CN110073038A - 用于受控电化学表面改性的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在电极阵列上的功能表面处聚焦电荷密度(电压或电流)的方法，所述方法包括以下步骤：a.提供一种电极阵列，其包括：i.支撑衬底；ii.从支撑衬底的上表面突出的至少一个表面结构，其中表面结构包括电极层；iii.电极层上的功能表面，其中功能表面位于至少一个表面结构的上部，并且其中功能表面适于接触导电溶液中的活性物质；b.将表面结构暴露于含有活性物质的导电溶液中，其中放置对电极；以及c.在电极层上的功能表面和对电极之间建立电流或电压，使得电荷密度聚焦在电极层上的功能表面上。本发明还涉及可用于所述方法的电极阵列。

Description

用于受控电化学表面改性的装置和方法
技术领域
本发明涉及使用聚焦电荷密度(电压和/或电流)来控制电极表面上活性物质的位置或改性。更具体地，尽管不是排他地，本发明涉及在表面结构的尖端处附着或去除物质以实现电化学传感、催化、沉积或改性。
背景技术
活性物质(例如传感剂或催化剂)在电极上的定位在许多应用中是重要的。例如，传感器、燃料电池的催化剂以及氢气和氧气的生产或储存。
近年来，纳米材料和纳米技术引起了极大的兴趣，因为纳米尺度的有趣特性与其宏观尺度不同。这些材料所展示的不寻常的电子行为可以用于先进材料和器件小型化的新技术，并在医学诊断、环境分析、食品工业和生物化学研究中开辟了广泛的应用。
为了制备具有高灵敏度和准确度的传感器，通常需要在表面上共价静电或超分子地沉积活性物质，然后将表面暴露于靶分析物。为了传感目的，检测活性物质的定性或定量改性。活性物质可包括有机物质(例如DNA、抗体、生物标记物、适体)或无机物质(例如有机金属化合物、金属、无机盐)。然而，当使用机械制造方法时，在表面上实现活性物质沉积的能力通常是有限的。因此，已经开发了许多技术来实现沉积。
用于实现沉积的技术是应用自组装单层(SAM)，其包括末端反应性功能组。常见的反应性功能组包括氨基、羧基、乙炔基或叠氮基。SAM被组装在表面上，该表面本身可以沉积在基础衬底上。SAM通常组装在已经沉积在基础衬底(例如Si、玻璃或聚合物)上的导电表面上。
通过使衬底/电极表面与含有SAM组分的液体接触，或通过气相沉积，或通过Langmuir小块接触，以液体形式施加或沉积SAM。这些方法允许通过向液体中添加稀释剂来调节相邻功能组之间的平均距离。此外，导电表面可以用作电极，以提供电化学诱导SAM附着和功能化的选择。
用于将活性物质沉积到SAM功能化电极上的反应可以通过化学或电化学附着。化学固定通常通过SAM的反应性功能组(例如，用EDC/NHS活化COOH)或活性物质(例如或Cu(I)催化的叠氮化物炔烃环加成)的化学活化来实现。然而，化学活化不允许控制固定位置，而是导致整个SAM表面的覆盖。因此，活性物质的附着位置或密度没有选择性。
在其他电化学方法中，期望将功能组附着到那些功能组与溶液中的靶分析物相互作用并介导可检测的响应所在的表面。具有活性物质的电极表面的功能化可以通过溶液中活性物质上的功能组与电极表面上的化学相容的受体基团之间的化学反应来实现。然而，迄今为止还不能以高精度精确地控制功能基团在电极上的附着位置。
金属、有机金属配合物或其他离子物质的受控沉积在诸如催化、光子材料、微芯片反应器和生物传感器等领域中是重要的。目前，有各种方法用于金属沉积。然而，目前的方法在附着位置上缺乏选择性。
因此，本发明的一个目的是提供用于聚焦电荷密度(电压或电流)电化学表面改性、沉积、传感或催化的装置和方法，其克服或改善现有技术的至少一个缺点。本发明的另一个或替代目的是至少为公众提供有用的选择。
发明内容
在第一方面，本发明提供一种在电极阵列上的功能表面处聚焦电荷密度(电压或电流)的方法，所述方法包括以下步骤：
a.提供一种电极阵列，其包括：
i.支撑衬底；
ii.从支撑衬底的上表面突出的至少一个表面结构，其中表面结构包括电极层；
iii.电极层上的功能表面，其中功能表面位于至少一个表面结构的上部，并且其中功能表面适于接触导电溶液中的活性物质；
b.将表面结构暴露于其中放置对电极的导电溶液；以及
c.在电极层上的功能表面和对电极之间建立电流或电压，使得电荷密度聚焦在电极层上的功能表面上。
优选地，功能表面位于表面结构的顶点处或其周围。
优选地，功能表面位于表面结构的顶点处或周围，并且表面结构逐渐变细到顶点和/或沿着平行于支撑衬底的顶表面的平面具有基本上三角形的横截面。
优选地，功能表面位于表面结构的顶点处或其周围，并且其中每个表面结构的顶点的宽度在约1nm至约5000微米之间；约1nm至约500微米；约1nm至约50微米。
优选地，功能表面位于表面结构的顶点处或其周围，并且其中每个表面结构的顶点的宽度在约1nm至约50微米之间，并且其中表面结构在其与支撑衬底连结处的宽度为约20nm至约5000μm并且其中表面结构的顶点处的宽度小于其与支撑衬底连结处表面结构的宽度。
优选地，功能表面位于表面结构的顶点处或其周围，并且其中表面结构的顶点，顶点至顶点彼此分离约50nm至约1000μm。
优选地，表面结构是金字塔形、圆锥形、脊状或其组合。
优选地，对电极结构是平坦的、金字塔形的、圆锥形的或脊状的。
优选地，对电极的形状反映表面结构的形状。
优选地，对电极平行于表面结构。
优选地，活性物质在与功能表面接触后被电化学改性。
优选地，活性物质在与功能表面接触后被电化学改性，并且与相应的平坦电极相比，电化学改性的热力学效率和动力学效率与平坦电极相比得到改善。
优选地，功能表面包括能够电化学活化的催化剂。
优选地，功能表面包括催化剂，其中通过施加电流或电压来活化催化剂以产生活化的催化剂，并且与平坦表面上的相同材料相比催化转换率得到改善。
优选地，催化剂选自金属和有机金属材料。
优选地，金属材料选自Pt、Au和Ni。
优选地，有机金属材料选自二茂铁和卟啉，或菲咯啉、卟啉咪唑、三吡啶胺和三唑，与过渡金属(二茂铁已经包括过渡金属并且卟啉可可选地包括过渡金属)。
优选地，过渡金属选自Ru、Fe、Mn、Mg、Cu、Ir、Co、Pt、Pd、Au、Ag、Mg。
优选地，电极阵列包括结合层，其中结合层以比在电极阵列上的非功能表面上显著增加的密度存在于功能表面上；或者以比在表面结构上的功能表面上的位置处显著增加的密度存在于电极阵列的非功能表面上。
优选地，结合层包括自组装单层(SAM)。
优选地，阵列包括在表面结构的顶点处的催化剂和在表面结构之间的谷中的助催化剂，其中催化剂如上所述选择，并且助催化剂选自任何一种或多种金属(例如钌、镍、铝、钙、铈、镓、铪、铁、镧、镁、锶、钛、锆或锌)的氧化物。
优选地，与平坦电极相比，所述方法还实现了催化速率的提高(动力学效率-即催化发生的速度，并且主要与反应物和产物扩散到催化表面和从催化表面扩散离开的速度有关)。
优选地，所述方法实现了驱动金属和有机金属电催化剂的氧化还原催化反应所需的能量的降低(热力学效率-即驱动电催化反应所需的能量)。
优选地，与具有平坦表面的电极相比，所述方法实现了动力学和热力学效率的增加。
在另一方面，本发明提供一种在电极阵列上的功能表面处聚焦电荷密度(电压或电流)电荷密度(电压或电流)并电化学改性暴露于该阵列的导电溶液中的活性物质的方法，所述方法包括以下步骤：
a)提供一种电极阵列，其包括：
i)支撑衬底；
ii)从支撑衬底的上表面突出的至少一个表面结构，其中表面结构包括电极层；
iii)电极层上的功能表面，其中功能表面位于至少一个表面结构的上部，并且其中功能表面适于接触导电溶液中的活性物质；
b)将表面结构暴露于包括活性物质并在其中包括对电极的溶液中；以及
c)在电极层和对电极之间建立电流或电压，使得电荷密度聚焦在功能表面上，并且活性物质在与功能表面接触后被电化学改性。
本发明还提供一种聚焦电极阵列上的功能表面处的电荷密度(电压或电流)的方法，所述方法包括以下步骤：
a.提供一种电极阵列，其包括：
i.支撑衬底；
ii.从支撑衬底的上表面突出的至少一个表面结构以形成三维结构，其中表面结构包括电极层；
iii.电极层上的功能表面，其中功能表面位于至少一个表面结构的上部，并且其中功能表面适于接触导电溶液中的活性物质；
b.将表面结构暴露于包括活性物质并包括位于其中的对电极的溶液中；以及
c.在电极层和对电极之间建立电流或电压，使得电荷密度聚焦在功能表面上，并且活性物质在与功能表面接触后被电化学改性；以及
其中，功能表面和支撑材料的上表面由相同的材料形成，并且在使用中，电化学活性聚焦在功能表面处并且与支撑衬底的上表面不同。
本发明还提供一种在电极阵列上的功能表面处聚焦电荷密度(电压或电流)的方法，所述方法包括以下步骤：
a.提供一种电极阵列，其包括：
i.支撑衬底；
ii.从支撑衬底的上表面突出的至少一个表面结构以形成三维结构，其中表面结构包括电极层；
iii.电极层上的功能表面，其中功能表面位于至少一个表面结构的上部，并且其中功能表面适于接触导电溶液中的活性物质；
b.将表面结构暴露于包括活性物质并包括位于其中的对电极的溶液中；以及
c.在电极层和对电极之间建立电流或电压，使得电荷密度聚焦在功能表面上，并且活性物质在与功能表面接触后被电化学改性；以及
其中，功能表面和支撑材料的上表面由相同的材料形成，并且在使用中，电化学活性聚焦在功能表面处并且与支撑衬底的上表面不同。
优选地，功能表面位于表面结构的顶点处或其周围。
在第一方面的第一实施例中，活性物质包括催化剂，其中催化剂在与功能表面接触后通过电化学改性活化以产生活化的催化剂。
优选地，功能表面由催化材料形成，该催化材料通过电化学改性通过电极层和对电极之间的电流或电压活化。
优选地，催化剂能够还原或氧化以形成活化的催化剂。
优选地，催化剂包括氧化还原活性物质。
优选地，催化剂包括铜、过渡金属、有机金属配合物、包括过渡金属的有机金属配合物、能够被氧化或还原的有机材料。
优选地，催化剂的电化学活化包括在功能表面处氧化或还原催化剂。
优选地，催化剂包括两种或更多种氧化态。
优选地，催化剂在至少一种氧化态下是无活性的，并且催化另一种导电溶液中(即与含有活性物质的导电溶液不同)的溶质反应物或相同的导电溶液与至少另一种氧化态中的结合层之间的反应。
优选地，催化剂的电化学活化在功能表面上以显著更高的速率发生，而不是在电极层上的另一表面位置处发生活化。
在一个实施例中，所述方法还包括电化学活化溶液中的活性物质以产生活化催化剂的步骤。
优选地，活化的催化剂催化溶质反应物在另一种导电溶液(即与含有活性物质的导电溶液不同)中或相同的导电溶液与结合层的反应，并且所述方法还包括将溶质反应物附着到功能表面上的结合层的步骤。
优选地，活化的催化剂催化溶质反应物与结合层的反应，以在功能表面上产生附着的产物。
优选地，活性物质包括铜(II)，电化学活化的催化剂包括铜(I)。
优选地，通过氧化还原过程实现溶质反应物与功能化表面的附着的引发，并且可以包括例如四嗪和醌。
优选地，溶质反应物和结合层之间的反应是铜(I)催化的叠氮化物炔烃环加成反应。
优选地，溶液包括具有碱金属氯离子和铜2+离子的缓冲溶液。
优选地，溶质反应物包括具有功能组的化合物，所述功能组在活化的催化剂存在下与结合层上的功能组反应。
优选地，溶质反应物选自但不限于炔烃、咔嗪、醌、叠氮化物、烯烃、羧酸、酯、酮、醛、醇和胺。优选地，炔烃包括乙炔。
优选地，溶质反应物还包括检测部分，其适于在溶质反应物与结合层反应后附着到功能表面。
优选地，检测部分能够使用蛋白质检测、电化学检测、光学检测、比色检测、化学发光检测、荧光检测、生物发光、化学荧光或射线照相检测进行检测。
优选地，具有检测部分的溶质反应物包括荧光团、乙炔基功能化荧光团、蛋白质、有机催化剂、有机金属催化剂、抗体、核酸、DNA、RNA、小分子或功能组，例如选自由羧酸、胺、醇、酯、酮和醛构成的群组的检测部分。
优选地，结合层包括自组装单层。优选地，SAM用功能组功能化。优选地，功能组选自叠氮化物、羧酸、胺、醇、酯、酮、氰基和醛。
优选地，活性物质包括能够附着到结合层的溶质反应物。
优选地，结合层存在于以下中的至少一个上：
·功能表面；
·表面结构；
·钝化层；或者
·支撑衬底。
优选地，第一方面的第一实施例的方法还包括在以下至少一个上沉积SAM：
·功能表面；
·表面结构；
·钝化层；或者
·支撑衬底。
优选地，第一实施例的方法不包括在电极阵列上沉积SAM的步骤。
优选地，沉积SAM的步骤在与功能表面接触后电化学活化活性物质之前进行，以产生活化的催化剂。
优选地，沉积SAM的步骤在将溶质反应物附着到功能表面上的结合层之前进行。
在一个具体实施例中，结合层选自由叠氮化物、四嗪、醌、羧酸、胺、醇、酯、酮、氰基和醛构成的群组。
优选地，功能表面上的结合层在电极层和对电极之间的电流流动期间基本上是稳定的。
优选地，SAM包括C6至C16的碳链，更优选地，SAM包括C11至C16的碳链。优选地，碳链可以是C6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16中的任何一种或多种。
优选地，SAM可包括C6至C16的碳链的混合物，更优选C11至C16的碳链的混合物。
优选地，碳链是烷烃、烯烃、炔烃或芳香族结构及其混合物。
优选地，所附着的产品选自下组中的任何一种或多种构成的群组：
a.功能组，例如选自由羧酸、胺、醇、醛、生物素、抗生物素蛋白、叠氮化物和乙炔基构成的群组的功能组；
b.适合于与溶液中的靶分析物结合的结合剂，例如选自抗原，抗体，抗体片段，单链可变片段，生物素化蛋白质，肽，核酸，抗生物素蛋白，链霉抗生物素蛋白，NeutrAvidin，含有多组氨酸或谷胱甘肽S-转移酶的重组表达蛋白，炔基醌，叠氮化物，四嗪，大或小含胺分子，含巯基的分子或表达谷胱甘肽S-转移酶(GST)的蛋白质，金属和金属盐(例如铅、磷酸铅、铬、铂、钯、铱、铜)、ssDNA、ssRNA、miRNA、mRNA、适体和含有和不含间隔分子的小分子构成的群组的结合剂；
c.催化物质，其催化溶液中的反应，例如选自由铜、过渡金属、有机金属配合物、包括过渡金属的有机金属配合物或能够被氧化或还原的有机材料构成的群组的催化剂；以及
d.检测部分，例如选自有荧光团、乙炔基功能化荧光团、蛋白质、抗体、核酸、DNA、RNA、小分子或功能组构成的群组的检测部分，例如选自由羧酸、胺、醇、酯、酮和醛构成的群组的检测部分。
优选地，附着的产物选自三唑、酰胺、醌和酯，或其混合物。也可以使用本领域技术人员已知的替代方案。
在第一方面的第二实施例中，电极阵列包括覆盖功能表面和阵列的其他表面的至少一部分的结合层，其中在电极层和对电极之间建立电流的步骤导致与电极阵列上的其他位置相比，从功能表面选择性去除结合层。
优选地，第一方面的方法还包括与电极阵列上的其他位置相比，从功能表面选择性地去除至少部分结合层的步骤。
优选地，第一方面的方法还包括在已经过选择性去除第一结合层的功能表面上选择性沉积另外的结合层的步骤。
优选地，电极阵列包括在表面结构的下部上但不存在于表面结构的上部的结合层，并且所述方法还包括在功能表面上选择性沉积另外的结合层的步骤。
优选地，活性物质在带电荷物质或离子物质中溶剂化，例如选自由缓冲剂、盐物质和NaCl的物质构成的群组。
优选地，结合层包括自组装单层(SAM)。
优选地，第一方面中定义的电极阵列还包括自组装单层(SAM)。
优选地，SAM存在于电极层的上表面上。
优选地，SAM存在于支撑衬底的上表面上。
优选地，SAM存在于表面结构周围，使得表面结构或其一部分突出，其上具有暴露的功能表面。
优选地，SAM包括长链分子，所述长链分子包括C6至C24的碳链，所述碳链可以是烷烃、烯烃、炔烃或芳香族烃。优选地，C6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23或24或它们的混合物。
优选地，SAM包括包括C10或更小碳链的短链分子。优选地，C1、2、3、4、5、6、7、8、9或10或它们的混合物。
优选地，SAM是包括长链(上述C10-C24)和短链(如上所述的C1-C10)分子的混合SAM，其可以是烷烃、烯烃、炔烃或芳烃。
优选地，混合的SAM包括长链分子，其包括C6至C24的碳链(如上所述)和C5至C1的短链分子(如上所述)。
优选地，长链SAM包括选自由叠氮化物、胺、羧酸盐、醛、酮、酯或羧酸或其混合物构成的群组的分子。这些分子存在于SAM的骨架内。
优选地，短链SAM包括选自由烷烃、叠氮化物、胺、羟基、羧酸盐或羧酸或其混合物构成的群组的分子。这种分子存在于SAM的骨架内。
在一个具体实施例中，SAM包括长链分子的混合物，所述长链分子包括大于C6的羧酸分子和包括羟基分子的短链分子。在上述实施例中，SAM长链分子优选选自C6至C24分子。
优选地，SAM存在于电极阵列上，但不存在于如上定义的表面结构的上部。
优选地，SAM包括短链分子，所述短链分子包括C5或更小的碳链，并且其中表面结构的上部是以下中任一：a.无SAM，或b.其中SAM适于通过在电极层和对电极之间建立电流来去除。
优选地，SAM包括具有C6至C24碳链的长链SAM，并且其中表面结构的上部是以下中任一：a.无SAM，或b.包括SAM，其适于通过在电极层和对电极之间建立电流来去除。
在一个特定实施例中，电极阵列包括在表面结构的上部和下部上的SAM结合层，并且活性物质与功能表面的接触导致从聚焦电荷密度(电压或电流)的表面结构的上部选择性地去除SAM结合层。在该实施例中，所述方法还包括在功能表面上在电极层的现在暴露部分上选择性沉积另外的结合层的步骤。
优选地，SAM选自由烷烃硫醇与末端甲基、叠氮化物、硫醇、醛、氰基、重氮、胺、醇、硅烷、膦酸和羧酸构成的群组。
在特定实施例中，SAM包括：
R-(芳香族)n-SH、烷烃、烯烃、炔烃或芳香族。加上骨架(酰胺酯等)
R-(CH2)n-SH、R-(CH2)n-NH2，或
R-(CH2)n-Si(OR’)3
其中R＝烷基、羧酸、胺、醛、醇、叠氮化物、醌或四嗪；以及
R'＝Me、MeOH、Cl、(卤化物)、Et、EtOH；以及
其中n＝1至50。
优选地，SAM包括与溶质反应物反应的功能组。优选地，功能组是末端功能组。
优选地，第一方面的方法还包括与阵列上的其他位置相比在功能表面上选择性沉积结合层。
优选地，所述另外的结合层包括选自由SAM-COOH、SAM-C-NH 2、SAM-N3构成的群组的功能组，其中SAM包括自组装单层。
