氫鍵作用是自然界廣泛存在的一種分子間作用力，對衆多化學、物理和生物過程都起到了關鍵的影響。在單分子層面研究氫鍵的動力學過程，能幫助人們理解其本質，進而為控制氫鍵、利用氫鍵奠定基礎。在此基礎上，我們未來有可能人工影響或控制水、DNA和蛋白質的結構，生命體和我們生活的環境也有可能因此而改變。然而，如何在單分子水平上實現對氫鍵動力學過程的直接檢測一直存在巨大的挑戰。最近，beat365官方网站郭雪峰課題組、中國科學技術大學楊金龍課題組和中科院化學研究所鐘羽武課題組合作發展了一種基于單分子器件平台的單分子電學檢測新方法和新技術，實現了在單分子水平上對氫鍵動态過程的原位直接觀測。

器件結構示意圖：利用超分子組裝而成的單分子器件實現了對四重氫鍵組裝動力學過程的直接檢測。

近兩年來，beat365官方网站郭雪峰課題組與其合作者利用單分子器件平台開展了一系列單分子本征物性、單分子化學反應動力學和單分子生物物理等方面的系統研究。他們利用石墨烯基單分子器件研制了國際首例穩定可逆的單分子光開關器件（Science 2016, 352, 1443; J. Phys. Chem. Lett. 2017, 8, 2849）；觀察到了低溫下聯苯基團由于單鍵的旋轉産生的精細立體電子效應（Nano Lett. 2017, 17, 856）；研究了分子間主客體相互作用的動力學過程（Science Advances 2016, 2, e1601113），揭示了羰基和羟胺反應形成酮肟的分子機制（Science Advances 2018, 4, eaar2177），證實了利用單分子電學檢測方法研究單分子反應動力學的可行性，為實現單分子化學反應的可視化研究邁出了重要的一步。他們利用矽基單分子器件實現了具有單堿基對分辨率的DNA雜交／托雜交動力學過程的研究（Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 9036）；在單分子水平上揭示了分子馬達水解的動力學過程（ACS Nano 2018, 11, 12789），展現了單分子器件在單分子生物物理研究方面的可靠性。分别應Chem. Rev.和Cell子刊Chem的邀請撰寫了單分子器件領域的綜述或評論性文章，展示了基于單分子器件的電學檢測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（Chem. Rev. 2016, 116, 4318；Chem 2017, 3, 373）。

最近，他們又和合作者将這一思路運用到分子間作用力動力學的研究中，設計合成了經典的脲基嘧啶酮四重氫鍵二聚體分子橋，并在末端修飾上氨基，通過穩定的酰胺鍵将帶有氫鍵的分子二聚體連接在石墨烯電極之間，并實現了具有單鍵分辨率的氫鍵動力學的實時直接監測。四重氫鍵具有良好的導電性，并且較為穩定，能滿足長時間溶液相測試要求。在電學檢測的過程中，氫鍵結構的變化将導緻分子軌道發生改變，從而影響導電通道，影響器件的電導特性。因此，通過實時檢測器件的電導變化就可以實現對氫鍵動态變化在單分子水平上的直接觀察，如下圖所示。通過這種方法他們研究了不同溶劑、溫度下的脲基嘧啶酮四重氫鍵二聚體的分子異構過程，成功檢測到氫原子參與的互變異構過程的電學信号，并進一步揭示了溶劑、溫度對此過程的影響機制。理論計算和電流信号分析結果一緻認為，導緻電導發生變化的本質原因是由電緻氫遷移和内酰胺-内酰亞胺互變異構引起的異構化過程。

在不同的放大時間尺度下四重氫鍵在二苯乙醚溶液中的電流随時間變化規律以及相應動力學參數統計分析

由此可見，單分子電學檢測新技術可以直接捕捉到系綜實驗無法觀測到的化學、生物分子相互作用過程中的大量精細信息，是一種在單分子水平上對分子間作用力動力學研究的強有力手段。該工作于2月23日以“Direct observation of single-molecule hydrogen-bond dynamics with single-bond resolution”為題在線發表在Nature Communications雜志上（Nature Communications 2018, 9, 807, DOI: 10.1038/s41467-018-03203-1）。

該論文的共同第一作者分别是郭雪峰課題組的博士生周策、楊金龍課題組的李星星博士和鐘羽武課題組的龔忠亮博士。郭雪峰教授、楊金龍教授和鐘羽武研究員為共同通訊作者。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://www.nature.com/articles/s41467-018-03203-1