實現單個分子動态變化的精準檢測是理解自然界基本物理現象和新奇效應的本征機制的關鍵之一。然而，由于傳統測量方法的檢測靈敏度和時間分辨率有限，在單分子水平實時檢測精細的分子内及分子間運動一直存在巨大的挑戰。
最近，beat365官方网站郭雪峰課題組與合作者發展了基于單分子器件平台的獨特電學檢測技術，從單分子水平研究了分子内及分子間的相互作用，捕獲到了系綜實驗難以觀察到的亞穩态構象，揭示了分子内與分子間弱相互作用的内在規律（圖1）。
圖1. 器件結構示意圖。左：分子内；右：分子間
他們利用分子工程學原理，分别将四苯乙烯（TPE）衍生物分子、[2]輪烷分子和全甲基化α-環糊精分子通過酰胺共價鍵連接到帶有羧基末端的石墨烯點電極，成功構築了石墨烯基單分子器件。通過實時電學監測，分别實現了TPE分子内運動、輪烷分子的随機穿梭以及光控超分子複合體相互作用的可視化。由于分子結構的動态變化會引起電子結構變化，因此可以通過電流信号的變化反饋分子立體結構的動态變化。
衆所周知，分子處于永不停歇的運動，并會影響其性質。TPE分子作為典型的聚集誘導發光（Aggregation-induced emission, AIE）分子，具有豐富的分子内運動類型，可以作為很好的研究體系，并結合光譜技術從單分子水平深刻理解AIE這一現象。作者通過共價連接的方式構築了穩定可靠的單分子器件，并通過非彈性電子隧穿譜表征了相關分子結構（圖2）。
圖2. 四苯乙烯(TPE)衍生物分子結構及電學表征
通過調節真空環境下的測試溫度（2 K–180 K），對比對照實驗的I–t信号，并結合理論計算，将電導态進行了嚴格歸屬（圖3）。這些實時變化的電流信号實現了分子内運動動态變化過程的可視化，包括TPE分子的準雙鍵扭轉(異構化)、苯環旋轉以及成環中間體形成。其中，成環中間體對應的電流信号僅在含甲氧基的TPE分子中捕獲到，而在其它分子中并未觀察到相應的電流信号，理論計算解釋其主要原因在于含甲氧基分子的環化結構對應基态的局域極小值，結構更加穩定。此外，也在特定溫度範圍内觀察到了分子橋兩端聯苯分子的扭轉，這與該課題組之前報道的立體電子效應的相關工作(Nano Lett. 2017, 17, 856; Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 12274)吻合，證明了該平台的可靠性和精準性。
圖3. 實時電導态信号及其對應分子内運動類型的歸屬
最後，作者詳細研究了溫度及電場強度對TPE分子雙鍵異構化的影響，根據實驗統計數據推導出相應的熱力學及動力學參數。随着溫度升高，實驗測得的兩種亞穩态構象（準平面及垂直構象）的壽命顯著減小且占比發生改變，表明溫度升高促進了異構化過程。同時，電場可以通過降低活化能，而不改變每種狀态的勢能，來促進雙鍵異構化。該工作以“Complete deciphering of the dynamic stereostructures of a single aggregation-induced emission molecule”為題發表在Matter雜志上（Matter 2022, DOI: 10.1016/j.matt.2022.01.016）。
基于輪烷的分子梭，是一種典型的人工納米機器，它由兩個組分機械互鎖而成，具有精确可控的一維大振幅運動的動力學特性。理解輪烷分子組分相對運動的動力學行為以及可能對其運動産生影響的機制、因素對于設計基于輪烷體系的複雜分子機器（人）至關重要。作者設計出了基于冠醚/二苯铵/三氮唑鎓的輪烷分子體系，并且在分子軸中間由兩個三氮唑連接（圖4）。
圖4. 基于輪烷體系的單分子器件示意圖
通過對該器件在298 K下乙腈溶液中的實時監測，可以得到實時的電流信号的變化，反應出輪烷分子的運動過程。通過分析電流信号（圖5），該測試條件下呈現出兩個電流狀态，結合能量計算以及透射譜圖分析，可以明确的将低态電流歸屬為冠醚環在二苯铵位點的狀态，将高态電流歸屬為冠醚環在三氮唑鎓位點的狀态。作者在乙腈溶液中的288–328 K溫度區間内進行電信号監測，得到每個溫度下的實時電信号數據，系統分析得出詳細的熱力學和動力學參數，闡明了對輪烷分子進一步設計具有參考價值的信息，比如大環在不同位點之間的分配比，大環和分子軸相對運動的速率常數等，并得到了理論模拟的結果支持。
圖5. 輪烷分子的電學測試及理論分析
此外，作者根據在極性更大的DMSO溶液中測試得到的實時電流信号，可以觀察到由系綜實驗無法确定的弱結合中間态的出現，這是由于大極性的DMSO對冠醚環和分子軸上不同位點之間氫鍵作用力的削弱作用，而凸顯了冠醚環和三氮唑之間的弱氫鍵作用。該工作以“Real-time observation of the dynamics of an individual rotaxane molecular shuttle using a single-molecule junction”為題發表在Chem雜志上（Chem 2022, 8, 243）。
接下來，為了進一步實現對于分子梭運動的控制，作者利用環糊精和偶氮化合物的可逆光控超分子體系研究了主客體分子之間的動态穿梭行為（圖6）。他們根據實時電流信号，在可見光條件下觀測到了運動過程中的三種結合狀态，在紫外光條件下觀測到了兩種結合狀态，并且它們之間可以實現相互切換。結合理論計算和透射譜分析，他們将電導态與超分子的結合狀态一一對應，成功實現了每一次穿梭過程的可視化。實驗和理論結果表明，在可見光條件下，分子梭表現出自由的往複運動和單向穿梭兩種運動模式；在紫外光條件下，分子梭表現出受限制的往複運動。并且，他們統計出了不同穿梭過程的動力學參數，實現了對于動态超分子體系的單分子動力學表征。該工作對于未來研究分子機器中更為複雜的運行機制（如棘輪原理）提供了新的思路，并且通過在客體分子上引入刺激響應功能單元對于發展新型的光響應單分子功能器件（如開關、傳感器和邏輯器件）有着重要的借鑒意義。該工作以“Stochastic Binding Dynamics of a Photoswitchable Single Supramolecular Complex”為題發表在Advanced Science雜志上（Adv. Sci. 2022, accepted）。
圖6. 基于光控可逆超分子體系的單分子器件示意圖
上述三個工作的器件制備和表征分别由beat365與華南理工大學聯合培養博士生楊才耀和beat365博士生蘇鼎凱完成，分子合成主要由華南理工大學博士生沈平川、華東師範大學博士後陳素君和東京大學Hiroshi Masai完成，理論模拟主要由清華大學博士後歐琪、中國科學院大學彭謙和beat365博士生周澍瑤完成。郭雪峰教授、唐本忠教授、帥志剛教授、張亮教授、David A. Leigh教授、劉志榮教授和Jun Terao教授分别為共同通訊作者。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://doi.org/10.1016/j.matt.2022.01.016
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