优选地，沉积另外的结合层的步骤包括将活性物质偶联到功能表面上的结合层。优选地，偶联包括1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)-碳二亚胺/N-羟基琥珀酰亚胺(EDC/NHS)偶联反应。
优选地，结合层还包括选自由抗原、抗体、抗体片段、单链可变片段、生物素化蛋白、肽、核酸、抗生物素蛋白、链霉抗生物素蛋白、NeutrAvidin、含有多组氨酸或谷胱甘肽S-转移酶的重组表达蛋白、炔属醌、叠氮化物、四嗪、大或小含胺分子、含巯基的分子或表达谷胱甘肽S-转移酶(GST)的蛋白质、金属和金属盐(例如铅、磷酸铅、铬、铂、钯、铱、铜)构成的群组的结合剂。
优选地，活性物质包括具有电化学还原或氧化潜力的实体。优选地，活性物质包括如上所述的结合剂或能够附着到结合层的功能组。优选地，功能组选自由COOH、NH2、叠氮化物、乙炔基、生物活性生物素、抗生物素蛋白、氰基、醛、酯、酮、醌和四嗪构成的群组。
优选地，结合剂能够结合溶液中的靶分析物。优选地，结合剂选自由核酸、ssDNA、ssRNA、miRNA、mRNA、适体、抗体、具有和不具有间隔分子的小分子构成的群组。
优选地，在第一方面的步骤a)中提供的电极阵列包括沉积在支撑衬底上并覆盖表面结构的上部的钝化层。
优选地，施加电流或电压以聚焦电荷密度(电压或电流)的步骤导致去除表面结构的上部上的功能表面上的钝化层。
优选地，通过在对电极和电极表面之间施加还原或氧化电势来去除钝化层。优选地，相对于银/氯化银参考电极，电势在-2V和+2V之间，并且优选为-200mV和-1V，并且优选为-400mV。
优选地，钝化层包括附着到电极表面的功能组。在一个实施例中，钝化层包括如本文所述和定义的结合层。在一个实施例中，钝化层包括SAM。优选地，SAM通过硫原子附着到电极表面。优选地，电极表面是金。优选地，SAM还包括功能组，例如烷基链，并且优选还包括与功能组上的胺偶联的羧酸。
优选地，钝化层是光致抗蚀剂或蛋白质。
优选地，电极阵列包括在表面结构之间的钝化层。优选地，钝化层选自由交联聚合物、光致抗蚀剂、自组装单层(SAM)、环氧基负性光致抗蚀剂和SU-8构成的群组。
在第一方面的第三实施例中，活性物质包括带电颗粒，其中带电颗粒在电化学改性后附着于功能表面。
优选地，带电颗粒包括金属离子。优选地，金属离子包括离子形式的铂、金、钯、铁、铱、银、铜、合金或过渡金属。
优选地，离子形式是金属离子的氧化形式。
优选地，离子形式选自CrX+、Cu2+、Cu+、Ag+、Pt2+、Pd2+、Fe2+、Ir2+和过渡金属离子，例如Ru、Sc、Ti、Vn、Cr、Mn、Co、Zn、Au、Tg、Yt、Mb。
优选地，带电颗粒包括用于生物传感器的结合剂。优选地，结合剂选自由抗原、适体、抗体、抗体片段、单链可变片段、生物素化蛋白质、肽、核酸(DNA、RNA、miRNA)、抗生物素蛋白、链霉抗生物素蛋白、NeutrAvidin、含有多组氨酸或谷胱甘肽S-转移酶的重组表达的蛋白质、大或小含胺分子、含巯基的分子或表达谷胱甘肽S-转移酶(GST)的蛋白质、金属和金属盐(例如铅、磷酸铅、铬、铂、钯、铱、铜)构成的群组。
优选地，附着在功能表面上的带电颗粒的密度大于附着在电极层的其他暴露表面上的带电颗粒的密度。
优选地，第一方面的任何实施例的功能表面位于电极层的上表面上。
优选地，第一方面的任何实施例的功能表面位于从支撑衬底或钝化层突出的表面结构上的电极层的上表面上。
优选地，第一方面的任何实施例的功能表面位于表面结构的上部。
优选地，第一方面的任何实施例的功能表面是非平面的。
优选地，第一方面的任何实施例的表面结构包括由钝化层的范围限定的功能表面。
优选地，第一方面的任何实施例的功能表面通过钝化层或支撑衬底与其他表面结构上的其他功能表面分离。
优选地，在一个电极层上的第一方面的任何实施例的功能表面电连接到同一电极层上的至少一个另外的功能表面。优选地，与至少一个另外的功能表面的电连接位于钝化层下方。
优选地，第一方面的任何实施例的电极阵列包括多个表面结构，每个表面结构在电极层上具有功能表面。
优选地，多个功能表面经由电极层电连接以形成功能组。在一个实施例中，阵列包括两个或更多个功能组，其中每个功能组与其他功能组电隔离。
优选地，第一方面的任何实施例的功能表面包括保护涂层。
优选地，保护涂层包括SAM、光致抗蚀剂或蛋白质。
优选地，第一方面的任何实施例的功能表面的范围由电荷密度(电压或电流)大于在电极层的平坦表面上测量的电荷密度(电压或电流)限定。
优选地，与平坦表面相比，功能表面上的电荷密度(电压或电流)至少为2、3、4、5、10、20、50、100或1000倍。
优选地，第一方面的任何实施例的表面结构突出穿过钝化层。
优选地，第一方面的任何实施例的表面结构包括位于表面结构顶部的顶点。
优选地，顶点位于表面结构上，该表面结构具有带有轮廓表面的上部和带有不同轮廓表面的至少一个下部。在一些实施例中，其表面结构或其上部是圆顶形、锥形、金字塔形、乳头形、脊状或多面体形。
优选地，第一方面的任何实施例的表面结构包括具有凸起上表面的上部。
优选地，上部的表面逐渐变细到顶点或倒圆到顶点。
优选地，第一方面的任何实施例的表面结构沿着与支撑衬底的顶表面正交的平面具有三角形、凸形、半圆形或乳头形的横截面。
优选地，第一方面的任何实施例的表面结构沿着平行于支撑衬底的顶表面的平面具有基本上三角形、基本圆形或基本上正方形的横截面。
优选地，第一方面的任何实施例的表面结构的横截面面积沿着与支撑衬底的顶表面正交的轴线减小。
优选地，第一方面的任何实施例的表面结构均匀地布置在支撑衬底上。优选地，表面结构随机地布置在支撑衬底上。
优选地，第一方面的任何实施例的表面结构具有至少一条对称线。
优选地，第一方面的任何实施例的表面结构彼此均匀分离约5nm至约2000μm。更优选地，约15nm至约1500μm；约35nm至约1000μm；约55nm至约750μm；约100nm至约1000μm；约250nm至约1500μm；约5nm至约1500μm；约5nm至约1000μm；约5nm至约750μm；约15nm至约2000μm；约35nm至约2000μm；约55nm至约2000μm。
优选地，第一方面的任何实施例的表面结构在与支撑衬底连结处宽度为约20nm至约5000μm之间。更优选地，约40nm至约4000μm；约55nm至约3000μm；约75nm至约2500μm；约100nm至约4000μm；约250nm至约3500μm；约20nm至约3500μm；约2nm至约4000μm；约20nm至约2500μm；约20nm至约4000μm；约20nm至约3000μm；约20nm至约2000μm。
优选地，第一方面的任何实施例的每个表面结构的顶点位于每个表面结构的上部的顶部。
优选地，第一方面的任何实施例的表面结构的上部包括尖端或点，或者是凸形的、乳头状的、锥形的、圆锥形的、半球形的或多面体的。
优选地，第一方面的任何实施例的表面结构包括具有顶点的脊，该顶点沿着大致平行于支撑衬底的顶表面的轴线延伸。
优选地，每个表面结构的顶点的宽度在约1nm至约5000微米之间，更优选在约10nm至约10微米之间，或约20nm至约2微米，或约30nm至约1微米。每个表面结构的顶点的宽度小于它与支撑衬底连结处。
优选地，脊沿着与支撑衬底的顶表面正交的平面具有凸形、乳头形、锥形、三角形或多边形的横截面。
优选地，第一方面的任何实施例的支撑衬底包括聚合物、硅或玻璃。
优选地，第一方面的任何实施例的支撑衬底包括单层或多层。
优选地，第一方面的任何实施例的支撑衬底是非导电的聚合物、玻璃二氧化硅。
优选地，第一方面的任何实施例的支撑衬底是导电的。优选地，导电材料是掺杂的Si、金属、导电聚合物。优选地，金属是Ni、Cu、Al。
优选地，第一方面的任何实施例的至少一个表面结构与支撑衬底是一体的。
优选地，第一方面的任何实施例的支撑衬底具有约50μm至5mm的厚度。优选地，支撑衬底的厚度在约1mm和2mm之间；约85μm和约2毫米；约85μm和约1毫米；约1毫米和约4毫米；约1毫米和约3毫米；约85μm和约2毫米。
优选地，第一方面的任何实施例的电极层沉积在支撑衬底的上表面上。
优选地，第一方面的任何实施例的电极层沉积在表面结构的上表面上。
优选地，第一方面的任何实施例的电极层沉积在表面结构和支撑衬底上。
优选地，第一方面的任何实施例的电极层包括基本恒定厚度的层。
优选地，第一方面的任何实施例的电极层的厚度为约1nm至5μm，更优选约20nm至500nm或约50nm至100nm；约50nm和500nm；约50nm和300nm；约1nm和约3μm；约3nm和约5μm；约2nm和约4μm。
优选地，在两个或更多个表面结构的上表面上的第一方面的任何实施例的电极层在阵列内电连接。
优选地，第一方面的任何实施例的电极层选自金属、碳质材料、碳纳米管、石墨烯、金、银、铂、合金、导电油墨、负载聚合物、二氧化钛、氟化物掺杂的氧化锡(FTO)、氧化铟(ITO)或掺杂的硅构成的群组。
优选地，第一方面的任何实施例的电极阵列包括在支撑衬底上的钝化层和表面结构的下部。优选地，钝化层不存在于表面结构的上部。
优选地，第一方面的任何实施例的支撑结构突出穿过钝化层，使得功能表面暴露在钝化层上方。
优选地，第一方面的任何实施例的钝化层沉积在支撑衬底和表面结构的下部上，使得钝化层不存在于包括功能表面的表面结构的上部。
优选地，第一方面的任何实施例的功能表面的范围通过在支撑衬底上沉积钝化层和表面结构的下部来限定，使得钝化层不存在于功能表面中。
优选地，第一方面的任何实施例的钝化层包括非导电层。
优选地，第一方面的任何实施例的钝化层包括交联聚合物、光致抗蚀剂或自组装单层(SAM)。优选地，交联聚合物是环氧基负性光致抗蚀剂，例如SU-8。
优选地，第一方面的任何实施例的溶液包括电解质。优选地，介质是水，但也可以是有机溶剂，例如醇、醚、丙酮和DMSO。优选地，电解质包括生物学中使用的标准缓冲液，包括非缓冲盐溶液，例如NaCl，或酸和碱溶液H2SO4、HNO3、NaOH。
优选地，第一方面的任何实施例的溶液选自由淡水、海水、血液、尿液、乳汁或唾液构成的群组。
在一个实施例中，第一方面的任何实施例的溶液还包括参考电极。
优选地，溶液包括具有碱金属氯离子和铜2+离子的缓冲溶液。
当电极阵列位于第一方面的任何实施例的溶液中时，存在于包括活性物质的溶液中的对电极优选包括惰性导电材料。优选地，对电极由选自由金属、Pt、金、镍、铜、铁、碳、石墨、石墨烯、碳纤维、碳纳米管、Bucky球、导电聚合物PPy、PA、聚乙炔、不锈钢构成的群组的材料形成。对电极可以由固体层或沉积在合适的支撑物上的导电层制成，例如，聚合物玻璃、金属。
优选地，对电极是裸金属(例如Au、Pt、不锈钢和/或铜)，或镀Au或Pt的衬底(例如金属、聚合物和/或玻璃)。
优选地，对电极具有3D表面特征，其被配置为促进3D工作电极上的电荷密度(电压或电流)的定位。例如，对电极可包括一系列尖端，其反射工作电极的尖端。
优选地，第一方面的任何实施例的对电极相对于表面结构处于固定方位。
优选地，第一方面的任何实施例的对电极与电极阵列电化学结合。
优选地，对电极保持在使阵列的每个表面结构之间的距离差异最小化的方位上。优选地，对电极的方位在阵列的上表面上方。因此，如第一方面所述，包括活性物质和对电极的溶液简单地具有存在于该溶液中的对电极，这是本领域技术人员清楚的。因此，替代版本的第一个方面是：
本发明提供一种在电极阵列上的功能表面处聚焦电荷密度(电压或电流)的方法，所述方法包括以下步骤：
a)提供一种电极阵列，其包括：
i)支撑衬底；
ii)从支撑衬底的上表面突出的至少一个表面结构，其中表面结构包括电极层；
iii)电极层上的功能表面，其中功能表面位于至少一个表面结构的上部，并且其中功能表面适于接触溶液中的活性物质；
b)将表面结构暴露于包括活性物质并包括对电极的溶液中；以及
c)在电极层和对电极之间建立电流或电压，使得电荷密度聚焦在功能表面上，并且活性物质在与功能表面接触后被电化学改性。
优选地，电极阵列还包括与溶液接触的参考电极。
优选地，参考电极包括由Ag/AgCl、NHE(标准氢电极、甘汞、Pt、Au、不锈钢)形成的电极。
优选地，在电极层处测量的在电极层和对电极之间建立的第一方面的任何实施例的电流是氧化或还原电流。
优选地，相对于银/氯化银参考电极，在对电极和电极层之间建立的电势差在约-2V和+2V之间，在约-200mV和-1V之间，或者约-400mV，0和-1mV之间。
优选地，第一方面的任何实施例的电流在活化电势和失活电势之间脉冲。
优选地，活化电势包括介于约0mV至-2V之间的还原电势，更优选约-400mV至-600mV。优选地，失活电势包括介于约0mV和2V之间的氧化电势，更优选约200mV至500mV。在替代实施例中，失活电势是开路或“关闭”。
优选地，第一方面的任何实施例的活性物质的电化学改性导致可检测响应的引发。优选地，可检测响应包括电流、电压、电容、电阻、电导、阻抗、磁通量或电场的变化。
优选地，在测量电极处测量可检测响应。优选地，测量电极连接到测量装置，该测量装置测量电流、阻抗、电压、电容、电阻、电导、磁通量或电场中的一个或多个的变化。
在使用中，阵列包括电连接到一个或多个功能表面或组的测量电极。优选地，测量电极连接到测量装置，该测量装置测量电流、阻抗、电压、电容、电阻、电导、磁通量或电场中的一个或多个的变化。合适的测量装置对于本领域技术人员来说是已知的，然而，举例来说，测量仪器包括Ivium Compactstat，Pine恒温器或Palmsens MultiEmStat。在一些实施例中，测量电极用于用保护涂层或惰性层保护或去保护功能表面。
在第二方面，本发明提供一种电极阵列，其包括：
a)支撑衬底；
b)从支撑衬底的上表面突出的至少一个表面结构，其中表面结构包括电极层；
c)电极层上的功能表面，其中功能表面位于至少一个表面结构的上部，并且其中功能表面适于接触溶液中的活性物质；
d)结合层，其中结合层是以下中任一：
i)以比电极阵列上的非功能表面显著增加的密度存在于功能表面上；或者
ii)以比在表面结构上的功能表面上的位置显著增加的密度存在于电极阵列的非功能表面上，
其中功能表面位于表面结构的顶点处或其周围。
优选地，功能表面包括由电荷密度(电压或电流)限定的电极层的一部分，其是在电极层的平坦表面上在等效条件下测量的电荷密度(电压或电流)的至少两倍。在与电极层接触的溶液中，在电极层和对电极之间建立电流。
优选地，结合层包括自组装单层(SAM)，或如第一方面中所定义的带电颗粒。
优选地，第二方面的电极阵列的特征如关于第一方面中定义的电极阵列所述。
优选地，非功能表面包括电极层的平坦表面。
优选地，非功能表面包括其上电荷密度(电压或电流)比功能表面上的电荷密度(电压或电流)小至少两倍的表面。
在阅读以下描述后，本领域技术人员将明白应该在其所有新颖方面考虑的本发明的其他方面，该描述提供了本发明的实际应用的至少一个示例。
附图说明
现在将仅通过示例的方式参考附图描述本发明的实施例，附图中：
图1示出通过具有三角形横截面的表面结构时的电流密度的计算机模型。结构顶点处的较暗颜色表示较高的电流密度分布。相同的数字以颜色(A)和黑色和白色(B)示出。
图2示出当通过具有半圆形横截面的表面结构时的电流密度的计算机模型。结构顶点处的较暗颜色表示较高的电流密度分布。相同的数字以颜色(A)和黑色和白色(B)示出。
图3示出对平坦传感表面与尖端传感表面阵列观察到的电荷密度(电压或电流)范围之间的比较。
图4示出根据本发明的具有三角形横截面的电极阵列的横截面图。
图5示出本发明的一个实施例，其中活性物质包括催化剂，其中催化剂在与功能表面接触后通过电化学改性活化以产生活化的催化剂。
图6示出与乙炔基荧光团(A)的Cu(I)催化的叠氮化物炔烃环加成反应。
图7A示出没有施加电势的阵列的负荧光图像，并且图7B示出具有应用于活化铜催化剂的还原电势的阵列的负荧光图像。
图8示出附着在(A)金字塔形表面结构和(B)平坦表面的电极层上的SAM的解吸曲线。
图9和10示出SEM图像，其示出在一组表面结构的顶点处的Pt沉积。
图11示出典型“平坦”表面的AFM分析，其示出在紧密堆积的形式中～<100nm的粒度。
图12示出与图11相关联的图，示出形貌和颗粒的相对高度。
图13示出聚合物中约100nm尖端阵列的SEM图像。
图14-16示出典型的平坦与纳米结构电极的活性的比较，用于通过Au电极和Pt电极的氢产生和氧还原，使用3D表面来控制颗粒之间的距离和位置。
图17示出表1中纯镍结构表面的SEM。
图18示出改变电化学“点击”反应的脉冲频率对二茂铁表面覆盖率的影响(三角形高频、圆形中频和方形低频)。
图19示出在不同频率的顶点处表面功能化程度的控制的图示。
图20示出固定化二茂铁在金字塔形电极上的循环伏安法。
图21示出固定的二茂铁在平板电极上的循环伏安法。
图22示出在SAM涂覆金字塔(实线)和平坦(虚线)上不存在二茂铁时的抗坏血酸氧化。
图23示出固定在金字塔(实线)和平坦(虚线)上的二茂铁的抗坏血酸(1mM)氧化。
图24示出固定在金字塔(实线)和平坦(虚线)上的二茂铁的抗坏血酸(100mM)氧化。
具体实施方式
定义
“附着”或“结合”是指共价结合、静电结合或物质以某种方式结合到载体上的一些其他结合模式。附着可以是直接的或通过其他物质。
“锥形”意味着从较宽的表面结构移动到较窄的表面结构。
“平滑”意味着表面角度变化率基本上没有变化。
“沉积”是指在表面上形成，并且可以指任何形式的成形、分层或生产。在一个实施例中，通过溅射、电子束或热蒸发实现沉积。优选地，沉积层对其沉积的层具有一定程度的粘附性。这种粘附性可以是共价的、静电的或包括范德华力。
相对于电极层的“基本恒定的厚度”是指电极层在其支撑衬底或结合层的覆盖范围内不会显著变化。对传感器功能基本没有影响的层厚度的无意变化旨在并入术语基本恒定的厚度。
除非上下文另有明确要求，否则“包含”、“包含着”等等在包含性意义上被解释为与排他性或穷举性意义相反，也就是说，在“包括，但不限于”的意义上。
本文提到的术语“表面结构”和“功能表面”旨在表示单个或多个结构/表面。
表面结构的“宽度”通过表面结构的横截面区域上的最大距离来测量，其中横截面是沿着基本平行于支撑衬底的上表面的平面截取的。在涉及宽度的情况下，还描述了在平行平面出现的表面结构上的点(例如，在支撑衬底和表面结构之间的接合处)。
