无接触电阻条件下蛋白质成为薄膜固态结中的高效电子传导材料

本综述系统阐述了通过消除接触电阻（R?C）对蛋白质结电子传输特性的影响，创新性提出采用微孔器件（MpD）配置可有效消除界面电阻，首次证实人血清 albumin（HSA）和细菌视紫红质（bR）在固态结中具有卓越的本征电荷传输效率（β值低至0.7-1.1 nm-1），为蛋白质基生物电子器件设计提供了关键理论依据和技术路径。

　　

引言：固态蛋白质结电子传输的研究背景与挑战

近年来研究发现蛋白质在数十纳米尺度上展现出非凡的电子传输能力，这对其作为生物电子材料的应用具有重要意义。然而传统分子结研究中，界面效应往往掩盖分子本征特性，特别是在蛋白质结中，电极-蛋白质接触界面产生的接触电阻（R?_C）严重干扰对其本征传输特性的准确评估。理论模型表明单点接触可能主导纳米级蛋白质的传输过程，而密度泛函理论计算显示小尺寸四血红素蛋白质结可作为完整的电极-蛋白质-电极复合体发挥作用。

蛋白质结电路元件解析与接触电阻量化方法

本研究创新性地提出通过零长度电阻（R_ZLR）和串联电阻（R_S）的差异来量化接触电阻，建立公式R?_C = |R_ZLR - R_S| / R_S。等效电路分析表明蛋白质结包含串联电阻（R_S）、蛋白质电阻（R_P）和蛋白质电容（C_P）三个关键组件，其中R?_C作为接触限制过程而非传统电阻元件存在。

三种器件构型的比较研究

研究系统比较了三种蛋白质结构型：p⁺⁺-Si(SiO_x)/连接分子/蛋白质/Au^pad（Si-Au）、Au/连接分子/蛋白质/EGaIn^cone（Au-EGaIn）以及Au/连接分子/蛋白质/(Pd-Au)^MpD（微孔器件）。阻抗谱和直流测量结果表明，Si-Au和Au-EGaIn结因界面氧化物和静电蛋白质-电极相互作用而呈现显著R?_C，而MpD构型能有效消除接触电阻，使HSA和bR薄膜的本征电子传输特性得以准确测量。

系列电阻（R_S）的关键作用与测量可靠性

R_S作为评估接触电阻可靠性的关键参数，在高频条件下（≈1 MHz）总结电阻（R_T）可简化为R_S。研究发现MpD构型的R_S值最低（10^-5 Ω cm²量级），Au-EGaIn次之（10^-1 Ω cm²），Si-Au最高（10^-2 Ω cm²）。特别值得注意的是，Au-EGaIn结的阻抗推导R_S与直流测量值存在>10³的偏差，这被归因于EGaIn锥电极的机械不稳定性导致的接触面积波动。

蛋白质电阻（R_P）的长度依赖性及本征特性

R_P随蛋白质层厚度（d）呈指数变化，遵循R_P = R_ZLR·e^β·d规律。研究发现从Si-Au转换为MpD构型时，较薄（8和16 nm）蛋白质结的R_P降低数个数量级，证明R_P不仅取决于蛋白质层本征特性，还受到蛋白质-电极接触的显著影响。Nyquist图谱显示清晰的半圆形且无Warburg行为，证实了高真空条件下蛋白质结中纯电子传导的特性。

接触电阻的起源与影响因素

界面静电效应被确定为R?_C的主要来源。Si-Au结中≈1 nm硅氧化物层和Au-EGaIn结中≈1 nm镓氧化物层（电阻率比EGaIn高≈10⁸倍）是产生接触电阻的关键因素。有趣的是，MpD构型中≈0.5 nm胺末端分子连接层的存在并未显著改变R?_C。蛋白质表面静电学分析显示，HSA表面主要由极性和带电残基组成，空腔区域较少，而bR则具有不同的表面特性，这种界面电荷密度的差异导致HSA结的R?_C比bR高10³-10⁴倍。

分子结中的接触电阻比较与机理阐释

对比分析表明，烷基硫醇/金纳米线结的R?_C约为100，而碳/共轭分子/碳结的R?_C可忽略不计。电极材料本征电阻对R?_C影响较小，界面氧化物层、真实电接触面积、表面粗糙度接触性质以及表面电荷或偶极密度（超过≈10¹¹ cm^-2）等因素起主导作用。带电蛋白质和肽分子能中和或减少金属-分子界面偶极和静电效应，从而降低或消除接触电阻。

蛋白质结本征衰减常数（β）的准确测定

通过消除接触电阻，本研究首次准确测定了蛋白质的本征β值。HSA在MpD构型中的β值（≈1.1 nm^-1）比Si-Au构型高一个数量级，而bR的β值（≈0.7 nm^-1）受接触构型影响较小。值得注意的是，具有中等接触电阻的Au/bR/EGaIn结的β值与Au/bR/Pd MpD结非常接近，表明传输长度衰减参数（β）通常对中等接触电阻不敏感，只有在界面接触电阻特别高时才会显著影响β值。

研究意义与未来展望

本研究通过接触工程成功消除了蛋白质结中的接触电阻，揭示了蛋白质作为高效电荷传输介质的本征特性。MpD构型为准确评估生物分子电子传输特性提供了可靠平台，β值的准确测定为蛋白质基晶体管的设计提供了关键参数。未来研究应将这种无接触电阻方法与新兴生物电子学相结合，推动下一代蛋白质基晶体管、能量收集器和生物分子计算的发展。

实验方法与材料体系

研究采用人血清白蛋白（HSA）和细菌视紫红质（bR）两种模型蛋白质体系。HSA作为无辅因子球状蛋白质，具有结制备优势；bR作为视网膜发色团嵌入膜蛋白质，近期研究发现其在60 nm厚多层蛋白质样品中表现出异常的无活化电子传输。器件制备采用三种构型：Si-Au构型采用手动放置超薄金垫（≈2×10^-3 cm²）；Au-EGaIn构型使用微操作器精确定位新鲜制备的EGaIn锥体，形成大面积（≈10^-4-10^-3 cm²）顶电极；MpD构型采用光刻定义的底金电极（≈2×10^-7 cm²），通过顺序电子束蒸发Pd和Au形成顶电极。

结论与展望

本研究证明了接触/界面工程在准确评估蛋白质结本征电子传输中的关键作用。通过系统消除双探针构型中的接触电阻，发现界面静电、界面偶极和绝缘界面层是主导R?_C的主要因素，而非有效电接触面积。微孔器件构型能够有效隔离和保持蛋白质的固有电荷传输特性，且比Au-金纳米线接触方法具有更好的重现性。一致的距离依赖性电流衰减证明蛋白质可以作为强大的电荷传输介质，甚至超越超薄（有机）分子结。这项工作通过将基础电荷传输研究与实际应用联系起来，为可扩展、可调谐的蛋白质基生物电子学铺平了道路。