单分子检测技术是一种在单分子层次上揭示组装基元/生物分子间相互作用的精妙方法，能够提供隐藏在系综实验中的分子结构与功能之间的丰富信息，因而被广泛应用于单个相互作用事件的动力学研究。针对传统的单分子荧光检测手段可能遇到的问题，如需要荧光标记、具有光漂白以及时间分辨率不足的问题，最近北京大学化学与分子工程学院郭雪峰课题组结合电学检测具有无损、无标记和实时检测的优点，分别从硅纳米线生物传感器和石墨烯基分子器件出发，发展了单分子动力学研究的电学新手段。相关成果分别发表在《德国应用化学》(Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 9035)和Science子刊Science Advances上(Sci. Adv. 2016, 2, e1601113)。
在基于硅纳米线器件的单分子检测研究方向，他们已在前期工作中通过结合微纳加工技术和界面化学修饰成功地构建了单分子生物传感器(Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 5038)，并希望能将该单分子检测技术延伸到单个生物分子间相互作用的研究中。为此目的，他们结合具有超快采样率和超高信噪比的锁相放大器，搭建出时间分辨率达到亚微秒级别的单分子电学测试平台。利用该平台进行测试，他们捕获到了用单个发卡状DNA分子修饰的硅纳米线生物传感器在PBS溶液中呈现出的双稳态震荡信号。通过一系列的温度梯度电学测试获得了单个DNA分子折叠与展开过程的热力学和动力学详细信息，这些信息与传统的光学手段测得的结果完全吻合，验证了该单分子电学检测平台的可靠性。更重要的是，依赖于该测试平台的高灵敏度和高时间分辨率，他们从实验上直接观察到了具有单个碱基对分辨率的杂交动力学过程，并提出动态拉链式模型来解释单碱基对逐一的杂交过程。该工作已发表在《德国应用化学》上(Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 9035)，被审稿人称为是“Pioneering”的研究工作。
在基于碳基分子器件的单分子检测研究方向，郭雪峰课题组长期致力于碳基单分子器件的制备方法学研究，已解决了单分子器件制备难、稳定性差的挑战性问题。在此基础上，课题组在前期工作中已将石墨烯电极成功地应用于构建单分子光电子器件(Science 2016, 352, 1443; Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 8666)和生物传感器(Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 12228; Chem. Sci. 2015, 6, 2469; J. Mater. Chem. B 2015, 3, 5150)。最近，他们与美国西北大学J. Fraser Stoddart（2016年诺贝尔化学奖获得者）课题组合作，以石墨烯基分子器件为测试平台，将“分子机器”中最常见的轮烷分子连接在石墨烯电极之间，研究了轮烷与甲基紫精的主客体分子间的反应动力学。相比传统的研究主客体分子相互作用的研究手段如质谱和核磁技术等，石墨烯基分子器件具有无标记、实时监测的优点且不依赖大型测试仪器，该方法开启了单分子器件在分子反应动力学研究的新篇章，未来在探究反应动力学和揭示有机反应机理上具有潜在的应用。该工作于11月25日发表在Science子刊Science Advances上(Sci. Adv. 2016, 2, e1601113)。
该工作得到了国家自然科学基金委、科技部和教育部基金的资助，特别感谢西北大学J. Fraser Stoddart教授，北京师范大学齐传民教授和天津大学苏纪豪教授。
原文链接：
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201603038/abstract
http://advances.sciencemag.org/content/2/11/e1601113
编辑：山石
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