“催化剂”是指增加化学反应速率的物质。
与活性物质有关的“电化学改性的”是指活性物质经历还原或氧化，即电子的获得或损失。
“溶质反应物”是指在溶液中发现的反应物，其参与由催化剂活性物质催化的反应。溶质反应物优选在另一种导电溶液中(即与含有活性物质的导电溶液不同)或可以在相同的溶液中并且一旦与活性物质反应就用于与传感器待检测的靶分子结合/反应。(参见下面的“附着产物”)。
“结合层”包括附着于电极阵列表面的分子层。结合层可以由交联聚合物、光致抗蚀剂或自组装单层(SAM)形成。优选地，交联聚合物是环氧基负性光致抗蚀剂，例如SU-8。可以通过本领域技术人员已知的方法将结合层沉积在电极阵列的表面上，例如通过旋涂、喷涂、浸涂、擦拭或涂漆。在替代实施例中，优选根据本文所述的方法，通过电化学改性结合层(即活性物质)的前体，将结合层附着于电极阵列的表面。
“附着产物”是溶质反应物和结合层之间反应的产物，其中催化剂催化所述反应。换句话说，它是在结合发生时形成的结合/存留物。
“检测部分”包括能够(直接或通过另一个功能组)附着到结合层的组分，并且能够使用本领域技术人员已知的检测技术进行检测。例如，这些技术选自由蛋白质检测、比色检测、电化学、化学发光检测、荧光检测、生物发光、化学荧光或射线照相检测构成的群组。在使用检测部分的情况下，可以通过本领域技术人员已知的标准方法检测它们，例如可以进行荧光、光学或比色测量。
与电流或电压相关的“聚焦”意味着与表面上的另一位置相比，电荷密度(电压或电流)在表面上的聚焦位置更强。表面上的电荷密度(电压或电流)可以根据本领域技术人员已知的方法测量。然而，在一个实施例中，通过建模，然后在表面上定向附着荧光团或铂沉积来测量电荷密度(电压或电流)。
“对电极”对电极可以是促进电流从电极层流过溶液的任何导电实体。在一个实施例中，对电极包括保持在溶液内的导线或其他形式的电极结构。优选地，对电极由选自由金属、Pt、金、镍、铜、铁、碳、石墨、石墨烯、碳纤维、碳纳米管、Bucky球、导电聚合物PPy、PA、聚乙炔、不锈钢构成的群组的材料形成。对电极可以由固体层或沉积在合适的支撑物上的导电层制成，例如，聚合物玻璃、金属。对电极也可以是裸金属(Au、Pt、不锈钢、铜)或镀Au或Pt的衬底(金属、聚合物或玻璃)，并且可以具有3D表面特征，其以这样的方式配置以促进3D工作电极上的电荷密度(电压或电流)的位置。例如，它可以是反映工作电极尖端的一系列尖端。
“活化的”或“活化”是指将活性物质从非活性形式转化为活性形式。因此，“电化学活化”是指通过在电极上施加电流来氧化或还原活性物质，从而将活性物质转化为反应形式。
“活化电势”是指引发偶联/附着/改性反应所需的电压(在+2V和-2V之间的典型范围内的氧化或还原)。通常，点击的还原活化电势为-500mV至-100mV。
“失活电势”是指停止偶联/附着/改性反应所需的电压。
“活性物质”是指溶液中存在的具有电化学改性潜力的实体。在一个实施例中，活性物质是催化剂或催化剂前体。在另一个实施例中，活性物质是结合层的组分。在另一个实施例中，活性物质是能够附着到功能表面的带电颗粒。在另一个实施例中，活性物质是能够检测溶液中的靶分析物的结合剂。
“氧化”是指涉及电子损失的化学反应。因此，“氧化”意味着促进化学反应中的电子损失。
“还原”是指涉及获得电子的化学反应。因此，“还原”意味着促进化学反应中的电子获得。
“脉冲的”或“脉冲”是指将电压或电流从活化电势调制到失活电势。脉冲可以是规则的或间歇的。
“自组装单层(SAM)”是指包括与以功能组终止的尾基链接的头基的分子组装。
关于从功能表面去除实体的“选择性去除”意味着当与阵列上未聚焦电流的另一表面相比时，去除被增强。例如，与那些其他表面相比，SAM的去除将以更快的速率发生，或者将去除更大的实体浓度。该措辞并不意味着去除完成或去除不会在较小程度上发生在其他表面上。
关于实体在功能表面上的沉积的“选择性沉积”意味着与阵列上的电流未聚焦的另一表面相比，沉积得到增强。例如，与那些其他表面相比，SAM的沉积将以更快的速率发生，或者将沉积更大的实体浓度或密度。该措辞并不排除在其他表面上以较小程度发生沉积的可能性。
“功能”是指能够附着到具有功能的表面的任何特征。例如，结合层、结合剂、活性物质、检测部分、带电颗粒和附着产物都是功能性的。
“溶剂化”(或溶剂化的)是溶质与溶剂的相互作用，其导致溶液中溶质物质的稳定化。
描述
涉及表面改性和功能化的应用缺乏定位功能组、结合层或离子物质的选择。迄今为止缺乏选择意味着传感器和催化阵列的灵敏度和选择性受到限制。发明人已经发现，当电流或电压通过暴露于电解质溶液的电极阵列时，电荷密度(电压或电流)可以朝向表面结构的顶部聚焦。他们已经提出了这一概念以开发具有功能表面的电极阵列，该功能表面可以通过在每个表面结构的顶点处或周围沉积或去除结合层、结合剂、活性物质或其他功能而选择性地功能化。
图1和图2示出从平坦基部上的表面结构传递到溶液中的电流的计算机模型(COMSOL)。这表明电荷密度(电压或电流在结构的顶点处或周围最高。建模还表明纵横比(清晰度)和结构的形状影响电荷密度(电压或电流)的分布。发明人已经发现，溶液中的活性物质可以通过与功能表面接触而被电化学改性，在该功能表面处聚焦电荷密度(电压或电流)以使得能够精确定位和沉积功能组、结合层、离子物质或其他功能。发明人还表明，在表面处聚焦电荷密度(电压或电流)的相同效果可用于从表面选择性地去除功能组、结合层、离子物质或其他功能。而表面特征顶点处的尖点越尖锐，但沉积越精确(因为电荷密度更集中在尖端，如果需要，也可以使用更圆的选择。)
本发明涉及三维用于催化和传感的应用。功能/结果包括：
·动力学增强，即催化速率和捕获剂结合速率的显著增加。当观察本文的结果时，该动力学效应对于本领域的任何人都是显而易见的(参见示例6和8以及下表)。
·热力学增强，即驱动金属和有机金属电催化剂的氧化还原催化反应所需的能量显著降低。实现的增强按照示例6和8以及下表中所示的顺序进行。
金属催化剂
有机金属催化剂(仅金字塔与平坦的比较)
本发明基于以下非限制性概念中的一个或多个：
1.使用位于结构顶点(尖端或线)的电压或电流密度分布在表面上的预定位置处使用氧化还原过程的选择性功能化。
·尖端越尖锐，功能化越集中。
·频率越高，功能化越集中。(例如见示例7)
示例包括：
·使用氧化还原介导的反应进行选择性附着
·选择性金属沉积
·自组装单层的选择性解吸(可应用于基质蛋白的非特异性结合)
2.通过降低热力学能量成本和增加动力学转换来增强电催化过程。
本发明特别适用于生物传感器、电化学传感、光学传感、电催化或材料的选择性沉积领域。其他应用还可以包括显示器、标志、活性表面和需要将功能附着到表面上的其他应用。
图3示出相对于Ag/AgCl参考电极，磷酸盐缓冲液中亚铁氰化物(0.1mol)的平坦(A)和尖端(B)电极的单独(A和B)和重叠(C)循环伏安图。所示的循环伏安法迹线考虑了电极的相对面积并且证明了信号的显著增加，因此对于7μm尖端的阵列与平坦电极获得的信噪比。插图A示出约2μAcm2的响应范围。相比之下，插图B示出对于相同的表面积，在16000μAcm2处的响应范围接近8000倍。由于朝向尖端的球形扩散而不是平坦电极所见的平面扩散，在微电极中发生这种效应。
表面结构的上部的选择性功能化使得能够在相同的电极表面上产生具有多种附着功能的电极阵列。例如，具有位置不同功能的电极表面可以通过在表面结构的顶点处或周围电化学沉积功能性A和结合到电极表面的其余部分(在表面结构的功能表面之间的表面上)的不同功能性B来制备。
本发明有许多应用，包括：
·数字传感(用于光学传感的高分辨率像素化)；
·由于电极阵列的高表面积而检测产生的分析物；
·大规模生产用于传感应用的高纵横比导电聚合物林/草；以及
·催化。
·光伏
因此，本发明提供了一种聚焦电极阵列上的功能表面处的电荷密度(电压或电流)的方法，所述方法包括以下步骤：
a.提供一种电极阵列，其包括：
i.支撑衬底；
ii.从支撑衬底的上表面突出的至少一个表面结构，其中表面结构包括电极层；
iii.电极层上的功能表面，其中功能表面位于至少一个表面结构的上部，并且其中功能表面适于接触溶液中的活性物质；
b.将表面结构暴露于含有活性物质的导电溶液中，其中放置对电极；以及
c.在电极层上的功能表面和对电极之间建立电流或电压，使得电荷密度聚焦在电极层上的功能表面上。
优选地，功能表面位于阵列的表面结构的顶点处或其周围。
在更优选的形式中，功能表面位于表面结构的顶点处或周围，并且顶点逐渐变细到顶点和/或沿着平行于支撑衬底的顶表面的平面具有基本上三角形的横截面。
还优选功能表面位于表面结构的顶点处或其周围，并且其中每个表面结构的顶点的宽度在约1nm至约5000微米之间。本文描述了其他使用选项，但对于熟练的读者而言是清楚的。
还优选的是，功能表面位于表面结构的顶点处或其周围，并且其中表面结构与支撑衬底连接的宽度在约20nm至约5000μm之间(本文描述了其他使用选择但是这对于熟练的读者来说是清楚的)，并且其中表面结构的顶点处的宽度小于其与支撑衬底连结处表面结构的宽度。
还优选的是，功能表面位于表面结构的顶点处或周围，并且其中表面结构的顶点顶点至顶点彼此分离约50nm至约1000μm(此处描述了使用的其他选项但是对熟练的读者来说是显而易见的)。
虽然表面结构可以是如本文所述的任何形式，但优选它们是金字塔形、圆锥形、脊状或其组合，并且还优选对电极结构也是平坦的、金字塔形的、圆锥形的或脊状的。
在优选形式中，对电极的形状反映表面结构的形状，并且在更优选的形式中，对电极平行于表面结构。
功能表面优选包括能够电化学活化的催化剂。
在优选形式中，功能表面由催化材料(例如Pt、Au、Ni)形成，其通过电化学改性通过电极层和对电极之间的电流或电压活化。
当功能表面包括催化剂(包括其由催化材料形成时)时，优选通过施加电流或电压来活化催化剂以产生活化的催化剂并且与平坦表面上的相同材料相比，催化转换率(热力学和动力学)得到改善。
催化剂优选选自金属和有机金属材料，金属材料优选选自Pt、Au和Ni中的一种或多种，有机金属材料选自二茂铁、卟啉、菲咯啉、卟啉、咪唑、三吡啶胺及三唑中的一种或多种，带有过渡金属。优选地，过渡金属选自Ru、Fe、Mn、Mg、Cu、Ir、Co、Pt、Pd、Au、Ag、Mg中的任何一种或多种。(二茂铁已经包括过渡金属并且卟啉可以可选地包括过渡金属)。
还优选活性物质在与功能表面接触后进行电化学改性。优选地，活性物质在与功能表面接触后进行电化学改性，并且与相应的平坦电极相比，电化学改性的热力学效率和动力学效率得到改善。
本发明的电极阵列还优选包括结合层，该结合层以比电极阵列上的非功能表面上显著增加的密度存在于功能表面上；或者以比在表面结构上的功能表面上的位置处显著增加的密度存在于电极阵列的非功能表面上。
结合层优选包括自组装单层(SAM)，如本文更深入描述的。
在另一个优选的选择中，阵列包括在表面结构的顶点处的催化剂和在表面结构之间的谷中的助催化剂，其中催化剂如上所述进行选择，并且助催化剂选自任何一种或者多种金属(例如钌、镍、铝、钙、铈、镓、铪、铁、镧、镁、锶、钛、锆或锌)的氧化物。
与平坦电极相比，所述方法还实现了催化速率的提高(动力学效率-即催化发生的速度，并且主要与反应物和产物扩散到催化表面和远离催化表面的速度有关。)。所述方法还实现了驱动金属和有机金属电催化剂的氧化还原催化反应所需能量的降低(热力学效率-即驱动电催化反应所需的能量)
优选地，与具有平坦表面的电极相比，所述方法实现了动力学和热力学效率的增加。
在另一方面，本发明提供一种聚焦电极阵列上的功能表面处的电荷密度(电压或电流)的方法，所述方法包括以下步骤：
a)提供一种电极阵列，其包括：
i)支撑衬底；
ii)从支撑衬底的上表面突出的至少一个表面结构，其中表面结构包括电极层；
iii)电极层上的功能表面，其中功能表面位于至少一个表面结构的上部，并且其中功能表面适于接触溶液中的活性物质；
b)将表面结构暴露于包括活性物质和位于其中的对电极两者的溶液中；以及
c)在电极层和对电极之间建立电流或电压，使得电荷密度聚焦在功能表面上，并且活性物质在与功能表面接触后被电化学改性。
优选地，功能表面位于表面结构的顶点处或其周围。本领域技术人员将理解，当以非常高的放大率观察时，具有顶点的表面结构可能基本上是平坦的。因此，本文提供的形状和测量旨在表示表面结构的整体形状，而不是精确的几何描述。
在这方面，电荷密度(电压或电流)聚焦在表面结构的上部-称为功能表面。发明人已经表明，当用适当形状的表面结构实施时，这种效果可用于使表面结构的上部接触溶液的地方选择性地功能化或去功能化。
在第一实施例中，活性物质包括催化剂，其中催化剂在与功能表面接触后通过电化学改性活化以产生活化的催化剂。图4示出本发明的一个实施例，其中电极阵列400包括支撑衬底410、表面结构415和电极层420。电极层覆盖有结合层430，在其上附着有末端功能组440。在另一个实施例中，功能表面由催化材料(例如Pt、Au、Ni)形成，其通过电化学改性经由电极层和对电极之间的电流或电压活化。
图4的电极阵列在图5A中示出，浸没在含有活性物质(未示出)、若干溶质反应物颗粒510和对电极520的电解质溶液500中。当在电极层420和对电极之间建立电流时(参见图5B)，活性物质-溶液中的催化剂-被活化并催化溶质反应物与结合层上的功能组R在表面结构的顶点处或周围的活性区域中的反应。溶质反应物可以与活性物质处于相同或不同的导电溶液中。通过电极层上的功能表面与对电极的定位的相互作用产生活化区。这是可能的，因为功能表面顶部的电荷密度聚焦，如前所述(见图1和2)。图5C示出选择性功能化的表面结构，其功能位于表面结构的顶点处或周围。
对于本领域技术人员清楚的是，本发明的描述涉及包括活性物质和对电极的溶液，这是指其中具有对电极位置的溶液。
催化剂可以是通过在带电表面氧化或还原而活化的任何合适的催化剂。在特定实施例中，催化剂包括带电金属物质，例如过渡金属，如铜、CrX+、Ag+、Pt2+、Pd2+、Fe2+、Ir2+、Ni2 +、Rd、Co、Mn、Ru。
这种催化剂通常以两种或更多种氧化态存在，并且在一种状态下催化溶质反应物与结合层的反应并在至少一种其它氧化态下无活性。与阵列上的其他表面(例如，在支撑衬底上、表面结构下部的电极层、或表面结构下部或之间的结合层上)相比，催化剂优先在电荷聚焦(电压或电流)区域(在表面结构的上部)上活化。因此，催化剂的电化学活化在功能表面上比在电极层上的另一表面位置处发生活化以显著更高的速率发生。
上述效果使得第一方面的方法能够扩展到进一步包括电化学活化溶液中的活性物质以产生活化催化剂的步骤。
一旦催化剂被活化，就可以实现将溶质反应物附着到功能表面上的结合层的进一步步骤。
在一个实施例中，在电极表面和对电极之间建立的电流将与功能表面接触的Cu(II)活化(还原)为Cu(I)。Cu(I)催化叠氮炔环加成反应，如图6所示。图6还示出乙酰基荧光团检测部分(A)，其在环加成后附着于表面。示例2提供了Cu(I)催化的叠氮化物炔环加成反应的实验细节。图7A示出没有施加电势的阵列的负荧光图像，图7B示出具有施加于活化铜的还原电势的阵列的负荧光图像。暗斑是发荧光的荧光团。负像用于更清楚地表示荧光区域并且能够清晰地表示黑色和白色。附着的荧光团在图7B中的表面结构的上部可见，但基本上不存在于图7A(对照)中。
优选地，活化的催化剂催化溶质反应物与结合层的反应，以在功能表面上产生附着的产物。Cu活性物质可以是可在带电表面通过氧化还原型反应活化的任何其它合适的催化剂，例如本文讨论的金属和有机金属活性物质。
优选地，活性物质包括铜(II)，并且电化学活化的催化剂包括铜(I)。
优选地，溶质反应物和结合层之间的反应是铜(I)催化的叠氮化物炔烃环加成反应。
优选地，溶液包括具有碱金属氯离子和铜2+离子的缓冲溶液。
优选地，溶质反应物包括具有能够与表面和功能性偶联的反应物基团的化合物(例如用于传感、催化、光学、进一步附着)。
优选地，溶质反应物选自由以下构成但不限于炔烃、烯烃、羧酸、酯、酮、醛、醇和胺构成的群组。优选地，炔烃包括乙炔。
优选地，溶质反应物包括适于在溶质反应物与结合层反应后附着到功能表面的检测部分。
优选地，检测部分能够使用蛋白质检测、电化学检测、电流分析、电流、电压、电容、比色检测、化学发光检测、荧光检测、生物发光、化学荧光或射线照相检测进行检测。
优选地，具有检测部分的溶质反应物包括乙炔基功能化的荧光团，
优选地，溶质反应物结合的结合层包括自组装单层(SAM)。
SAM可以用功能组功能化以为其提供所需的功能。
优选地，活性物质包括能够附着到结合层的溶质反应物。
优选地，结合层存在于以下中的至少一个上：
·功能表面；
·表面结构；
·钝化层；或者
·支撑衬底。
优选地，本发明第一实施例的方法还包括在以下至少一个上沉积SAM：
·功能表面；
·表面结构；
·钝化层；或者
·支撑衬底。
优选地，沉积SAM的步骤在与功能表面接触后电化学活化活性物质之前进行，以产生活化的催化剂。
优选地，沉积SAM的步骤在将溶质反应物附着到功能表面上的结合层之前进行。
在一个具体实施例中，结合层选自由叠氮化物、羧酸、胺、醇、酯、酮、氰基和醛构成的群组。
优选地，功能表面上的结合层在电极层和对电极之间的电流流动期间基本上是稳定的。为了保持稳定的结合层，SAM优选包括C6至C16的碳链(C6、7、8、9、10、11、12、13、14、15或16)。为了更好的稳定性，SAM优选包括C11至C16的碳链(C11、12、13、14、15或16)。碳链可以是烷烃、烯烃、炔烃和芳香族结构。也可以使用任何结构的如上所述的碳链(C6至C16，优选C11至C16)的混合物。
优选地，被附着的产物选自由以下构成的群组：
a.功能组，例如选自由羧酸、胺、醇、醛、生物素、抗生物素蛋白、叠氮化物和乙炔基构成的群组；
b.适合于与溶液中的靶分析物结合的结合剂，例如选自由抗原、抗体、抗体片段、单链可变片段、生物素化蛋白、肽、核酸、抗生物素蛋白、链霉抗生物素蛋白、NeutrAvidin、含有多组氨酸或谷胱甘肽S-转移酶的重组表达蛋白、炔基醌、叠氮化物、四嗪、大或小含胺分子、含巯基的分子或表达谷胱甘肽S-转移酶(GST)的蛋白质、金属和金属盐(如铅、磷酸铅、铬、铂、钯、铱、铜)、ssDNA、ssRNA、miRNA、mRNA、适体和含有和不含间隔分子的小分子构成的群组；
