化反应和内表面的刃天青还原反应就可以耦合，生成高荧光的试卤灵分子，然后被CCD相机捕捉。

　　图1. 利用Pt nanocell检测具有氧化还原活性的单分子。左：实验系统示意图；右：不同电位下nanocell内的单分子检测情况（每个小图都包含一段时间内检测到的所有单分子的位置）

　　用Pt nanocell检测单分子具有以下优势：第一，荧光分子只会生成于纳米吸管内部，而吸管内径只有100纳米左右，激光照射到的部分只有6微米长，因此检测体积极小（0.24 fL），背景荧光信号极低，不需要用全内反射荧光显微术就可以观察到荧光单分子；第二，极小的纳米吸管内部空间限制了荧光分子的自由扩散，增加了单分子被相机捕捉的概率；第三，由于Pt nanocell内外的氧化还原反应是耦合的，只需要知道外部FcMeOH分子的浓度以及相机记录到的内部荧光分子的个数，就可以估算出单分子的检测效率。如此一来，利用nanocell内部观察到的荧光分子来检测nanocell外部不产生荧光的单个氧化还原反应就具有可能性，对单分子电化学的研究具有非常大的意义。

　　这一成果近期发表在Analytical Chemistry 上，文章的第一作者是华盛顿大学的博士生樊芸杉和博士后郝瑞。

　　该论文作者为：Yunshan Fan, Rui Hao, Chu Han and Bo Zhang

　　原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

　　Counting Single Redox Molecules in a Nanoscale Electrochemical Cell

　　Anal. Chem., 2018, 90, 13837, DOI: 10.1021/acs.analchem.8b04659

　　导师介绍
　　张波
　　https://www.x-mol.com/university/faculty/1612

　　如果篇首注明了授权来源，任何转载需获得来源方的许可！如果篇首未特别注明出处，本文版权属于 X-MOL （ x-mol.com ）， 未经许可，谢绝转载！