实现单个分子动态变化的精准检测是理解自然界基本物理现象和新奇效应的本征机制的关键之一。然而，由于传统测量方法的检测灵敏度和时间分辨率有限，在单分子水平实时检测精细的分子内及分子间运动一直存在巨大的挑战。
最近，北京大学化学与分子工程学院郭雪峰课题组与合作者发展了基于单分子器件平台的独特电学检测技术，从单分子水平研究了分子内及分子间的相互作用，捕获到了系综实验难以观察到的亚稳态构象，揭示了分子内与分子间弱相互作用的内在规律（图1）。
图1. 器件结构示意图。左：分子内；右：分子间
他们利用分子工程学原理，分别将四苯乙烯（TPE）衍生物分子、[2]轮烷分子和全甲基化α-环糊精分子通过酰胺共价键连接到带有羧基末端的石墨烯点电极，成功构筑了石墨烯基单分子器件。通过实时电学监测，分别实现了TPE分子内运动、轮烷分子的随机穿梭以及光控超分子复合体相互作用的可视化。由于分子结构的动态变化会引起电子结构变化，因此可以通过电流信号的变化反馈分子立体结构的动态变化。
众所周知，分子处于永不停歇的运动，并会影响其性质。TPE分子作为典型的聚集诱导发光（Aggregation-induced emission, AIE）分子，具有丰富的分子内运动类型，可以作为很好的研究体系，并结合光谱技术从单分子水平深刻理解AIE这一现象。作者通过共价连接的方式构筑了稳定可靠的单分子器件，并通过非弹性电子隧穿谱表征了相关分子结构（图2）。
图2. 四苯乙烯(TPE)衍生物分子结构及电学表征
通过调节真空环境下的测试温度（2 K–180 K），对比对照实验的I–t信号，并结合理论计算，将电导态进行了严格归属（图3）。这些实时变化的电流信号实现了分子内运动动态变化过程的可视化，包括TPE分子的准双键扭转(异构化)、苯环旋转以及成环中间体形成。其中，成环中间体对应的电流信号仅在含甲氧基的TPE分子中捕获到，而在其它分子中并未观察到相应的电流信号，理论计算解释其主要原因在于含甲氧基分子的环化结构对应基态的局域极小值，结构更加稳定。此外，也在特定温度范围内观察到了分子桥两端联苯分子的扭转，这与该课题组之前报道的立体电子效应的相关工作(Nano Lett. 2017, 17, 856; Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 12274)吻合，证明了该平台的可靠性和精准性。
图3. 实时电导态信号及其对应分子内运动类型的归属
最后，作者详细研究了温度及电场强度对TPE分子双键异构化的影响，根据实验统计数据推导出相应的热力学及动力学参数。随着温度升高，实验测得的两种亚稳态构象（准平面及垂直构象）的寿命显著减小且占比发生改变，表明温度升高促进了异构化过程。同时，电场可以通过降低活化能，而不改变每种状态的势能，来促进双键异构化。该工作以“Complete deciphering of the dynamic stereostructures of a single aggregation-induced emission molecule”为题发表在Matter杂志上（Matter 2022, DOI: 10.1016/j.matt.2022.01.016）。
基于轮烷的分子梭，是一种典型的人工纳米机器，它由两个组分机械互锁而成，具有精确可控的一维大振幅运动的动力学特性。理解轮烷分子组分相对运动的动力学行为以及可能对其运动产生影响的机制、因素对于设计基于轮烷体系的复杂分子机器（人）至关重要。作者设计出了基于冠醚/二苯铵/三氮唑鎓的轮烷分子体系，并且在分子轴中间由两个三氮唑连接（图4）。
图4. 基于轮烷体系的单分子器件示意图
通过对该器件在298 K下乙腈溶液中的实时监测，可以得到实时的电流信号的变化，反应出轮烷分子的运动过程。通过分析电流信号（图5），该测试条件下呈现出两个电流状态，结合能量计算以及透射谱图分析，可以明确的将低态电流归属为冠醚环在二苯铵位点的状态，将高态电流归属为冠醚环在三氮唑鎓位点的状态。作者在乙腈溶液中的288–328 K温度区间内进行电信号监测，得到每个温度下的实时电信号数据，系统分析得出详细的热力学和动力学参数，阐明了对轮烷分子进一步设计具有参考价值的信息，比如大环在不同位点之间的分配比，大环和分子轴相对运动的速率常数等，并得到了理论模拟的结果支持。
图5. 轮烷分子的电学测试及理论分析
此外，作者根据在极性更大的DMSO溶液中测试得到的实时电流信号，可以观察到由系综实验无法确定的弱结合中间态的出现，这是由于大极性的DMSO对冠醚环和分子轴上不同位点之间氢键作用力的削弱作用，而凸显了冠醚环和三氮唑之间的弱氢键作用。该工作以“Real-time observation of the dynamics of an individual rotaxane molecular shuttle using a single-molecule junction”为题发表在Chem杂志上（Chem 2022, 8, 243）。
接下来，为了进一步实现对于分子梭运动的控制，作者利用环糊精和偶氮化合物的可逆光控超分子体系研究了主客体分子之间的动态穿梭行为（图6）。他们根据实时电流信号，在可见光条件下观测到了运动过程中的三种结合状态，在紫外光条件下观测到了两种结合状态，并且它们之间可以实现相互切换。结合理论计算和透射谱分析，他们将电导态与超分子的结合状态一一对应，成功实现了每一次穿梭过程的可视化。实验和理论结果表明，在可见光条件下，分子梭表现出自由的往复运动和单向穿梭两种运动模式；在紫外光条件下，分子梭表现出受限制的往复运动。并且，他们统计出了不同穿梭过程的动力学参数，实现了对于动态超分子体系的单分子动力学表征。该工作对于未来研究分子机器中更为复杂的运行机制（如棘轮原理）提供了新的思路，并且通过在客体分子上引入刺激响应功能单元对于发展新型的光响应单分子功能器件（如开关、传感器和逻辑器件）有着重要的借鉴意义。该工作以“Stochastic Binding Dynamics of a Photoswitchable Single Supramolecular Complex”为题发表在Advanced Science杂志上（Adv. Sci. 2022, accepted）。
图6. 基于光控可逆超分子体系的单分子器件示意图
上述三个工作的器件制备和表征分别由北京大学与华南理工大学联合培养博士生杨才耀和北京大学博士生苏鼎凯完成，分子合成主要由华南理工大学博士生沈平川、华东师范大学博士后陈素君和东京大学Hiroshi Masai完成，理论模拟主要由清华大学博士后欧琪、中国科学院大学彭谦和北京大学博士生周澍瑶完成。郭雪峰教授、唐本忠教授、帅志刚教授、张亮教授、David A. Leigh教授、刘志荣教授和Jun Terao教授分别为共同通讯作者。研究得到了国家自然科学基金委、科技部和北京分子科学国家研究中心的联合资助。
原文链接： https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.01.016
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