c.催化物质，其催化溶液中的反应，例如选自由铜、过渡金属、有机金属配合物、包括过渡金属的有机金属配合物或能够被氧化或还原的有机材料构成的群组的催化剂；以及
d.检测部分，例如选自由荧光团、乙炔基功能化荧光团、蛋白质、抗体、核酸、DNA、RNA、小分子或功能组构成的群组的检测部分，例如选自由羧酸、胺、醇、酯、酮和醛构成的群组。
优选地，附着的产物选自由三唑、酰胺、醌和酯或其混合物构成的群组。
优选地，附着的产物选自由三唑、酰胺、醌和酯、或Pt、Ir、Au、Ag、Fe及其混合物构成的群组。
本领域技术人员将理解，使用现有技术中描述的手动方法或其他方法去除诸如SAM的结合层是非常困难的。更具挑战性的是从表面上的特定位置选择性地去除SAM，以产生暴露表面的规则图案化的阵列，用于随后的功能化或反应。如果在整个表面上施加高电流(例如大于约2V)，则可以发生溶液的电解，从而在电极层处产生氧气或氢气。这是不期望的并且可能影响在表面发生的测量和反应。另一个问题是电极层从表面上的不期望的剥离。在这种情况下，电极层(通常是金或其他贵金属)可能会损失到溶液中。因此，优选施加的电流小于2V，更优选小于1V，介于0和1V之间(0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9)
发明人已经示出，在表面结构的上部的功能表面上的电荷密度(电压或电流)的聚焦可以用于选择性地将结合层附着或去除到功能表面，优选地不需要电解水也不用去除电极层。
因此，在一个实施例中，本发明的电极阵列包括覆盖功能表面和阵列的其他表面的至少一部分的结合层(优选SAM)，其中与电极阵列上的其他位置相比，在电极层和对电极之间建立电流的步骤导致从功能表面选择性地去除结合层。发明人在示例3中证明了从表面结构的上部选择性去除(解吸)SAM。
优选地，本发明的方法还包括与电极阵列上的其他位置相比从功能表面选择性地去除至少部分结合层的步骤。
优选地，本发明的方法还包括在已经过选择性去除第一结合层的功能表面上选择性沉积另外的结合层的步骤。
示例5示出在电极阵列上沉积第一结合层(SAM)，然后在阵列表面结构的顶点处或周围从功能表面选择性地去除结合层，之后在顶点处或周围沉积不同的结合层(SAM)的示例。
从表面结构的上部去除结合层使得包括功能的结合层能够选择性地附着在表面结构的顶点处或其周围。这可用于结合剂和/或检测部分的附着，例如用作生物传感器，用于测试靶分析物的溶液。
通过电化学改性其中活性物质在带电荷或离子物质(例如选自由缓冲剂、盐物质和NaCl构成的群组)中溶剂化的溶液中的活性物质，可以去除功能表面上的结合层。活性物质优选作为电子供体起作用，并提供结合层，例如SAM上的硫，与电子释放SAM。结合层可以包括许多不同的分子或原子，它们易于被带电的活性物质(例如S、O或N)还原或氧化。活性物质的电化学改性的作用是氧化或还原结合层上与功能表面结合的功能(例如SAM的S原子)。
优选地，活性物质的电化学改性包括部分或完全氧化或还原。
在一个特定实施例中，电极阵列包括在表面结构的下部上但在表面结构的上部不存在的结合层，并且所述方法还包括在功能表面上选择性沉积另外的结合层的步骤。
在该实施例中，预先制备的从上部除去结合层的电极阵列在功能表面-即在表面结构的上部-选择性地功能化。
优选地，第一方面中定义的电极阵列还包括自组装单层(SAM)。
优选地，SAM存在于电极层的上表面上。
优选地，SAM存在于支撑衬底的上表面上。
优选地，SAM存在于表面结构周围，使得其上具有暴露的功能表面的表面结构或其一部分突出。
优选地，SAM包括长链分子，所述长链分子包括在烷烃、烯烃、炔烃或芳香族结构中的C6至C24(C6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23或24)的碳链；或其混合物。在该实施例中，SAM的稳定性相对于较短的碳链增加。反过来，这需要更强的电流来破坏稳定并去除SAM。
优选地，SAM包括短链分子，所述短链分子包括C5至C1(C1 2 3 4 5)的碳链。在该实施例中，SAM不太稳定，因此需要较弱的电流。因此，它更易于去除，这对于需要快速去除SAM的应用来说可能是优选的。
优选地，SAM是包括长链和短链分子的混合SAM。
优选地，混合的SAM包括长链分子，其包括C6至C24的碳链和C5至C1的短链分子(所有这些均参见上文)。
优选地，长链SAM包括选自由叠氮化物、胺、羧酸盐或羧酸的分子构成的群组。
优选地，短链SAM包括选自由烷烃、叠氮化物、胺、羟基、羧酸盐或羧酸的分子构成的群组。
在一个具体实施例中，SAM包括长链分子和短链分子的混合物，所述长链分子包括C6至C24的羧酸分子(如上所定义)，所述短链分子包括羟基分子的短链分子(如上定义)。在上述实施例中，SAM长链分子优选选自C6、C8、C10、C12、C14、C16、C18或C20分子。
优选地，SAM存在于电极阵列上，但不存在于如上定义的表面结构的上部。
优选地，SAM包括长链分子或短链分子，所述长链分子包括C6或更多的碳链(至如上定义的C24)，所述短链分子为C5或更少(至如上定义的C1)，并且其中表面结构的上部分是以下中任一：a.无SAM，或b.包括适于通过在电极层和对电极之间建立电流来去除的SAM。
优选地，SAM包括具有C6至C24之间的碳链的长链分子，并且其中表面结构的上部以下中任一：a.无SAM，或b.包括适于通过在电极层和对电极之间建立电流来去除的SAM。
在示例5中举例说明的一个特定实施例中，电极阵列包括在表面结构的上部和下部上的SAM结合层，并且活性物质与功能表面的接触导致从聚焦电荷密度(电压或电流)的表面结构的上部选择性地去除SAM结合层。在该实施例中，所述方法还包括在功能表面上在电极层的现在暴露部分上选择性沉积另外的结合层的步骤。
优选地，SAM选自由烷基硫醇与末端甲基、叠氮化物、硫醇、醛、氰基、重氮、胺、醇、硅烷、膦酸和羧酸构成的群组。
在特定实施例中，SAM包括：
R-(CH2)n-SH,R-(CH2)n-NH2，或
R-(CH2)n-Si(OR’)3
其中R＝烷基、叠氮化物、醌或四嗪；以及
R'＝Me、Cl、Et；以及
其中n＝1至50
与阵列上的其他位置相比，本发明的方法可以包括在功能表面上选择性沉积另外的结合层。该步骤可以在已经经历从功能表面选择性去除结合层(例如SAM)的阵列上进行。
优选地，所述另外的结合层包括选自由SAM-COOH、SAM-C-NH2、SAM-N3构成的功能组，其中SAM包括自组装单层。
优选地，沉积另外的结合层的步骤包括将活性物质偶联到功能表面上的结合层。优选地，偶联包括1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)-碳二亚胺/N-羟基琥珀酰亚胺(EDC/NHS)偶联反应。
优选地，结合层还包括结合剂。结合剂优选能够结合溶液中的靶分析物。例如，结合剂选自抗原、抗体、抗体片段、单链可变片段、生物素化蛋白质、肽、核酸、抗生物素蛋白、链霉抗生物素蛋白、NeutrAvidin、含有多组氨酸或谷胱甘肽S-转移酶的重组表达蛋白质、炔属醌、叠氮化物、四嗪、大或小含胺分子、含巯基的分子或表达谷胱甘肽S-转移酶(GST)的蛋白质、金属和金属盐(如铅、磷酸铅、铬、铂、钯、铱、铜)、ssDNA、ssRNA、miRNA、mRNA、适体和具有和不具有间隔分子的小分子构成的群组。
优选地，活性物质包括具有电化学还原或氧化潜力的实体。优选地，活性物质包括如上所述的结合剂或能够附着到结合层的功能组。优选地，功能组选自由抗生物素蛋白、氰基、醛、酯、酮、COOH、NH2、叠氮化物、乙炔基、生物活性生物素、醌和四嗪或其组合构成的群组。
发明人还发现，在电化学改性之后，功能表面上的电荷密度(电流或电压)的聚焦可用于将颗粒附着到功能表面。
因此，在本发明的另一实施例中，活性物质包括其中物质在电化学改性后附着于功能表面的物质。
优选地，活性物质是带电颗粒，优选选自金属离子。优选地，金属离子包括离子形式的铂、金、钯、铁、铱、银、铜、合金或过渡金属。
优选地，离子形式是金属离子的氧化形式。
优选地，离子形式选自Ni2+、CrX+、Cu2+、Cu+、Ag+、Pt2+、Pd2+、Fe2+、Ir2+或其他过渡金属离子，例如Sc、Ti、Vn、Cr、Mn、Co、Zn、Au、Tg、Yt、Mb。
在替代实施例中，带电颗粒可以是生物传感器的结合剂。优选地，结合剂选自由抗原、抗体、抗体片段、单链可变片段、生物素化蛋白质、肽、核酸、抗生物素蛋白、链霉抗生物素蛋白、NeutrAvidin、含有多组氨酸或谷胱甘肽S-转移酶的重组表达蛋白、大或小含胺分子、含巯基的分子或表达谷胱甘肽S-转移酶(GST)的蛋白质、金属和金属盐(如铅、磷酸铅、铬、铂、钯、铱、铜)构成的群组。
本领域技术人员将理解，上述结合剂不需要直接附着到功能表面，它们可以通过链接分子间接附着，并且它可以是提供与功能表面吸引合结合所必需的电荷的链接分子。链接分子可以是单体，其中单体与结合剂附着并在功能表面上形成导电聚合物。例如，将氧化电势施加到含有吡咯的溶液上将导致吡咯附着到表面上并具有将结合剂附着到表面的效果。其他链接物可包括烷烃、聚乙二醇、在主链内具有各种功能组的聚乙炔链，包括醚、酯、酰胺。
示例4描述了通过聚焦在所述表面结构的上部的电荷密度(电压或电流)在表面结构上选择性地沉积颗粒-铂的实验。图9和10示出扫描电子显微镜(SEM)显微照片，其中铂颗粒选择性地附着在锥体表面结构的上部(在顶点处或顶点周围)。
优选地，带电颗粒包括金属离子或导电聚合物(PPY、PA、PA)。
优选地，金属离子包括离子形式的铂、金、钯、铁、铱、银，
优选地，离子形式是金属离子的氧化形式。
优选地，离子形式选自过渡金属，例如Ni2+、Cu2+、Pt2+、Pd2+、Fe2+、Ir2+、Sc、Ti、Vn、Cr、Mn、Co、Zn、Au、Tg、Yt、Mb。
优选地，附着在功能表面上的带电颗粒的密度大于附着在电极层的其他暴露表面上的带电颗粒的密度。
选择性地涂覆表面结构的上部的能力可用于最小化带电颗粒的使用以降低阵列制备期间的成本。
功能表面是在电极层上的电荷密度(电压或电流)聚焦的区域。在与功能表面接触时，活性物质经历氧化(电子损失)或还原(电子获得)并经历电化学改性。
功能表面的表面积根据许多因素而变化，包括表面结构的形状和所建立的电流的强度。在表面结构包括尖锐上部(例如具有如图1所示的三角形横截面)的情况下，电荷密度(电压或电流)将在靠近顶点的区域处更高。对于具有圆形上部的表面结构(例如图2)，电荷密度(电压或电流)更加分散，因此功能表面将从顶点进一步延伸。虽然在顶点处具有尖锐上表面的表面结构在电荷密度聚焦方面具有优势，但是圆形顶点具有更容易制作且因此更便宜的优点。因此，设计的选择取决于用户的要求。
优选地，从阵列上的支撑衬底的上表面突出(并且形成三维结构)的表面结构的高度在约1nm至约5cm之间。更优选5nm、25nm、50nm、100nm、125nm、150nm、200nm、250nm、300nm、400nm、1μm。
更优选约5nm至约5mm，约1微米至约50微米，约100nm至约1μm，或约25nm至约400nm。
优选地，本发明任何实施例的功能表面位于电极层的上表面上。
优选地，本发明任何实施例的功能表面位于从支撑衬底或钝化层突出的表面结构上的电极层的上表面上。
优选地，本发明任何实施例的功能表面位于表面结构的上部。
优选地，本发明任何实施例的功能表面是非平面的。
优选地，本发明任何实施例的表面结构包括由钝化层的范围限定的功能表面。
优选地，本发明的任何实施例的功能表面通过钝化层或支撑衬底与其他表面结构上的其他功能表面分离。
优选地，在一个电极层上的本发明的任何实施例的功能表面电连接到同一电极层上的至少一个另外的功能表面。优选地，与至少一个另外的功能表面的电连接位于钝化层下方。
优选地，电极阵列包括在表面结构之间的钝化层，其中钝化层选自由交联聚合物、光致抗蚀剂、自组装单层(SAM)、环氧基负性光致抗蚀剂和SU-8构成的群组。
优选地，本发明任何实施例的电极阵列包括多个表面结构，每个表面结构在电极层上具有功能表面。
优选地，多个功能表面经由电极层电连接以形成功能组。在一个实施例中，阵列包括两个或更多个功能组，其中每个功能组与其他功能组电隔离。
优选地，本发明任何实施例的功能表面包括保护涂层。优选地，保护性涂层包括SAM(如先前所定义)或蛋白质(例如卵清蛋白或其他没有特定活性的阻断蛋白质)。
优选地，本发明任何实施例的功能表面的范围由电荷密度(电压或电流)大于在电极层的平坦表面上测量的电荷密度(电压或电流)限定。优选地，与平坦表面相比，功能表面上的电荷密度(电压或电流)至少为2、3、4、5、10、20、50、100或1000倍。
支撑衬底形成电极阵列的基部并支撑表面结构和阵列的任何其他部件。优选地，支撑衬底包括导电或非导电表面、聚合物、硅、金属或玻璃。在使用聚合物的情况下，它通常是无定形的，但可以是半结晶聚合物。优选使用可挤出的聚合物。合适形式的聚合物是本领域技术人员已知的，但包括例如聚碳酸酯和PMMA。它可以是柔性的或刚性的，并且优选是平面的。如本领域技术人员所知，衬底材料的厚度主要取决于确保正确操作所需的厚度。因此，优选地，衬底材料的厚度在约50微米至约5毫米之间，或者在约500微米至约2mm之间，或者在约50微米至约100微米之间。
在一个实施例中，支撑衬底是导电材料。在另一个实施例中，支撑衬底是非导电材料。在支撑衬底是非导电材料的情况下，它也可以用作绝缘材料。用于本发明的合适柔性材料的示例包括热塑性聚氨酯、橡胶、硅橡胶和柔性环氧树脂。用于本发明的合适的刚性支撑衬底的示例包括玻璃、PMMA、PC、PS、陶瓷、树脂、复合材料、负载聚合物和刚性环氧树脂。支撑衬底也可以由诸如金、银、镍等金属形成，如下面更详细地讨论的。
表面结构可以在它们与支撑衬底相遇的地方彼此连结，或者它们可以彼此分离地定位，使得支撑衬底的基本平坦的上表面存在于每个表面结构的基部之间。
在一个实施例中，表面结构与支撑衬底是一体的。这意味着表面结构由与支撑衬底相同的材料形成并从其突出。在该实施例中，支撑衬底的上表面可包括以有序或随机配置布置的表面结构阵列。在该实施例中，电极层可以形成在表面结构(以及其暴露的支撑衬底)的上表面上。具有集成表面结构的支撑衬底可以通过已知方法形成，例如热压印、CFT处理、注射成型、冲压、电铸或光刻技术。
在替代实施例中，表面结构由与支撑衬底不同的材料形成，并且沉积在支撑衬底上或附着到支撑衬底。在该实施例中，表面结构可以与电极层成一体。这意味着表面结构是电极层的一部分并且由与电极层相同的材料形成。
或者，可以在表面结构上沉积或以其他方式形成电极层，并且所述表面结构沉积在支撑衬底上，与支撑衬底一体形成或以其他方式形成在支撑衬底上。具有由不同材料形成的表面结构的支撑衬底可以通过已知方法形成，例如热压印、CFT处理、光致抗蚀剂激光、冲压或光刻技术。
优选地，本发明任何实施例的支撑衬底包括单层或多层。
优选地，本发明任何实施例的支撑衬底是非导电的(聚合物、玻璃、Si和TiO2)或(导电聚合物、金属、金属表面(Ni、Al、Ag)掺杂的Si、不锈钢)。
表面结构有效地提供了一个通道，使得能够在结构的上部聚焦电荷密度。表面结构可以是从支撑衬底向外突出的任何合适的形状，并且与表面平坦的角度相比，能够以更大的角度扩散到功能表面。这种“球形扩散”对功能表面的影响是使溶液中的活性物质以比平坦表面或“井”或“沟道”更大的速率扩散到带电表面和扩散远离带电表面。
优选地，本发明任何实施例的表面结构突出穿过钝化层。
优选地，本发明任何实施例的表面结构包括位于表面结构顶部的顶点。
优选地，顶点位于表面结构上，该表面结构具有带有轮廓表面的上部和带有不同轮廓表面的至少一个下部。在一些实施例中，其表面结构或其上部是圆顶形、锥形、金字塔形、乳头形、脊状或多面体形。
优选地，本发明的任何实施例的表面结构包括具有凸起上表面的上部。
优选地，上部的表面逐渐变细到顶点或倒圆到顶点。
优选地，本发明的任何实施例的表面结构沿着与支撑衬底的顶表面正交的平面具有三角形、凸形、半圆形或乳头形的横截面。
优选地，本发明的任何实施例的表面结构沿着平行于支撑衬底的顶表面的平面具有基本上三角形、基本圆形或基本上正方形的横截面。
优选地，本发明的任何实施例的表面结构的横截面面积沿着与支撑衬底的顶表面正交的轴线减小。
优选地，本发明任何实施例的表面结构均匀地布置在支撑衬底上。优选地，表面结构随机地布置在支撑衬底上。
优选地，本发明的任何实施例的表面结构具有至少一条对称线。
优选地，本发明任何实施例的表面结构彼此均匀分离约5nm至约2000μm。更优选地，约15nm至约1500μm；约35nm至约1000μm；约55nm至约750μm；约100nm至约1000μm；约250nm至约1500μm；约5nm至约1500μm；约5nm至约1000μm；约5nm至约750μm；约15nm至约2000μm；约35nm至约2000μm；约55nm至约2000μm。
优选地，本发明的任何实施例的表面结构在其与支撑衬底连结处的宽度在约20nm至约5000μm之间。更优选地，约40nm至约4000μm；约55nm至约3000μm；约75nm至约2500μm；约100nm至约4000μm；约250nm至约3500μm；约20nm至约3500μm；约2nm至约4000μm；约20nm至约2500μm；约20nm至约4000μm；约20nm至约3000μm；约20nm至约2000μm。
优选地，本发明任何实施例的每个表面结构的顶点位于每个表面结构的上部的顶部。
优选地，本发明任何实施例的每个表面结构的上部包括尖端或点，或者是凸形、乳头形、锥形、圆锥形、半球形或多面体。
优选地，本发明的任何实施例的表面结构包括具有顶点的脊，该顶点沿着大致平行于支撑衬底的顶表面的轴线延伸。
优选地，每个表面结构的顶点的宽度如本文先前所定义，并且优选在约1nm至约5000微米之间，更优选在约10nm至约10微米之间，或约20nm至约2微米，或约30nm至约1微米。每个表面结构的顶点的宽度小于其与支撑衬底连结处，例如对于宽度为约1nm的顶点，其与支撑衬底连结处的宽度可以大于约20nm。
优选地，脊沿着与支撑衬底的顶表面正交的平面具有凸形、乳头形、锥形、三角形或多边形的横截面。
