电子与光子：时代的终极匹配

　　

　　随着最近仪器和约束技术的改进，使用电化学技术检测分子变得比以往任何时候都容易;然而，在分子水平上，单分子电化学检测和超快速过程的发展仍然受到许多条件的制约。所有这一切都是由于检测极限的存在，这是由在测量过程中可以观察到的通过电化学系统的最小电子数设定的。对于基于电化学的诊断设备来说，这是一个严重的问题，因此人们正在努力寻找替代方案来克服电化学检测的限制。最近，来自波兰科学院物理化学研究所(IPC PAS)的科学家们对低于检测极限的电化学进行了深入研究，并展望了将所提出的解决方案应用于仍然存在检测极限问题的领域的前景。让我们仔细看看他们的工作。

　　电化学是研究化学变化和电荷之间关系的一门科学。电化学过程在许多科学领域和日常生活中有着重要的实际应用。有几种电分析方法，每一种都可以用来研究许多过程。腐蚀?电化学技术可用于检测环境条件下小至几纳米的凹坑的形成。那能量储存呢?便携式电子设备和电动汽车的电池、燃料电池，甚至光伏电池都是基于电化学过程的。通过捕获某些电化学信号，可以对食品样品、药物混合物、废水甚至生物流体中的某些分子进行检测。通过这种方法，可以准确地评估正在调查的样品中感兴趣的分子的含量。

　　自近两个世纪前迈克尔·法拉第使用的方法以来，用于高灵敏度检测分子的电化学方法已经有了很大的更新。研究人员一直在努力提高电化学技术的灵敏度，以达到这些化学物质的检测极限，从而使我们的生活更容易。然而，尽管电化学方法在日常生活中得到了广泛的应用，但在分子水平上检测单分子、颗粒和氧化还原过程仍然具有挑战性，并且需要一种放大方法来处理测量过程中通过的电子数量较少的问题。此外，电路中电子的热和统计运动增加了一些背景噪声，这意味着需要超过2100个电子才能看到电化学事件。这意味着成千上万的分子在电极上反应，与单分子检测的梦想相去甚远。然而，这一限制可以通过将电化学电荷转化为光子来克服，即使只有一个光子存在，光子也可以被检测到。

　　《分析化学》最近发表了一篇由波兰科学院物理化学研究所(IPC PAS)纳米电化学小组的研究人员撰写的关于这个主题的文章。通过在封闭的双极电化学装置中诱导的荧光测量，证明了对电荷转移过程检测的灵敏度增加。在这个独特的设置中，分析物在一个细胞中的氧化被用来同时驱动荧光氧化还原化合物Amplex Red在另一个细胞中的氧化。

　　“我们演示了使用发光分子来测量接近电化学定量极限的电荷，并比较了不同实验时间尺度下反应的效率。这是向亚检测极限电化学信号向更敏感的光子信号的定量转换迈出的一大步。这一进步将提高使用远程光学报告的单一实体电化学和传感应用的灵敏度，允许检测更小的纳米颗粒和更低浓度的分析物。”这篇论文背后的研究人员之一史蒂文·林菲尔德博士解释道。

　　测量了电荷通过引起的积分荧光信号，结果显示电荷通过与荧光信号之间存在线性关系，这取决于实验的时间框架。微电极因其低电容和快速建立稳态扩散场而被使用，这使得研究人员可以在没有明显电容电流的情况下接近定量的电化学极限。

　　“在我们的工作中，我们提出了一种远程报告的替代系统，其中荧光通过封闭双极电化学电池中的微电极在三电极驱动模式下诱导。为了报告在检测池中测量的电化学，我们需要了解报告池中可能发生的过程，以及封闭双极池的设计如何影响报告过程。”-该项目的首席研究员Wojciech Nogala博士评论道。

　　这种替代系统不仅为电化学过程的直接热力学控制提供了可能性，而且还可以观察由还原或氧化过程引起的荧光反应。由于这些实验，现在有可能看到接近量化极限的电流。这一结果可能会彻底改变传统电化学装置通常无法检测到的许多分子给出的离散信号的检测，并开辟了在超低浓度下检测分子的可能性。

　　那么，这些研究的结果可以应用到哪里呢?嗯，一个应用是在临床相关的低浓度生物分子的传感，这可能会使我们更接近早期诊断和治疗各种疾病。另一种可能是对食物或环境中特定化学物质的检测灵敏度比以前更高。以更高的灵敏度检测分子可以增强各个部门的分析能力，并有助于在生活的许多方面开发新型传感器。

　　本出版物是一个项目的一部分，该项目已获得欧盟地平线2020研究和创新计划的资助，根据Marie Sk?odowska-Curie资助协议编号。847413. 这项工作也作为国际共同资助项目的一部分发表，该项目由科学和高等教育部长计划在2020-2024年成立，名为“PMW”;没有达成协议。5005/H2020-MSCA-COFUND/2019/2，波兰国家科学中心(NCN)UMO-2016/23/B/ST4/02868和2020/39/B/ST4/01523。