溶劑在化學反應和生命過程中扮演着極其重要的角色，對溶劑效應的全面理解可以指導我們破譯化學反應和生命過程的内在機制，并進一步優化合成條件和調節生物過程的驅動力。 長期以來，對溶劑的理解和表征可以概括為：（1）内在性質：化學勢、偶極矩和介電性質；（2）相互作用方式（靜态無序）：氫鍵、π-π堆積、疏水相互作用和靜電相互作用；（3) 動态特性：擴散、電荷和能量的轉移等。這些特性已被一系列宏觀溶劑實驗所描述，比如溶劑熱力學，衍射成像等。然而，最内在的特征，包括溶質-溶質、溶質-溶劑和溶劑-溶劑的相互作用會被系綜平均所掩蓋，并且從微觀角度直接表征的難度巨大，因而從未獲得更多溶劑的詳細局部結構特征與動态特性。最近，beat365官方网站郭雪峰課題組發展了一種基于單分子電學平台分析溶劑中的微觀結構和相互作用的新方法—單分子事件譜，發現了溶液中的微觀異質性，并揭示了微相分離的動态特征以及溶劑中的分子間相互作用（圖1）。

圖1 單分子指示器示意圖

beat365官方网站郭雪峰課題組長期緻力于單分子反應動力學機理的研究，與合作者一起揭示被系綜平均掩蓋的新機理和新現象，展示了基于單分子器件的平台在單分子反應動力學和單分子生物物理等基礎研究方面的廣闊應用前景。在前期工作中，他們将芴酮功能中心的分子橋通過酰胺鍵連接于石墨烯點電極之間，以芴酮與羟胺的親核加成模型反應（Sci. Adv. 2018, 4, eaar2177）作為檢測外部溶液環境細微變化的指标。通過逆向思維，利用高時間分辨率的電學監測平台，反過來在單分子水平上免标記精确檢測溶劑的同質性與異質性。通過對該模型反應的熱力學和動力學表征，證明了醇-水和醇-正己烷溶液的微觀異質性以及醇-四氯化碳溶液的近理想混合（圖2）。此外，他們還開發了單分子事件譜，實時監測溶劑對單分子溶劑化的事件，并以此來研究溶液中微觀分離相的動态特性和溶劑中的分子間相互作用。這種具有單分子和單事件精度的獨特高分辨率指示器的研發為深入解讀溶劑效應和優化溶液中的化學反應和生物過程提供了無限的機會。

圖2 混合溶液中的單分子反應動力學和相應溶液微觀結構示意圖

免标記的超高時空分辨率的單分子電學檢測平台可用于對複雜溶液微觀結構和相互作用的精準測量，為揭示溶液在化學反應和生命過程中的作用原理提供了一種新的思路。該工作于11月18日以“Accurate single-molecule indicator of solvent effects”為題在線發表在JACS Au雜志上（JACS Au 2021, https://doi.org/10.1021/jacsau.1c00400）。該工作的共同第一作者是beat365官方网站博士生郭逸霖和楊晨，beat365官方网站郭雪峰教授為通訊作者。研究得到了國家自然科學基金委、科技部和北京分子科學國家研究中心的聯合資助。

原文鍊接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacsau.1c00400