优选地，表面结构顶点至顶点彼此分离约5nm至约1000μm。从图13和17(其示出约250nm顶点到顶点的间隔)和示例1(顶点到顶点间距70μm)将清楚可见，表面结构之间的顶点到顶点的距离优选地基本上均匀，尽管如果需要这可以变化。均匀性是首选，因为这会产生更可预测的行为和结果。对于熟练的读者来说非常清楚的是，各种范围和选项都在这个选择的范围内并且可以由用户选择。约50nm至约1000μm；约100nm至约1000μm；约250nm至约1000μm；约5nm至约750μm；约5nm至约500μm；约5nm至约100μm。
清楚的是，从支撑衬底的上表面突出的表面结构在阵列上产生三维(3D)结构。
在替代实施例中，因此，可以看出本发明是一种将电荷密度(电压或电流)聚焦在电极阵列上的功能表面上的方法，所述方法包括以下步骤：
a)提供一种电极阵列，其包括：
i)支撑衬底；
ii)从支撑衬底的上表面突出的至少一个表面结构，其中表面结构包括电极层；
iii)电极层上的功能表面，其中功能表面位于至少一个表面结构的上部，并且其中功能表面适于接触溶液中的活性物质；
iv)其中表面结构顶点至顶点彼此分离约5nm至约1000μm，并且其中该分离优选但可选地基本上均匀；
b)将表面结构暴露于包括活性物质并且在其中具有对电极的溶液中；以及
c)在电极层和对电极之间建立电流或电压，使得电荷密度聚焦在功能表面上，并且活性物质在与功能表面接触后被电化学改性。
优选地，表面结构顶点至顶点彼此分离约50nm至约1000μm；约100nm至约1000μm；约250nm至约1000μm；约5nm至约750μm；约5nm至约500μm；约5nm至约100μm。
电极层包括任何合适的导电材料。优选地，电极层包括选自由导电金属、碳、玻璃碳、碳质材料、石墨烯、碳纳米管、导电油墨、负载聚合物、导电聚合物、金、银、镍、铂、氟化物掺杂氧化锡(FTO)、氧化铟(ITO)、掺杂硅、二氧化钛或分层结构构成的群组的导电材料。优选地，导电金属包括金、银、镍或铂。优选地，层状结构包括钛与金、铬与金、或金与导电聚合物。
优选地，通过选自由溅射技术，优选磁控溅射、蒸发、涂漆、喷涂或旋涂构成的群组的技术将电极层沉积在表面结构上。
优选地，电极层包括覆盖表面结构和可选地支撑衬底的基本恒定厚度的层。
电极层可以通过附着如本文所述的结合层和/或结合剂而功能化。优选地，结合剂选自由抗原、抗体、抗体片段、单链可变片段、生物素化蛋白质、肽、核酸、抗生物素蛋白、链霉抗生物素蛋白、NeutrAvidin、含有多组氨酸或谷胱甘肽S-转移酶的重组表达蛋白质、炔属醌、叠氮化物、四嗪、大或小含胺分子、含巯基的分子或表达谷胱甘肽S-转移酶(GST)的蛋白质、金属和金属盐(如铅、磷酸铅、铬、铂、钯、铱、铜)构成的群组。
电极层沉积在表面结构上，并且可选地沉积在结构之间的支撑衬底上。在该实施例中，暴露的任何平坦支撑衬底表面也将被电极层覆盖，受到电极层的界限。优选地，电极层包括基本恒定厚度的层。在电极层沉积在表面结构的上表面上的情况下，电极层的上表面拓扑将优选地对应于下面的表面结构和可选的支撑衬底的拓扑。
表面拓扑中的这种对应性可以在图4中看到，其中电极层420沉积在支撑衬底410上。
尽管电极层的厚度可以是任何合适的厚度，但优选厚度在约5nm和5μm之间，更优选在5nm和10μm之间，15nm和50nm之间，20和500nm之间或者在50和100nm之间厚。发明人已经发现，由于电荷导电性的问题，使用小于约5nm的层是不太理想的。另外，由于用于制造通常为金的电极层的材料的成本，厚度大于500nm的层提供了经济上的缺点。
优选地，电极层包括一个或多个适于将电极层电连接到测量电极的端子连接装置。优选地，端子连接装置适于接合诸如插槽连接器的连接器。优选地，端子连接装置包括支撑衬底的区域，该区域具有在支撑衬底的表面上方突出的表面结构。
在特定实施例中，电极层的厚度小于5μm。
发明人已经发现，使多个功能表面全部电连接以形成功能组使得能够检测到更大的信号响应。另外，发明人发现，使功能表面的表面积最小化增加了每个表面的灵敏度。这意味着表面的信噪比随着表面积的减小而增加。任何电路都存在电噪声，在非常小的电流下会变得更明显。因此，重要的是使噪声最小化并使信噪比最大化。
这样，在一个实施例中，本发明的电极阵列包括在一个电极层上的功能表面电连接到同一电极层上的至少一个另外的功能表面。优选地，与至少一个另外的功能表面的电连接位于钝化层下方。
优选地，阵列包括多个表面结构，每个表面结构在电极层上具有功能表面。
优选地，多个功能表面经由电极层电连接以形成功能组。在一个实施例中，阵列包括两个或更多个功能组，其中每个功能组与其他功能组电隔离。
优选地，电极阵列包括在支撑衬底上的钝化层和表面结构的下部。优选地，钝化层不存在于表面结构的上部。存在钝化层以最小化或防止溶液组分的非特异性结合。它还用于最小化溶液接触电极表面时产生的电噪声。
优选地，本发明的步骤a)中提供的电极阵列包括沉积在支撑衬底上并覆盖表面结构的上部的钝化层。
优选地，施加电流以聚焦电荷密度(电压或电流)的步骤导致去除表面结构的上部上的功能表面上的钝化层。
优选地，钝化层包括附着到电极表面的功能组。在一个实施例中，钝化层包括如本文所述和定义的结合层。在一个实施例中，钝化层包括SAM。优选地，SAM通过硫原子附着到电极表面。优选地，电极表面是金。优选地，SAM还包括功能组，例如烷基链，并且优选还包括与功能组上的胺偶联的羧酸。
在另一个实施例中，钝化层包括交联聚合物或光致抗蚀剂。优选地，交联聚合物是基于环氧树脂的负性光致抗蚀剂，例如SU-8、AZ40XT、AZ4620、OSTE聚合物、SPR 3612、LOL2000。
优选地，通过在对电极和电极表面之间建立电流来去除钝化层。优选地，相对于银/氯化银参考电极，电流的电势在-2V和+2V之间，并且优选为-200mV和-1V，并且优选为-400mV，优选为0和-1mV。
SAM的应用方法是本领域技术人员已知的。在一个实施例中，通过将SAM溶解在乙醇中然后将SAM/乙醇混合物施加到传感器表面一段时间(例如10分钟至1小时)来施加SAM。然后洗去多余的部分。然后通过相对于Ag/AgCl施加-400mV的还原电势，可以从传感表面去除SAM。如果保护性涂层是蛋白质如抗生物素蛋白或BSA或甚至是抗体捕获剂，则在测量之前可能不会将其去除，但它不会妨碍电测量。
在一个实施例中，在施加结合剂之前将保护涂层施加到传感表面。优选地，保护涂层是由烷硫醇(HS(CH2)XCH3，其中X＝0至16)制成的SAM，并且从乙醇溶液中沉积。优选地，在最终测量电活性物质(例如TMB)之前进行保护涂层的去除。
在另一个实施例中，将保护性涂层施加为结合层，以最小化或防止结合剂和样本组分与电极层的非特异性结合。在该实施例中，利用浓缩电荷密度的尖端的功能，以在进行传感测定之前使传感表面脱保护。
优选地，通过相对于银/氯化银参考电极施加在-200mV和-1V之间，优选-400mV的还原电势来去除保护涂层。施加-400mV也产生H2O2，其优选用于再生配体催化剂(例如HRP)。
用于将活性物质固定在SAM功能化电极上的反应可以通过化学或电化学附着。化学固定通常通过SAM的反应性功能组(例如，用EDC/NHS活化COOH)或活性物质(例如或Cu(I)催化的叠氮化物炔烃环加成)的化学活化来实现。化学活化不允许定义沉积位置，并且导致SAM表面的均匀覆盖。因此，活性物质的附着位置没有选择性。
SAM可以用已知的功能组功能化。优选地，SAM用选自由叠氮化物、胺、羧酸盐、醛、酮、酯或羧酸构成的群组的功能组功能化。
本领域技术人员将理解，连接到结合层的功能组可以替代地连接到溶质反应物上，以实现功能化SAM的相同最终效果。在一个特定的实施例中，叠氮功能组可以存在于SAM结合层上或附着于溶质反应物。
优选地，本发明任何实施例的溶液包括电解质。优选地，介质是水，但也可以是有机溶剂，例如醇、醚、丙酮和DMSO。优选地，电解质包括生物学中使用的标准缓冲液，包括非缓冲盐溶液，例如NaCl、或酸和碱溶液、H2SO4、HNO3、NaOH。
优选地，本发明任何实施例的溶液选自由淡水、海水、血液、尿液、乳汁或唾液构成的群组。
在一个实施例中，本发明任何实施例的溶液还包括参考电极。
优选地，溶液包括具有碱金属氯离子和铜2+离子的缓冲溶液。
优选地，电极阵列包括阵列系统的一部分。阵列系统含有合适的布线、电极和溶液，以使样本接触功能表面并发生活性物质的电化学改性。阵列系统优选地包括容器以将样本保持在功能表面上。阵列系统还优选地还包括参考电极和对电极，其配置成在电化学改性期间接触样本。优选地，参考电极和/或对电极是静止的并且与功能表面相距固定的距离。合适的系统和配置对于本领域技术人员来说是已知的。
优选地，本发明任何实施例的对电极包括基本上惰性的导电材料。在这种情况下，术语“惰性”是指在建立电流并将电流从电极层传递到对电极之后，对电极的质量和状态基本不变。因此，“惰性”对电极相对于溶液的组分基本上不起反应。优选地，对电极由选自由金属、Pt、金、镍、铜、铁、碳、石墨、石墨烯、碳纤维、碳纳米管、Bucky球、导电聚合物PPy、PA、聚乙炔、不锈钢构成的群组的材料形成。对电极可以由固体层或沉积在合适的支撑物上的导电层制成，例如，聚合物玻璃、金属。对电极可以由固体层或沉积在合适的支撑物上的导电层制成，例如，聚合物玻璃、金属。优选地，对电极是裸金属(例如Au、Pt、不锈钢和/或铜)，或镀Au或Pt的衬底(例如金属、聚合物和/或玻璃)。优选地，本发明任何实施例的对电极相对于表面结构处于固定方位。
优选地，本发明任何实施例的对电极附着到电极阵列。
优选地，对电极保持在使阵列的每个表面结构之间的距离差异最小化的方位上。优选地，对电极的方位在阵列的上表面上方。在这些实施例中，从对电极到每个表面结构的顶点的距离基本上是等距的。这最小化了由对电极的放置引起的检测噪声。
因此，优选地，对电极是(a)相对于表面结构处于固定方位，(b)附着到电极阵列，(c)保持在使阵列的每个表面结构之间的距离差异最小化的方位上，或者(d)在阵列的上表面上方。
在一个实施例中，该溶液还包括参考电极。参考电极在电流流动的同时(例如在沉积过程中)辅助并测量和控制电压。参考电极的性质和定位对于本领域技术人员来说是已知的。
优选地，电极阵列还包括与溶液接触的参考电极。优选地，参考电极包括由Ag/AgCl形成的电极。其他选择包括：标准氢电极(SHE)；普通氢电极(NHE)；可逆氢电极(RHE)；动态氢电极(DHE)；标准甘汞电极(SCE)；铜-铜(II)硫酸盐电极(CSE)；汞-硫酸汞电极；Pt，不锈钢，Au。
优选地，在电极层处测量的在电极层和对电极之间建立的电流是氧化电流或还原电流。这有利于在与每个表面结构的功能表面接触后对活性物质进行电化学改性。
优选地，电流包括对电极和电极表面之间的还原电势或氧化电势。优选地，相对于银/氯化银参考电极，电势在约-2V和+2V之间，在约-200mV和-1V之间，或者约-400mV。
优选地，本发明任何实施例的电流在活化电势和失活电势之间脉冲。这种脉冲使得在功能表面发生的反应能够得到定位。脉冲还使活性物质远离每个表面结构的顶点的扩散最小化。脉冲频率及其占空比定义了功能表面上的定位范围。常规的开/关循环导致活性物质的失活，因此活化的活性物质从功能表面到阵列上的其他位置的扩散被最小化。
在施加电流之前，传感剂保持无活性并且溶液中存在的活性物质不能与传感剂结合。在施加活化电势时，功能表面处的电荷密度(电压或电流)增加，从而活化扩散到功能表面的任何活性物质。
因此，本发明任何实施例的电流在活化电势和失活电势之间脉冲。优选地，当通过点击化学附着时，活化电势包括介于约-100mV至-2V之间，更优选约-400mV至-600mV，优选0至-1mV的还原电势。优选地，失活电势包括介于约100mV和2V之间，更优选约200mV至500mV的氧化电势。在替代实施例中，失活电势是。开”电路“关闭”。当通过点击化学进行附着时，优选阵列上的功能表面由催化材料(例如Pt、Au、Ni)形成，其通过电极层和对电极之间的电流或电压通过电化学改性活化。例如，活化的功能表面将Cu2+电化学改性至Cu+，如下面提到的CUAAC。
如本领域技术人员所知，在化学合成中，“点击”化学是一类通常用于生物共轭的生物相容性小分子反应，允许选择的基质与特定的生物分子结合。点击化学不是一个特定的反应，而是描述了一种产生遵循自然界示例的产物的方法，这些产物也通过连结小模块单元产生物质。一般而言，点击反应通常与生物分子和报道分子连结。点击化学不限于生物学条件：“点击”反应的概念已经用于药理学和各种仿生学应用。然而，它们在生物分子的检测、定位和鉴定方面特别有用。其中一个示例是Cu催化的叠氮化物炔烃环加成反应(CUAAC)。
本领域技术人员将理解，使用现有技术中描述的手动方法或其他方法去除诸如SAM的结合层是非常困难的。因此，施加的电压保持在避免或最小化水的电解的水平。另外，不期望去除电极层，因此使电压最小化以避免这种情况发生。因此，在基本上实现这两个目标的特定实施例中，电压小于+/-1.5V。优选地，电压小于+/-1V。
优选地，本发明任何实施例的活性物质的电化学改性导致引发可检测响应。优选地，可检测响应包括电流、电压、电容、电阻、电导、阻抗、磁通量或电场的变化。
优选地，在测量电极处测量可检测响应。优选地，测量电极连接到测量装置，该测量装置测量电流、阻抗、电压、电容、电阻、电导、磁通量或电场中的一个或多个的变化。
优选地，可检测响应包括电化学可检测响应，其包括电流、阻抗、电压、电容、阻抗、电阻或电导的变化。使用电极测量这种响应对于本领域技术人员来说是已知的。
在另一方面，本发明提供一种电极阵列，其包括：
a)支撑衬底；
b)从支撑衬底的上表面突出的至少一个表面结构，其中表面结构包括电极层；
c)电极层上的功能表面，其中功能表面位于至少一个表面结构的上部，并且其中功能表面适于接触溶液中的活性物质；
d)结合层，其中结合层是以下中的任一一个：
i)以比电极阵列上的非功能表面显著增加的密度存在于功能表面上；或者
ii)以比在表面结构上的功能表面上的位置显著增加的密度存在于电极阵列的非功能表面上，
其中功能表面位于表面结构的顶点处或其周围。
在另一方面，本发明提供一种电极阵列，其包括：
a)支撑衬底；
b)从支撑衬底的上表面突出的至少一个表面结构，其中表面结构包括电极层；
c)电极层上的功能表面，其中功能表面位于至少一个表面结构的上部，并且其中功能表面适于接触溶液中的活性物质；
d)结合层，其中结合层是以下中的任一一个：
i)以比电极阵列上的非功能表面显著增加的密度存在于功能表面上；或者
ii)以比在表面结构上的功能表面上的位置显著增加的密度存在于电极阵列的非功能表面上；
其中所述功能表面位于所述表面结构的顶点处或其周围，并且其中所述表面结构顶点至顶点彼此分离约5nm至约1000μm，并且其中所述分离优选但可选地基本上均匀。
优选地，表面结构顶点至顶点彼此分离约50nm至约1000μm；约100nm至约1000μm；约250nm至约1000μm；约5nm至约750μm；约5nm至约500μm；约5nm至约100μm。
在该实施例中，发明人已经制备了具有表面结构和预先制备的功能表面的电极阵列，其特征在于，当与电极阵列表面的其余部分相比时，表面结构的上部被差动地功能化。阵列可以根据本文所述的方法制备，特别是在示例2、3、4或5中制备。所得阵列具有功能表面，其以与阵列的其余部分不同的方式功能化，从而允许测量、催化或结合在表面结构的顶点处或周围。
这种类型的阵列上的功能表面的尺寸将取决于许多因素而变化，包括施加的电流/电压，溶液中活性物质的浓度和表面结构的形状。然而，本发明与其他阵列之间的明显区别的特征在于，当在接触电极层的溶液中在电极层和对电极之间建立电流时，在功能表面上的电荷密度(电压或电流)将比在等效条件下在电极层的平坦表面上测量的电荷密度(电压或电流)至少大两倍。
电极阵列的支撑衬底、表面结构、结合层和功能表面的特征都如本说明书前面所述。
在特定实施例中，结合层包括自组装单层(SAM)或如上定义的带电颗粒。
上述非功能表面包括电极层的平坦表面，当使用该阵列时，该平坦表面以与功能表面相同的方式暴露于溶液。可以预期，非功能表面上的电荷密度(电压或电流)比功能表面上的电荷密度(电压或电流)小至少两倍。
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本发明还可以广义地说，包括在本申请说明书中提及或指出的部分、元件和特征，单独地或共同地，以两个或更多个所述部件、元件或特征的任何或所有组合。
其中前面的描述已经参考了具有已知等同物的整体或组件，这些整体在此并入，如同单独阐述一样。
除非上下文另有明确要求，否则词语“包括”以非限制性含义使用，与“包括了”或“包括”同义。
应注意，对本文所述的目前优选的实施例的各种变化和修改对于本领域技术人员而言是清楚的。可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下进行这些改变和修改，并且不会减少其伴随的优点。因此，这些改变和修改旨在包括在本发明的范围内。
示例
示例1：建模
目标：
使用COMSOL计算分析来说明具有表面结构的电极层上的电荷密度(电压或电流)分布。
结果：
如图1和图2所示，COMSOL建模预测在结构顶点处或周围的较高电荷密度(电压或电流)分布曲线，如顶点处的较暗颜色所示。
结论：
建模表明电荷密度(电压或电流)位于表面结构的顶点处或周围，并且尖端越尖锐，定位范围越大。
试验
物料
PBS托盘、K3FeCN6、K4FeCN6、NHS、EDC、Cu(NO3)2、K2PtCl4、5-己酸和硫醇，其购自Sigma Aldrich并按原样使用。Cu(II)(NO 3)2-1,1'，1“-三(1H-1,2,3-三唑-4-基-1-乙酸乙酯)三甲胺(CU(II)TTMA)使用已知方法制备。乙炔基功能化的荧光团，购自Lumiprobe并按原样使用。
在这些实验中使用的电极是镀金的聚碳酸酯。电极阵列由聚碳酸酯制成，其中压印有一系列金字塔。金字塔结构的尖端到尖端(顶点到顶点)间距为70m，基部为50m×50m。
使用Olympus BX51荧光显微镜获得荧光图像。使用Hitachi SEM拍摄SEM图像
一般方法
在金上形成自组装单层(SAM)：
使用反应离子蚀刻(RIE)用O2等离子体(2分钟)清洁电极，并立即浸入所需的硫醇溶液(0.1M在乙醇中)60分钟。然后用乙醇冲洗表面并接着用去离子水冲洗表面。
具有表面结构的聚合物电极的制造
使用硅的NaOH蚀刻制备反金字塔结构，并通过电镀将图案转移到镍压模上。通过在硅晶片上熔化光刻图案化的光致抗蚀剂，然后电镀镍压模来制造反圆顶。
通过使用标准程序将镍压模热压印到2mm聚对苯二甲酸乙二醇酯(PETG)膜上来制备圆顶和金字塔图案化的聚合物表面。
使用NANO 36磁控溅射(在3mTorr的Ar下300W，2分钟)将金(30nm)沉积在平坦和压花的聚合物衬底上。
通过CV进行金清洁和表征
通过将电极在0.5M HNO3溶液(0至1.650V)中循环直至在0.850V观察到稳定的金还原波来进行金电极的清洁。
电化学研究
通过使用Pine E-chem双恒电子站通过三电极设置以铂作为对电极进行电化学研究。使用无泄漏的Ag/AgCl微型参考电极(eDAQ)测量和报告该工作中呈现的所有电化学势。电化学电池被压在样本上的圆柱形孔Teflon锥(内径4mm)限制。所有测量均在室温下进行，不排除空气。
形成自组装单层(SAM)
通过将所需量的烷烃硫醇溶解在乙醇中来制备沉积溶液。总硫醇浓度保持在0.1和1mM之间。将新制备的金衬底浸入沉积溶液中24小时。在没有光的情况下进行沉积，以消除硫醇单层上的任何光子氧化。然后用乙醇和去离子水冲洗衬底以去除过量的吸附物，然后用N2干燥以去除残留的溶剂。
示例2：氧化还原物质的活化
目标
活性物质Cu(I)用作氧化还原介体以催化叠氮化物-炔烃环加成反应，而Cu(II)是无活性的。目标是在电极阵列表面上的表面结构的顶点处或周围使用较高的电荷密度(电压或电流)分布，以在顶点处或顶点周围将Cu2+选择性地还原至Cu1+，从而催化乙炔基荧光团与叠氮化物功能化SAM的附着。荧光显微镜用于验证荧光团仅在尖端附着。
方法
将含有Cu(II)TTMA(100μm)和10μm乙炔基-荧光团的乙酸盐缓冲液(pH4.4)(10ml)的溶液暴露于具有表面结构的叠氮化物封端的SAM涂覆的电极。方波电势如下施加：+0.65V持续5s以保持无活性的Cu2+，然后-0.150V持续30s以产生活化的Cu1+催化剂(其引发环加成反应发生)，接着+0.65V持续25s以使催化剂失活并停止反应。将该过程重复4次，得到总反应时间为2分钟。用乙醇和水清洗表面并用氮气干燥，立即拍摄荧光图像。
结果：
在阶梯式计时电流法之后，仅在表面的顶点处观察到荧光，如图7A和7B所示。在图7A中没有施加电势。在图7B中，施加了电势。
结论：
在表面结构的顶点处或周围的较高电荷密度(电压或电流)分布导致通过在发生叠氮化物-炔烃环加成反应的顶点处选择性地还原Cu催化剂来活化。
示例3-在Tip处去除SAM
目标：
为了证明具有表面结构的电极阵列的电荷密度(电压或电流)分布可以用于从表面结构的顶点选择性地去除自组装单层。
方法：
将叠氮化物封端的SAM涂覆的电极浸入PBS溶液中。通过计时电流法通过施加还原电势(-1.1v，累积持续时间为0s、2.5s、5s、10s、20s、40s、80s、160s、320s、640s和900s)进行解吸，并监测解吸速率在Fe(CN)6中以20mV/s使用循环伏安法。
结果：
电极阵列上的金涂层表面结构表现出更快的解吸曲线(图8A)，相对于平坦电极在大约10秒后出现最大氧化峰(图8B)，在大约20-30分钟后看到最大氧化峰。
为了确认从3D电极的尖端发生解吸，使用化学点击将乙炔基荧光团附着到SAM层。荧光显微镜证实SAM主要在基部。
结论：
与平坦表面相比，三维表面的差分电荷密度(电压或电流)分布导致SAM从表面结构的尖端明显更快地解吸。这是由于在表面结构的顶点处或周围的电荷密度(电压或电流)的集中而发生的。
示例4：尖端处的Pt功能化
目标：
为了证明具有表面结构的电极阵列的差分电荷密度(电压或电流)分布，可以使用选择性地在结构的顶点沉积金属。
方法：
使用具有O2等离子体的反应离子蚀刻(RIE)(2分钟)清洁具有金电极层的表面结构，并浸入PBS中的铂(I V)氯化物(1mM)溶液中。使用如下的方波电势进行Pt细观颗粒的生长；施加还原电势(～500mV)以将表面上的Pt(II)还原为Pt(0)15秒，然后施加氧化电势(300mV)以停止该过程。继续该循环直至获得所需量的沉积Pt。
结果：
Pt沉积主要发生在表面结构的顶点处或周围，如图9和10所示。
结论：
由于在表面结构的顶点处或周围的较高电荷密度(电压或电流)分布，Pt以比其他表面更高的密度沉积。
示例5
目标：
为了说明电荷密度(电压或电流)与具有表面结构的电极阵列的组合如何可用于选择性地使电极的尖端或基部功能化。
方法
1.(A)具有表面结构的电极阵列的整个电极表面和(B)没有表面结构的电极阵列将涂覆有SAM-X，其中X是电极衬底的最终所需功能。施加电流并导致从电极表面去除SAM-X层。随后的去除过程在图8中所示的循环伏安图中表示，其中连续循环将逐渐从电极表面去除更多的SAM-X。每个循环由标记有电流施加时间的迹线表示。对于具有表面结构(8A)的电极阵列，从最顶部的最高电荷密度(电压或电流)区域开始去除SAM-X并缓慢地向下增加。可以看出，在约40秒后，具有表面结构的电极阵列示出信号强度的最小进一步变化，表明SAM-X已在表面结构的顶点处或周围完全从功能表面去除。图8B示出需要600秒才能实现从平坦表面去除SAM-X的相同效果。
2.一旦达到所需的去除水平，在尖端(A)顶部的电极的现在裸金部分可涂覆有SAM-Y，其中Y是新的所需功能。所述过程的优点在于它允许精确控制SAM-Y在电极表面上的位置，并因此控制结合层/活性物质的位置。
示例6-用过渡金属的纳米级催化
随着颗粒的尺寸达到亚微米以下，量子效应变得越来越普遍。这是由于颗粒周围溶液中扩散速率的显著增加和颗粒表面的相互作用率的结合。这些效应适用于传感(导致更快的响应速率和降低的信噪比)和催化(导致周转率显著增加)。除了这些已知的扩散效应之外，本发明人已经证明，量子效应也影响催化机理，如通过能量成本的降低所观察到的。
溅射涂覆的“平坦”电极实际上不是平坦的，而是由紧密堆积的，甚至重叠的纳米尺寸的颗粒组成，通常尺寸范围为5-100nm。实际尺寸和范围取决于如前所述采用的沉积技术(例如电子束蒸发、热蒸发和磁控溅射)以及本领域技术人员已知的条件(例如电压、温度、真空、功率、频率)。图11示出AFM图像，图12示出“平坦”金电极的相关线扫描，其中单个纳米颗粒是明显的。
虽然可以认为如果平坦表面由纳米尺寸的颗粒构成，这意味着量子效应将在观察到的表面催化活性中起主导作用，发明人发现情况并非如此，并且观察到平坦的重叠纳米颗粒经历平面扩散，这会使任何量子效应对催化活性产生影响。先前已经参考图3并且特别是图3A示出这种平面扩散的效果。然而，发明人还发现，通过控制相邻纳米颗粒之间的3D间距，可以克服平坦紧密堆积/重叠纳米颗粒的平面扩散的影响。这可以通过使用纳米级3D表面来控制颗粒之间的距离(如本文先前所讨论的约5nm至约1000μm的顶点至顶点)和颗粒的位置来实现。
为此，使用如本文先前所述的方法将颗粒制成选择性地沉积在表面结构的尖端(例如图13中所示)的顶部上的第一材料的离散颗粒。
结构用几种金属、金属涂覆的聚合物和助催化剂制备，如下表1所示。表1中使用的结构构造如下：
(i)使用标准电镀条件通过电镀到硅晶片上制备镍纳米结构母版。
(ii)使用标准电镀条件通过电镀到硅晶片上制备镍纳米结构母版。该镍母版用50nm金溅射涂覆。用X射线分析的SEM示出，金主要存在于谷的尖端和底部，并且侧壁没有金。通过循环伏安法证实了这一点，表明存在金和镍。
(iii)使用标准电镀条件通过电镀到硅晶片上制备镍纳米结构母版。将该镍母版压花到聚碳酸酯衬底上，对其用50nm金溅射涂覆。根据示例4沉积Pt纳米颗粒。
表1
图14-16示出典型的平坦与纳米结构电极的活性比较，通过Au电极(在尖端上具有溅射金的镍-参见表1)和Pt电极(镀金聚合物，在电极上有电沉积的Pt-见表1)用于氢生成和氧还原两者。所有尖端(表面结构的顶点)之间的间距约为250nm。表面结构的高度也约为250nm。尖端的尺寸(表面结构的顶点)约为10nm。这可以从表1中的纯镍结构的SEM中看出，如图17所示。当使用控制Au和Pt颗粒之间的距离和位置的纳米结构电极时，可以看到氢气产生和氧气还原的影响(图14-16)，其为启动还原过程所需电压的显著降低并且纳米结构表面在平坦表面上的催化性能增加了一个数量级。
此外，如图13和17所示的构造允许表面结构的尖端之间的谷填充有助催化剂，以复制文章“Enhancing Hydrogen Evolution Activity in Water Splitting byTailoring Li+-Ni(OH)2-Pt Interfaces(通过调整Li+-Ni(OH)2-Pt界面来增强水分解中的氢析出活性)”Ram Subbaraman等人,Science 2011第334卷，第1256-1260页中所报道的内容。该文章教导了使用氢氧化镍(Ni(OH)2)和Pt的组合，其中氢氧化镍被放置在平坦铂电极的表面上而没有本发明所要求的表面结构。本发明允许使用相同的氢氧化镍助催化剂和Pt的组合，但在本例中，氢氧化镍将被放置在谷中(通过旋涂或氧化镍基)并且Pt将被放置在表面结构的顶点处的尖端(例如由示例4教导)。如该文章中所提出的，尖端处的Pt将进行最终的水分解，并且氢氧化镍助催化剂将通过进行水的初始结合来辅助该过程。催化剂和助催化剂的各种组合当然可以使用本发明的方法和结构，如前所述。例如，这些选择包括使用(i)选自任何一种或多种过渡金属的催化剂，例如，Ni、Cr、Cu、Ag、Pt、Pd、Fe和Ir，以及(ii)选自任何一种或多种金属(例如铝、钙、铈、镓、铪、铁、镧、镁、锶、钛、钌、镍、锆或锌)的氧化物的助催化剂。Ni与铝、钙、铈、镓、铪、铁、镧、镁、锶、钛、锆或锌的氧化物中的任何一种或多种的组合；Cr与铝、钙、铈、镓、铪、铁、镧、镁、锶、钛、钌、锆或锌的氧化物中的任何一种或多种；Cu与铝、钙、铈、镓、铪、铁、镧、镁、锶、钛、钌、镍、锆或锌的氧化物中的任何一种或多种；Ag与铝、钙、铈、镓、铪、铁、镧、镁、锶、钛、钌、镍、锆或锌的氧化物中的任何一种或多种；Pt与铝、钙、铈、镓、铪、铁、镧、镁、锶、钛、钌、镍、锆或锌的氧化物中的任何一种或多种；Pd与铝、钙、铈、镓、铪、铁、镧、镁、锶、钛、钌、镍、锆或锌的氧化物中的任何一种或多种；Fe与铝、钙、铈、镓、铪、铁、镧、镁、锶、钛、钌、镍、锆或锌的氧化物中的任何一种或多种；Ir与铝、钙、铈、镓、铪、铁、镧、镁、锶、钛、钌、镍、锆或锌的氧化物中的任何一种或多种；都是选择。
因此，令人惊讶的结论是3D形状电化学地区分了尖端与基部的活性，即使它是相同的材料(这里是金属的)。
示例7：频率对顶点处表面改性的影响
目的：控制位于金字塔形阵列电极顶点的表面附着程度。(图18-19)
方法：
为了将二茂铁共价附着到SAM，按照示例2进行，将原液与乙炔基二茂铁一起加入到电池中。然后通过计时电流法，通过使用在-300mV(相对于Ag/AgCl)的活化电压和+500mV的失活电压之间交替的一系列电压脉冲，电化学地活化反应。使用三种不同的脉冲频率(1.6Hz、10Hz和160Hz)，在每种情况下将占空比保持在20％(即，失活时间总是比活化时间长四倍)。在每10秒脉冲后，用去离子水洗涤电池，并加入1M高氯酸水溶液。为了测定二茂铁表面覆盖率，循环伏安图在+200mV和+700mV(相对于Ag/AgCl)之间，以300mV/s的扫描速率进行。然后用去离子水洗涤电池，加入新鲜的等分试样的乙炔基二茂铁加Cu(NO3)2和TTMA溶液，重复电化学反应直至二茂铁表面覆盖率没有进一步变化。
结果：
随着脉冲频率的增加，二茂铁表面覆盖率降低。这种趋势表明，随着脉冲频率的增加，二茂铁的附着变得更加聚焦在顶点。这与Cu(II)TTMA到Cu(I)TTMA的局部还原是一致的，这是由于顶点处的较高电流密度和扩散控制反应所致。
随着脉冲频率的增加，在顶点处产生的Cu(I)TTMA催化剂有更少的时间扩散到电极表面，因此最大化扩散的电极位置优先反应。对于在这项工作中探索的金字塔形电极，金字塔顶点的尖端具有最大的扩散速率，并呈现类似于在标准微电极上观察到的球形扩散。
结论：
使用脉冲频率，可以在顶点处高精度地实现表面改性(图19)
示例8：用固定在顶点处的有机金属催化剂进行纳米级催化
证明具有表面结构的电极阵列的电荷密度(电压或电流)分布可用于增强固定的有机金属催化剂的活性
方法：
按照示例7，使用电化学表面改性将二茂铁固定在平坦和锥形电极两者上。进行实验使得二茂铁在平面和金字塔上的表面覆盖率相当(图20、21)。在PBS中进行1(图23)和100mM(图22)抗坏血酸钠的电化学转化。
结果：
已知二茂铁在掺入SAM改性的金电极时促进抗坏血酸的氧化(图20和21)。已知抗坏血酸的氧化是双电子双质子氧化过程，其产生单一产物。二茂铁与N3-C11SH/C10SH附着时，电流上升，达到峰值并下降，表明扩散限制过程。图22示出二茂铁活性在典型平面与金字塔结构电极抗坏血酸氧化上的比较。类似于氢气产生和氧气还原，当使用引发氧化过程所需的电压显著降低时，观察到催化性能提高。
结论：
同样，令人惊讶的结论是3D形状电化学地区分了尖端与基部的活性，即使它是相同的材料(这里是有机金属)。通过降低转化的能量成本和反应发生的速率来改善催化作用。
异相电催化过程的效率以两种方式确定：
动力学效率，即催化发生的速度，主要与反应物和产物扩散到催化表面和从催化表面扩散的种子有关。
·热力学效率，即驱动电催化反应所需的能量。
在3D表面上获得的结果(例如示例8)最终表明表面结构在催化过程中起重要作用，这在本发明之前尚未被认识到。可以看出，与具有平坦表面的电极相比，所述方法实现了动力学和热力学效率的增加。事实上，平坦电极最好具有高点和低点波状，与本发明的电极传感器阵列相反，本发明的电极传感器阵列是受控尖端阵列。尽管两个电极(平坦和受控尖端阵列)在材料构成方面可以是相同的，但是使用尖端阵列(如本发明所教导的)具有不仅使催化剂周转率增加百万倍的效果，而且进行催化转化所需的能量也大大降低。对用户的好处是非常明显的。
清楚的是：
1.与平坦表面上的相同材料相比，位于尖端顶点的催化元素具有显著提高的催化转换率。
2.金属(Pt、Au、Ni)和有机金属(二茂铁、卟啉、菲咯啉、咪唑、三吡啶胺和三唑，与过渡金属(例如Fe、Mn、Mg、Cu、Ir、Co、Pt、Pd、Au、Ag、Mg在任何合适的氧化态下))催化均见效果，后者中催化剂保持在通过化学键附着到电极表面的笼状分子中。因此，所述方法不仅适用于非生物催化，而且适用于复杂的生物催化过程。
因此，本发明还可以包括一种将电荷密度(电压或电流)聚焦在电极阵列上的功能表面上的方法，所述方法包括以下步骤：
a.提供一种电极阵列，其包括：
i.支撑衬底；
ii.至少一个表面结构从支撑衬底的上表面突出以形成三维结构，其中表面结构包括电极层；
iii.电极层上的功能表面，其中功能表面位于至少一个表面结构的上部，并且其中功能表面适于接触溶液中的活性物质；
b.将表面结构暴露于包括活性物质和包括位于溶液中的对电极的溶液中；以及
c.在电极层和对电极之间建立电流或电压，使得电荷密度聚焦在功能表面上，并且活性物质在与功能表面接触后被电化学改性；以及
其中，在使用中，功能表面的电化学活性与支撑衬底的上表面不同，与功能表面和支撑材料的上表面是否由相同材料形成无关。
显而易见的是，功能表面和支撑材料的上表面可以由相同的材料形成，并且在使用中，电化学活性聚焦在功能表面处并且发现与支撑衬底的上表面不同。
如前所述，通过施加施加的电压或电流来引起功能表面和支撑衬底的上表面之间的电化学活性的不同，所述施加的电压或电流将电荷密度(电流或电压)聚焦在功能表面上。
形成阵列的各种组件的材料和实现各种功能的方法如前所述并重复(对于读者将清楚)。
如上所述，将电荷密度(电压或电流)聚焦在电极阵列上的功能表面上的方法也具有与使用平坦电极的方法相比增强动力学和热力学效率的结果。
可以看出本发明涉及并且包括以下潜在的权利要求：
1.一种在电极阵列上的功能表面处聚焦电荷密度(电压或电流)的方法，所述方法包括以下步骤：
d.提供一种电极阵列，其包括：
i.支撑衬底；
ii.从支撑衬底的上表面突出的至少一个表面结构，其中表面结构包括电极层；
iii.电极层上的功能表面，其中功能表面位于至少一个表面结构的上部，并且其中功能表面适于接触溶液中的活性物质；
e.将表面结构暴露于包括活性物质和对电极两者的溶液中；以及
f.在电极层和对电极之间建立电流(电荷密度(电压或电流)，使得电流聚焦在功能表面上，并且活性物质在与功能表面接触后被电化学改性。
2.如权利要求0所述的方法，其中所述功能表面位于所述表面结构的顶点处或其周围。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述活性物质包括催化剂，其中在与所述功能表面接触后通过电化学改性活化所述催化剂以产生活化的催化剂。
4.如权利要求0至3中任一项所述的方法，其中所述催化剂能够还原或氧化以形成活化催化剂。
5.如权利要求0至4中任一项所述的方法，其中所述催化剂包括铜、过渡金属、有机金属配合物、包括过渡金属的有机金属配合物或有机材料。
6.如权利要求0至5中任一项所述的方法，其中在功能表面上发生的催化剂的电化学活化比在电极层上的另一表面位置处发生的活化速率显著更高。
7.如权利要求0至6中任一项所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
a.电化学活化溶液中的活性物质以产生活化的催化剂。
8.如权利要求7所述的方法，其中活化的催化剂催化溶质反应物与结合层的反应，并且所述方法还包括以下步骤：
a.将溶质反应物附着到功能表面上的结合层上。
9.如权利要求7或8所述的方法，其中活化的催化剂催化溶质反应物与结合层的反应，以在功能表面上产生附着的产物。
10.如权利要求8或9所述的方法，其中溶质反应物和结合层之间的反应是铜(I)催化的叠氮化物炔环加成反应。
11.如权利要求7-10中任一项所述的方法，其中活性物质包括铜(II)，电化学活化的催化剂包括铜(I)。
12.如权利要求8-11中任一项所述的方法，其中所述溶质反应物包括具有功能组的化合物，所述功能组在所述活化催化剂存在时与所述结合层上的功能组反应。
13.如权利要求8-12中任一项所述的方法，其中所述溶质反应物还包括检测部分，所述检测部分适于在所述溶质反应物与所述结合层反应后附着到所述功能表面。
14.如权利要求8-13中任一项所述的方法，其中所述结合层包括自组装单层。
15.如权利要求8-14中任一项所述的方法，其中所述结合层存在于下列中的至少一个上：
i.功能表面；
ii.表面结构；
iii.钝化层；或者
iv.支撑衬底。
16.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法还包括在以下至少一个上沉积SAM：
i.功能表面；
ii.表面结构；
iii.钝化层；或者
iv.支撑衬底。
17.如权利要求16所述的方法，其中沉积SAM的步骤在以下任一情况下实施：
a.在与功能表面接触后电化学活化活性物质以产生活化的催化剂之前；或者
b.在将溶质反应物附着到功能表面上的结合层之前。
18.如权利要求9-17中任一项所述的方法，其中所述附着产物选自以下构成的群组：
a.功能组，例如选自由羧酸、胺、醇、醛、生物素、抗生物素蛋白、叠氮化物和乙炔基构成的群组的功能组；
b.适合于与溶液中的靶分析物结合的结合剂，例如选自由抗原、抗体、抗体片段、单链可变片段、生物素化蛋白质、肽、核酸、抗生物素蛋白、链霉抗生物素蛋白、NeutrAvidin、含有多组氨酸或谷胱甘肽S-转移酶的重组表达蛋白、炔基醌、叠氮化物、四嗪、大或小含胺分子、含巯基的分子或表达谷胱甘肽S-转移酶(GST)的蛋白质、金属和金属盐(例如铅、磷酸盐、铬、铂、钯、铱、铜)、ssDNA、ssRNA、miRNA、mRNA、适体和含有和不含间隔分子的小分子构成的群组；
c.催化物质，其催化溶液中的反应，例如选自由铜、过渡金属、有机金属配合物、包括过渡金属的有机金属配合物或能够被氧化或还原的有机材料的催化剂；以及
d.检测部分，例如选自由荧光团、乙炔基功能化荧光团、蛋白质、抗体、核酸、DNA、RNA、小分子或功能组的检测部分、例如选自由羧酸、胺、醇、酯、酮和醛组成的组。
19.如权利要求1至18中任一项所述的方法，其中所述电极阵列包括覆盖所述功能表面和所述阵列的其他表面的至少一部分的结合层，其中与电极阵列上的其他位置相比，在电极层和对电极之间建立电流的步骤导致从功能表面选择性地去除结合层。
20.如权利要求0至19中任一项所述的方法，还包括以下步骤：
a.与电极阵列上的其他位置相比，从功能表面选择性地去除至少部分结合层。
21.如权利要求20所述的方法，还包括以下步骤：
a.在已经过选择性去除第一结合层的功能表面上选择性沉积另外的结合层。
22.如权利要求20所述的方法，其中所述电极阵列包括在所述表面结构的下部上但在所述表面结构的上部不存在的结合层，并且所述方法还包括以下步骤：
a.在功能表面上选择性沉积另外的结合层。
23.如权利要求22所述的方法，其中沉积另外的结合层的步骤包括将活性物质偶联到功能表面上的结合层。
24.如权利要求23所述的方法，其中所述偶联包括1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)-碳二亚胺/N-羟基琥珀酰亚胺(EDC/NHS)偶联反应。
25.如权利要求19-24中任一项所述的方法，其中所述活性物质在带电荷物质或带离子物质中溶剂化。
26.如权利要求19-25中任一项所述的方法，其中所述结合层包括自组装单层(SAM)。
27.如权利要求26所述的方法，其中SAM存在于电极层的上表面上。
28.如权利要求26或27所述的方法，其中SAM存在于支撑衬底的上表面上。
29.如权利要求26-28中任一项所述的方法，其中所述SAM选自由以下构成的群组：
a.包括C6或更大碳链的长链分子；
b.包括C5或更小碳链的短链分子；
c.包括长链分子和短链分子的混合SAM，所述长链分子包括C6或更大的碳链和所述短链分子为C5或更小碳链。
30.如权利要求29所述的方法，其中：
a.长链SAM包括选自由叠氮化物、胺、羧酸盐、醛、酮、酯或羧酸的分子构成的群组；以及
b.短链SAM包括选自由烷烃、叠氮化物、胺、羟基、羧酸盐或羧酸的分子构成的群组。
31.如权利要求26-30中任一项所述的方法，其中所述SAM包括短链分子，所述短链分子包括C5或更小的碳链，并且其中所述表面结构的上部是以下中任一：
a.无SAM；或者
b.其中SAM适于通过在电极层和对电极之间建立电流来去除。
32.如权利要求26-30中任一项所述的方法，其中所述SAM包括具有C1至C50的碳链的烷硫醇，并且其中所述表面结构的上部是以下中任一：
a.无SAM；或者
b.其中SAM适于通过在电极层和对电极之间建立电流来去除。
33.如权利要求26至32中任一项所述的方法，其中所述电极阵列包括在所述表面结构的上部和下部上的SAM结合层，并且所述活性物质与所述功能表面的接触导致从电荷密度(电压或电流)被聚焦的表面结构上部选择性地去除所述SAM结合层。
34.如权利要求26至33中任一项所述的方法，还包括以下步骤：
a.在功能表面上的电极层的现在暴露部分上选择性地沉积另外的结合层。
35.如权利要求8至33中任一项所述的方法，其中所述结合层还包括选自由抗原、抗体、抗体片段、单链可变片段、生物素化蛋白质、肽、核酸、抗生物素蛋白、链霉抗生物素蛋白、NeutrAvidin、含有多组氨酸或谷胱甘肽S-转移的重组表达的蛋白质酶、炔基醌、叠氮化物、四嗪、大或小含胺分子、含巯基的分子或表达谷胱甘肽S-转移酶(GST)的蛋白质、金属和金属盐、铅、磷酸铅、铬、铂、钯、铱和铜构成的群组的结合剂。
36.如权利要求35所述的方法，其中所述结合剂能够结合溶液中的靶分析物。优选地，结合剂选自核酸、ssDNA、ssRNA、miRNA、mRNA、适体、抗体、具有和不具有间隔分子的小分子。
37.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述电极阵列包括沉积在所述支撑衬底上并覆盖所述表面结构的上部的钝化层。
38.如权利要求37所述的方法，其中施加电流以聚焦电荷密度(电压或电流)的步骤导致去除表面结构的上部上的功能表面上的钝化层。
39.如权利要求37或38所述的方法，其中通过在对电极和电极表面之间建立电流来去除钝化层。
40.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述活性物质包括带电颗粒，其中所述带电颗粒在电化学改性后附着于所述功能表面。
41.如权利要求40所述的方法，其中带电颗粒包括金属离子。
42.如权利要求41所述的方法，其中金属离子包括离子形式的铂、金、钯、铁、铱、银、铜、合金或过渡金属。
43.如权利要求40-42中任一项所述的方法，其中带电颗粒包括用于生物传感器的结合剂。
44.如权利要求43所述的方法，其中所述结合剂选自由抗原、抗体、抗体片段、单链可变片段、生物素化蛋白质、肽、核酸、抗生物素蛋白、链霉抗生物素蛋白、NeutrAvidin、含有多组氨酸或谷胱甘肽S-转移酶的重组表达的蛋白质、大或小含胺分子、含巯基的分子或表达谷胱甘肽S-转移酶(GST)的蛋白质、金属、金属盐、铅、磷酸铅、铬、铂、钯、铱和铜构成的群组。
45.如权利要求40-44中任一项所述的方法，其中附着在功能表面上的带电颗粒的密度大于附着在电极层的其他暴露表面上的带电颗粒的密度。
46.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述功能表面位于所述电极层的上表面上。
47.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述功能表面位于从所述支撑衬底或所述钝化层突出的表面结构上的电极层的上表面上。
48.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述功能表面通过所述钝化层或所述支撑衬底与其他表面结构上的其他功能表面分离。
49.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，一个电极层上的功能表面电连接到同一电极层上的至少一个另外的功能表面。
50.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中功能表面的范围由大于在电极层的平坦表面上测量的电荷密度(电压或电流)的电荷密度(电压或电流)限定。
51.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中与所述平坦表面相比，所述功能表面上的电荷密度(电压或电流)至少大2倍。
52.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中与平坦表面相比，功能表面上的电荷密度(电压或电流)至少大5倍。
53.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述表面结构突出穿过所述钝化层。
54.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述表面结构包括位于所述表面结构顶部的顶点。
55.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述表面结构或其上部选自由以下构成的群组：
a.圆顶形；
b.锥形；
c.金字塔形；
d.乳头状；
e.脊状；
f.凸形；
g.多面体形；
h.锥形到顶点；
i.倒圆到顶点；
j.具有沿正交于支撑衬底的顶表面的平面的三角形横截面；
k.沿正交于支撑衬底的顶表面的平面具有凸形横截面；
l.沿正交于支撑衬底的顶表面的平面具有半圆形横截面；
m.沿正交于支撑衬底的顶表面的平面具有乳头状横截面。
56.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述表面结构沿着平行于所述支撑衬底的顶表面的平面具有基本上三角形、基本圆形或基本上正方形的横截面。
57.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述表面结构的横截面面积沿着与所述支撑衬底的顶表面正交的轴线减小。
58.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述表面结构与所述支撑衬底是一体的。
59.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述电极层沉积在所述表面结构的上表面上并且可选地沉积在所述支撑衬底上。
60.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述阵列内电连接两个或更多个表面结构的上表面上的电极层。
61.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述电极阵列包括在所述支撑衬底上的钝化层和所述表面结构的下部。
62.如权利要求61所述的方法，其中所述钝化层不存在于所述表面结构的上部。
63.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述功能表面的范围通过在所述支撑衬底上沉积钝化层和所述表面结构的下部来限定，使得所述钝化层不存在于功能表面中。
64.如权利要求61-63中任一项所述的方法，其中所述钝化层选自由交联聚合物、光致抗蚀剂、自组装单层(SAM)，环氧基负性光致抗蚀剂和SU-8构成的群组。
65.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述溶液包括电解质、有机溶剂、醇、醚、丙酮、DMSO、NaCl、H2SO4、HNO3、NaOH、淡水、海水、血液、尿液、牛奶、唾液或含碱金属氯离子和铜2+离子的缓冲溶液。
66.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述对电极选自由惰性导电材料、金属、Pt、金、碳、石墨、石墨烯、碳纤维、碳纳米管、Bucky球、导电聚合物PPy、PA、PAcetylene构成的群组。
67.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述对电极选自由相对于所述表面结构的固定方位、附着到所述电极阵列、保持在使得阵列的每个表面结构之间的距离差异最小化的方位上，以及阵列的上表面上方构成的群组。
68.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在电极层处测量的在电极层和对电极之间建立的电流是氧化电流或还原电流。
69.如权利要求68所述的方法，其中在对电极和电极层之间建立的电势差在约-2V和+2V之间。
70.如权利要求69所述的方法，其中电势差在约-200mV和-1V之间。
71.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述电流在活化电势和失活电势之间脉冲。
72.如前述权利要求中任一项的方法，其中活性物质的电化学改性导致可检测响应的引发。
73.如权利要求72所述的方法，其中可检测响应包括电流、电压、电容、电阻、电导、阻抗、磁通量或电场的变化。
74.一种电极阵列，包括：
a.支撑衬底；
b.至少一个表面结构从支撑衬底的上表面突出，其中表面结构包括电极层；
c.电极层上的功能表面，其中功能表面位于至少一个表面结构的上部，并且其中功能表面适于接触溶液中的活性物质；
d.结合层，其中结合层是以下中任一：
i.以比电极阵列上的非功能表面显著增加的密度存在于功能表面上；或者
ii.以比在表面结构上的功能表面上的位置显著增加的密度存在于电极阵列的非功能表面上，
其中功能表面位于表面结构的顶点处或其周围。
75.一种电极阵列，包括：
a)支撑衬底；
b)从支撑衬底的上表面突出的至少一个表面结构，其中表面结构包括电极层；
c)电极层上的功能表面，其中功能表面位于至少一个表面结构的上部，并且其中功能表面适于接触溶液中的活性物质；
d)结合层，其中结合层是以下中任一：
i)以比电极阵列上的非功能表面显著增加的密度存在于功能表面上；或者
ii)以比在表面结构上的功能表面上的位置显著增加的密度存在于电极阵列的非功能表面上；
其中所述功能表面位于所述表面结构的顶点处或其周围，并且其中所述表面结构顶点至顶点彼此分离约5nm至约1000μm，并且其中所述分离优选但可选地基本上均匀。
76.如权利要求74所述的电极阵列，其中所述表面结构顶点至顶点彼此分离约50nm至约1000μm；约100nm至约1000μm；约250nm至约1000μm；约5nm至约750μm；约5nm至约500μm；约5nm至约100μm。
77.如权利要求74至76所述的电极阵列，其中所述功能表面包括由电荷密度(电压或电流)限定的电极层的一部分，当在接触电极层的溶液中在电极层和对电极之间建立电流时，所述电荷密度(电压或电流)比在等效条件下在电极层的平坦表面上测量的电荷密度(电压或电流)至少大两倍。
78.如权利要求74至77所述的电极阵列，其中所述结合层包括如权利要求27至33或35中任一项所定义的自组装单层(SAM)，或如权利要求41至44所定义的带电颗粒。
79.如权利要求74至78中任一项所述的电极阵列，其中所述功能表面位于所述电极层的上表面上。
80.如权利要求74-79中任一项所述的电极阵列，其中所述功能表面位于从所述支撑衬底或所述钝化层突出的表面结构上的电极层的上表面上。
81.如权利要求74-80中任一项所述的电极阵列，其中所述功能表面通过钝化层或所述支撑衬底与其他表面结构上的其他功能表面分离。
82.如权利要求74-81中任一项所述的电极阵列，其中一个电极层上的功能表面电连接到同一电极层上的至少一个另外的功能表面。
83.如权利要求74-82中任一项所述的电极阵列，其中功能表面的范围由大于当阵列在使用中时在电极层的平坦表面上测量的电荷密度(电压或电流)的电荷密度(电压或电流)限定。
84.如权利要求74-83中任一项所述的电极阵列，其中所述表面结构突出穿过所述钝化层。
85.如权利要求74-84中任一项所述的电极阵列，其中所述表面结构包括位于所述表面结构顶部的顶点。
86.如权利要求74-85中任一项所述的电极阵列，其中所述表面结构或其上部选自由以下构成的群组：
a.圆顶形；
b.锥形；
c.金字塔形；
d.乳头状；
e.脊状；
f.凸形；
g.多面体形；
h.锥形到顶点；
i.倒圆到顶点；
j.具有沿正交于支撑衬底的顶表面的平面的三角形横截面；
k.沿正交于支撑衬底的顶表面的平面具有凸形横截面；
l.沿正交于支撑衬底的顶表面的平面具有半圆形横截面；
m.沿正交于支撑衬底的顶表面的平面具有乳头状横截面。
87.如权利要求74-86中任一项所述的电极阵列，其中所述表面结构沿着平行于所述支撑衬底的顶表面的平面具有基本上三角形、基本圆形或基本上正方形的横截面。
88.如权利要求74-87中任一项所述的电极阵列，其中所述表面结构的横截面面积沿着与所述支撑衬底的顶表面正交的轴线减小。
89.如权利要求74-88中任一项所述的电极阵列，其中所述表面结构与所述支撑衬底是一体的。
90.如权利要求74-89中任一项所述的电极阵列，其中所述电极层沉积在所述表面结构的上表面和可选的所述支撑衬底上。
91.如权利要求74-90中任一项所述的电极阵列，其中在两个或更多个表面结构的上表面上的电极层在阵列内电连接。
92.如权利要求74-91中任一项所述的电极阵列，其中所述电极阵列包括在所述支撑衬底上的钝化层和所述表面结构的下部。
93.如权利要求92所述的电极阵列，其中所述钝化层不存在于所述表面结构的上部。
94.如权利要求74至93中任一项所述的电极阵列，其中所述功能表面的范围通过在所述支撑衬底上沉积钝化层和所述表面结构的下部来限定，使得所述钝化层不存在于功能表面上。
95.如权利要求92-94中任一项所述的电极阵列，其中所述钝化层选自由交联聚合物、光致抗蚀剂、自组装单层(SAM)，环氧基负性光致抗蚀剂和SU-8构成的群组。
96.如权利要求74-95中任一项所述的电极阵列，其中所述电极阵列还包括选自由惰性导电材料、金属、Pt、金、碳、石墨、石墨烯、碳纤维、碳纳米管、Bucky球、导电聚合物PPy、PA、PAcetylene构成的群组的对电极。
97.如权利要求96所述的电极阵列，其中所述对电极相对于所述表面结构处于固定方位、附着到所述电极阵列、保持在使得阵列的每个表面结构之间的距离差异最小化的方位上，以及阵列的上表面上方；以及/或包括3D表面特征，被配置为促进3D工作电极上的电荷密度(电压或电流)的位置，例如一系列尖端反射工作电极的尖端。
98.一种聚焦电极阵列上的功能表面处的电荷密度(电压或电流)的方法，所述方法包括以下步骤：
a)提供一种电极阵列，其包括：
i)支撑衬底；
ii)从支撑衬底的上表面突出的至少一个表面结构，其中表面结构包括电极层；
iii)电极层上的功能表面，其中功能表面位于至少一个表面结构的上部，并且其中功能表面适于接触溶液中的活性物质；
b)将表面结构暴露于包括活性物质并包括对电极的溶液中；以及
c)在电极层和对电极之间建立电流或电压，使得电流(电荷密度(电压或电流))聚焦在功能表面上，并且活性物质在与功能表面接触后被电化学改性。
99.一种在电极阵列上的功能表面处聚焦电荷密度(电压或电流)的方法，所述方法包括以下步骤：
a)提供一种电极阵列，其包括：
i)支撑衬底；
ii)从支撑衬底的上表面突出的至少一个表面结构，其中表面结构包括电极层；
(i)电极层上的功能表面，其中功能表面位于至少一个表面结构的上部，并且其中功能表面适于接触溶液中的活性物质；
(ii)其中表面结构顶点至顶点彼此分离约5nm至约1000μm，并且其中该分离优选但是可选地基本均匀；
b)将表面结构暴露于包括活性物质并包括对电极的溶液中；以及
c)在电极层和对电极之间建立电流或电压，使得电流(电荷密度(电压或电流))聚焦在功能表面上，并且活性物质在与功能表面接触后被电化学改性。
100.根据前述权利要求中任一项所述的方法或阵列，其中所述阵列包括在所述表面结构的顶点处的催化剂和在所述表面结构之间的谷中的助催化剂，所述催化剂选自过渡金属(例如Ni、Cr、Cu、Ag、Pt、Pd、Fe和Ir)中的任何一种或多种，并且所述助催化剂选自任何一种或多种金属(例如铝、钙、铈、镓、铪、铁、镧、镁、锶、钛、锆或锌)的氧化物。
101.一种在电极阵列上的功能表面处聚焦电荷密度(电压或电流)的方法，所述方法包括以下步骤：
a.提供一种电极阵列，其包括：
i.支撑衬底；
ii.至少一个表面结构从支撑衬底的上表面突出以形成三维结构，其中表面结构包括电极层；
iii.电极层上的功能表面，其中功能表面位于至少一个表面结构的上部，并且其中功能表面适于接触溶液中的活性物质；
b.将表面结构暴露于包括活性物质和对电极的溶液中；以及
c.在电极层和对电极之间建立电流或电压，使得电流(电荷密度(电压或电流))聚焦在功能表面上，并且活性物质在与功能表面接触后被电化学改性；并且
其中，功能表面和支撑材料的上表面由相同的材料形成，并且在使用中，电化学活性聚焦在功能表面处并且与支撑衬底的上表面不同。

Claims (54)

1.一种在电极阵列上的功能表面处聚焦电荷密度(电压或电流)的方法，所述方法包括以下步骤：
a.提供一种电极阵列，其包括：
i.支撑衬底；
ii.从支撑衬底的上表面突出的至少一个表面结构，其中表面结构包括电极层；
iii.电极层上的功能表面，其中功能表面位于至少一个表面结构的上部，并且其中功能表面适于接触导电溶液中的活性物质；
b.将表面结构暴露于包括活性物质的导电溶液中，其中放置对电极；以及
c.在电极层上的功能表面和对电极之间建立电流或电压，使得电荷密度聚焦在电极层上的功能表面上。
2.如权利要求1或2所述的方法，其中所述功能表面位于所述表面结构的顶点处或其周围。
3.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述功能表面位于所述表面结构的顶点处或周围，并且所述表面结构逐渐变细到顶点和/或沿平行于支撑衬底顶表面的平面具有基本上三角形的横截面。
4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述功能表面位于所述表面结构的顶点处或其周围，并且其中每个表面结构的顶点的宽度在约1nm至约50微米之间，表面结构在其与支撑衬底连结处的宽度为约20nm至约5000μm之间，并且其中表面结构的顶点处的宽度小于其与支撑衬底连结处表面结构的宽度。
5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述功能表面位于所述表面结构的顶点处或其周围，并且其中所述表面结构的顶点，顶点至顶点彼此分离约50nm至约1000μm。
6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述表面结构是金字塔形、圆锥形、脊状或其组合。
7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述对电极结构是平坦的、金字塔形的、圆锥形的或脊状的。
8.一种在电极阵列上的功能表面处聚焦电荷密度(电压或电流)并电化学改性暴露于阵列的导电溶液中的活性物质的方法，所述方法包括以下步骤：
a.提供一种电极阵列，其包括：
i.支撑衬底；
ii.从支撑衬底的上表面突出的至少一个表面结构，其中表面结构包括电极层；
iii.电极层上的功能表面，其中功能表面位于至少一个表面结构的上部，并且其中功能表面适于接触导电溶液中的活性物质；
b.将表面结构暴露于包括活性物质并且在其中包括对电极的溶液中；以及
c.在电极层和对电极之间建立电流或电压，使得电荷密度聚焦在功能表面上，并且活性物质在与功能表面接触后被电化学改性。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述功能表面和所述支撑材料的上表面由相同的材料形成，并且在使用中，电化学活性聚焦在所述功能表面处并且与所述支撑衬底的上表面不同。
10.如权利要求8或9所述的方法，其中功能表面由催化材料形成，所述催化材料通过电化学改性通过电极层和对电极之间的电流或电压活化。
11.如权利要求10所述的方法，其中催化材料是Pt、Au、Ni。
12.如权利要求8或9所述的方法，其中导电溶液中的活性物质包括催化剂，其中催化剂在与功能表面接触后通过电化学改性活化以产生活化的催化剂。
13.如权利要求12所述的方法，其中催化剂选自金属和有机金属材料。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述金属材料选自Pt、Au和Ni中的一种或多种，并且其中所述有机金属材料选自二茂铁和卟啉或邻菲啰啉、卟啉、咪唑、三吡啶胺和三唑，与过渡金属。
15.如权利要求14所述的方法，其中过渡金属选自Ru、Fe、Mn、Mg、Cu、Ir、Co、Pt、Pd、Au、Ag、Mg中的一种或多种。
16.如权利要求8-15中任一项所述的方法，其中与平坦电极相比，电化学改性的热力学效率和动力学效率得到改善。
17.如权利要求8-16中任一项所述的方法，其中所述电极阵列包括覆盖所述功能表面和所述阵列的其他表面的至少一部分的结合层，其中与电极阵列上的其他位置相比，在电极层和对电极之间建立电流的步骤导致从功能表面选择性地去除结合层。
18.如权利要求17所述的方法，还包括在已经过选择性去除第一结合层的功能表面上选择性沉积另外的结合层的步骤。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述电极阵列包括结合层，并且其中由于选择性沉积，所述结合层以比电极阵列上的非功能表面显著增加的密度存在于表面结构上的功能表面上；或者以比在表面结构上的功能表面上的位置显著增加的密度存在于电极阵列的非功能表面上。
20.如权利要求17-19中任一项所述的方法，其中所述结合层包括自组装单层(SAM)。
21.如权利要求8-20中任一项所述的方法，其中所述阵列包括在所述表面结构的顶点处的催化剂和在所述表面结构之间的助催化剂。
22.如权利要求21所述的方法，其中所述助催化剂选自任何一种或多种金属(例如铝、钙、铈、镓、铪、铁、镧、镁、锶、钛、锆、钌、镍和/或锌)的氧化物。
23.如权利要求17-22中任一项所述的方法，其中电极阵列上的活化催化剂催化溶质反应物在另一导电溶液或相同导电溶液中与结合层的反应，所述方法还包括将溶质反应物附着到功能表面上的结合层的步骤。
24.如权利要求23所述的方法，其中所述溶质反应物选自由以下构成的群组：
a.功能组，例如选自由羧酸、胺、醇、醛、生物素、抗生物素蛋白、叠氮化物和乙炔基构成的群组的功能组；
b.适合于与溶液中的靶分析物结合的结合剂，例如选自由抗原、抗体、抗体片段、单链可变片段、生物素化蛋白质、肽、核酸、抗生物素蛋白、链霉抗生物素蛋白、NeutrAvidin、含有多组氨酸或谷胱甘肽S-转移酶的重组表达的蛋白质、炔基醌、叠氮化物、四嗪、大或小含胺分子、含巯基的分子或表达谷胱甘肽S-转移酶(GST)的蛋白质、金属和金属盐(如铅、磷酸铅、铬、铂、钯、铱、铜)、ssDNA、ssRNA、miRNA、mRNA、适体和含有和不含间隔分子的小分子构成的群组；
c.催化物质，其催化溶液中的反应，例如选自由铜、过渡金属、有机金属配合物、包括过渡金属的有机金属配合物或能够被氧化或还原的有机材料的催化剂构成的群组；以及
d.检测部分，例如选自由荧光团、乙炔基功能化荧光团、蛋白质、抗体、核酸、DNA、RNA、小分子或功能组构成的群组的检测部分，例如选自由羧酸、胺、醇、酯、酮和醛构成的群组的检测部分。
25.如权利要求24所述的方法，其中溶质反应物的附着包括1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)-碳二亚胺/N-羟基琥珀酰亚胺(EDC/NHS)偶联反应。
26.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述活性物质在所述导电溶液中的电荷携带物质或离子物质内溶剂化。
27.如权利要求20-26中任一项所述的方法，其中所述SAM选自由以下构成的群组：
a.包括C6至C24的碳链或其组合的长链分子；
b.包括C5至C1的碳链或其组合的短链分子；
c.包括长链分子的混合SAM，所述混合SAM包括C6至C24的碳链和C5至C1的短链分子。
28.如权利要求27所述的方法，其中：
a.长链SAM还包括选自由叠氮化物、胺、羧酸盐、醛、酮、酯或羧酸的分子构成的群组；以及
b.短链SAM还包括选自由烷烃、叠氮化物、胺、羟基、羧酸盐或羧酸的分子构成的群组。
29.如权利要求20-28中任一项所述的方法，其中所述SAM包括短链分子，所述短链分子包括C5至C1的碳链，并且其中所述表面结构的上部是以下中任一：
a.无SAM；或者
b.其中SAM适于通过在电极层和对电极之间建立电流来去除。
30.如权利要求20-28中任一项所述的方法，其中所述SAM包括具有C6至C24的碳链的长链SAM，并且其中所述表面结构的上部是以下中任一：
a.无SAM；或者
b.其中SAM适于通过在电极层和对电极之间建立电流来去除。
31.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述表面结构与所述支撑衬底是一体的。
32.如权利要求8-31中任一项所述的方法，其中所述电极阵列包括在表面结构之间的钝化层，所述表面结构选自由交联聚合物，光致抗蚀剂，自组装单层(SAM)，环氧基负性光致抗蚀剂和SU-8。
33.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述对电极由选自由惰性导电材料、金属、Pt、金、碳、石墨、石墨烯、碳纤维、碳纳米管、Bucky球、导电聚合物PPy、PA、PAcetylene构成的群组的材料形成。
34.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述对电极是(a)相对于所述表面结构处于固定方位，(b)附着到所述电极阵列，(c)保持在使得阵列的每个表面结构之间的距离差异最小化的方位上，或(d)阵列的上表面上方。
35.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中在对电极和电极层之间建立的电势差在约-2V和+2V之间。
36.如权利要求364所述的方法，其中所述电势差在约-200mV和-1V之间。
37.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中在电极层和对电极之间建立的电流在活化电势和失活电势之间脉冲。
38.一种电极阵列，包括：
a.支撑衬底；
b.从支撑衬底的上表面突出的至少一个表面结构，其中表面结构包括电极层；
c.电极层上的功能表面，其中功能表面位于至少一个表面结构的上部，并且其中功能表面适于接触导电溶液中的活性物质；
d.结合层，其中结合层是以下中任一：
i.以比电极阵列上的非功能表面显著增加的密度存在于功能表面上；或者
ii.以比在表面结构上的功能表面上的位置显著增加的密度存在于电极阵列的非功能表面上，
其中功能表面位于表面结构的顶点处或其周围。
39.如权利要求38所述的电极阵列，其中所述表面结构顶点至顶点彼此分离约50nm至约1000μm。
40.一种电极阵列，包括：
a.支撑衬底；
b.从支撑衬底的上表面突出的至少一个表面结构，其中表面结构包括电极层；
c.电极层上的功能表面，其中功能表面位于至少一个表面结构的上部，并且其中功能表面适于接触导电溶液中的活性物质；
d.结合层，其中结合层是以下中任一：
i.以比电极阵列上的非功能表面显著增加的密度存在于功能表面上；或者
ii.以比在表面结构上的功能表面上的位置显著增加的密度存在于电极阵列的非功能表面上；
其中所述功能表面位于所述表面结构的顶点处或其周围，并且其中所述表面结构顶点至顶点彼此分离约5nm至约1000μm，并且其中所述分离优选但可选地基本上均匀。
41.如权利要求398至41中任一项所述的电极阵列，其中所述结合层包括自组装单层(SAM)。
42.如权利要求398至42中任一项所述的电极阵列，其中所述功能表面位于所述电极层的上表面上。
43.如权利要求38至42中任一项所述的电极阵列，其中所述功能表面通过所述支撑衬底上的钝化层与其他表面结构上的其他功能表面分离。
44.如权利要求38至43中任一项所述的电极阵列，其中所述表面结构或其上部为锥形、金字塔形或脊状或其组合的形式。
45.如权利要求38-44中任一项所述的电极阵列，其中所述表面结构与所述支撑衬底是一体的。
46.如权利要求38-45中任一项所述的电极阵列，其中所述钝化层选自由交联聚合物、光致抗蚀剂、自组装单层(SAM)、环氧基负性光致抗蚀剂和SU-8构成的群组。
47.如权利要求38-46中任一项所述的电极阵列，其中所述电极阵列还包括对电极。
48.如权利要求47所述的电极阵列，其中所述对电极由选自由惰性导电材料、金属、Pt、金、碳、石墨、石墨烯、碳纤维、碳纳米管、Bucky球、导电聚合物PPy、PA、PAcetylene构成的群组的材料形成。
49.一种在电极阵列上的功能表面处聚焦电荷密度(电压或电流)的方法，所述方法包括以下步骤：
a.提供一种电极阵列，其包括：
i.支撑衬底；
ii.从支撑衬底的上表面突出的至少一个表面结构，其中表面结构包括电极层；
iii.电极层上的功能表面，其中功能表面位于至少一个表面结构的上部，并且其中功能表面适于接触导电溶液中的活性物质；
b.将表面结构暴露于包括活性物质并且在其中具有对电极的导电溶液中；
c.在电极层和对电极之间建立电流，使得电流聚焦在功能表面上，并且活性物质在与功能表面接触后被电化学改性；以及
d.其中(i)功能表面位于表面结构的顶点处或其周围，并且其中每个表面结构的顶点的宽度在约1nm至约50微米之间，并且表面结构在其与支撑衬底连结处的宽度为约20nm至约5000μm之间，并且其中表面结构顶点处的宽度小于其与支撑衬底连结处表面结构的宽度(ii)表面结构顶点到顶点彼此分离约5nm至约1000μm和(iii)支撑表面上方的表面结构的高度在约5nm和约5mm之间。
50.一种在电极阵列上的功能表面处聚焦电荷密度(电压或电流)的方法，所述方法包括以下步骤：
a.提供一种电极阵列，其包括：
i.支撑衬底；
ii.从支撑衬底的上表面突出的至少一个表面结构，其中表面结构包括电极层；
iii.电极层上的功能表面，其中功能表面位于至少一个表面结构的上部，并且其中功能表面适于接触导电溶液中的活性物质；
iv.其中表面结构顶点至顶点彼此分离约5nm至约1000μm，并且其中该分离优选但是可选地基本均匀；
b.将表面结构暴露于包括活性物质并且其中具有对电极的溶液中；以及
c.在电极层和对电极之间建立电流，使得电流聚焦在功能表面上，并且活性物质在与功能表面接触后被电化学改性。
51.一种在电极阵列上的功能表面处聚焦电荷密度(电压或电流)的方法，所述方法包括以下步骤：
a.提供一种电极阵列，其包括：
i.支撑衬底；
ii.从支撑衬底的上表面突出的至少一个表面结构以形成三维结构，其中表面结构包括电极层；
iii.电极层上的功能表面，其中功能表面位于至少一个表面结构的上部，并且其中功能表面适于接触导电溶液中的活性物质；
b.将表面结构暴露于包括活性物质和具有位于其中的对电极的溶液中；以及
c.在电极层和对电极之间建立电流，使得电流聚焦在功能表面上，并且活性物质在与功能表面接触后被电化学改性；以及
其中，功能表面和支撑材料的上表面由相同的材料形成，并且在使用中，电化学活性聚焦在功能表面处并且与支撑衬底的上表面不同。
52.如权利要求549至51中任一项所述的方法，其中所述阵列包括在所述表面结构的顶点处的催化剂和在所述表面结构之间的谷中的助催化剂。
53.如权利要求52所述的方法，其中催化剂选自任何一种或多种过渡金属(例如Ni、Cr、Cu、Ag、Pt、Pd、Fe或Ir)，并且其中助催化剂选自任何一种或多种金属(例如铝、钙、铈、镓、铪、铁、镧、镁、锶、钛、锆或锌)的氧化物。
54.如权利要求49-53中任一项所述的方法，其中功能表面由催化材料形成。
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