CN107179347A - 一种基于单分子电学检测的反应动力学测量方法 - Google Patents

一种基于单分子电学检测的反应动力学测量方法 Download PDF

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Abstract

一种基于单分子电学检测的反应动力学测量方法，涉及化学反应动力学测量方法。将分子固体与溶剂混合，得分子溶液；芯片置于显微镜下，用刀片对准金属线，先横切、再用刀尖在金属线切口得到芯片，安装芯片、反应液池、O圈和密封盖；开启电机，通过电机的上顶将力传递至切口处，断裂形成纳米间隔；当金属原子点接触断开，形成电极后，进行原位测试、记录数据、数据分析；在通过对电导‑距离曲线中台阶出现和末端之间的距离进行统计，得柱状统计图，电导‑距离曲线为分子结的电学测量提供另一维度的信息，在分子结随电极对拉伸闭合的BJ过程中，能观察到电导的变化，还得知电极对打开间隔的大小，最终推知分子结电导随距离变化的演变信息。

Description

一种基于单分子电学检测的反应动力学测量方法
技术领域
本发明涉及化学反应动力学测量方法，尤其是涉及一种基于单分子电学检测的反应动力学测量方法。
背景技术
化学动力学是研究反应速率和反应机理的科学，它包括传统的宏观反应动力学和近代的分子反应动力学，是研究化学反应速率以及各种因素对反应速率的影响，并力图根据基元反应速率的理论计算来预测整个反应的动力学规律。反应动力学的研究对于化学反应本质机理的认识、开发反应过程、设计反应器都具有重要的意义。分子反应动力学是化学学科的前沿基础研究领域，它运用现代物理化学的先进分析方法，如激光、超高真空、光电子检测技术和计算技术等，在原子、分子的层次上研究不同状态(气相、凝聚相及界面体系等)和不同分子体系(单分子、双分子、纳米团簇和其他分子聚集体等)的基元化学反应的动态结构、反应过程和反应机理。分子反应动力学的发展，促进了现代激光技术、真空技术、质谱技术、电子检测和控制技术，以及大规模高速计算技术的发展和应用。因此，高灵敏度、快速准确的动力学测量技术成为现代物理化学研究的核心内容。
宏观反应动力学的测试方法主要有核磁共振技术(NMR)、荧光光谱法、气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)和液相色谱-质谱联用仪(LC-MS)。这些测试方法大多依赖于大型测试仪器，操作繁琐，需要进行标记，对于部分元素灵敏度较低且容易受相互元素干扰和叠加峰的影响。分子反应动力学研究技术主要有交叉分子束实验技术、激光诱导荧光技术和化学发光技术。随着单分子检测(Single molecule detection,SMD)技术的快速发展，例如以扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope,STM)等为代表的单分子成像技术，以荧光、拉曼为代表的单分子光谱学技术，以及检测单分子水平电荷输运的单分子电学测量技术等，单分子技术能够在单分子水平上揭示分子结构与功能之间蕴藏的丰富信息，达到了分子检测灵敏度的极限，能检测非均匀聚集体中的单个分子，并对它们进行识别、分类和定量描述，因而被广泛应用于单个相互作用体系的动力学研究。相对于传统的研究手段，单分子技术具有高灵敏度、实时监测的优点。该方法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。而常见的单分子光学检测技术存在需要荧光标记、光漂白现象、化学发光选择性差、干扰严重以及时间分辨率不足等问题。基于上述原因，发展一种无损、无标记的可以在室温下实现高灵敏度、高稳定性和实时检测的单分子动力学研究新手段很有意义。
发明内容
本发明的目的在于针对现有的单分子动力学测量方法存在的需要标记、时间分辨率不足等问题，提供结合电学检测具有无损、无标记、不依赖大型测试仪器和实时检测等优点的一种基于单分子电学检测的反应动力学测量方法。
本发明包括以下步骤：
1)将分子固体与溶剂混合，超声，使固体完全溶解，再稀释得到低浓度的分子溶液；
在步骤1)中，所述混合，最好将分子固体与溶剂混合后摇晃、放置、超声5min。
2)制备具有悬空切口金属线(Notched wire)芯片；
在步骤2)中，所述制备具有悬空切口金属线芯片的具体方法可为：采用不锈钢片作为不锈钢基底，称取Stycast 2850FT型树脂，配备催化剂与树脂质量百分比为3.5％～4％的Henkel Loctite Catalyst 9催化剂，搅拌至少10min后，蘸取环氧树脂在不锈钢片中央涂抹呈两个间距控制在1～2mm的圆，待环氧树脂略微固化后，将金属线拉伸并平铺于两个环氧树脂圆的中央，用镊子轻压金属线使两端的环氧树脂浸没金属线。
3)将具有悬空切口金属线芯片置于光学显微镜下，用手术刀片对准悬空金属线的中央部分，先横切掉其直径的一半，再用刀尖在金属线切口左右两侧各切一刀，得到具有切口的芯片；
4)清洗与安装芯片；
在步骤4)中，所述清洗与安装芯片的具体方法可为：将切割好的具有悬空切口金属线(Notched wire)芯片放置在容器中，置于超纯水中反复冲洗并加热煮沸，取出后烘干或氮气吹干，将夹具安装到MCBJ装置底座上，再将制好的具有悬空切口金属线(Notchedwire)芯片夹起，安装于夹具中；所述加热煮沸，可采用3次；所述烘干可放入125℃烘箱烘干。
5)清洗与安装反应液池、O圈和密封盖；
在步骤5)中，所述清洗与安装反应液池、O圈和密封盖的具体方法可为：将反应液池、O圈和密封盖放入体积比为硫酸︰双氧水＝3︰1的洗液中浸泡至少2h，然后倒掉容器中的洗液，用超纯水反复冲洗、加热煮沸，清洗后烘干，将含有O圈的反应液池安装在悬空金属线上方，未被环氧树脂固定的金属线通过鳄鱼夹与外部测量电路相连。
6)开启步进电机，通过悬空切口金属线芯片中间底部的步进电机的上顶将力传递至切口处，从而带动拉伸微米桥，使断面不断变细直至断裂形成纳米间隔；当金属原子点接触断开，形成的两个具有原子级尖端的电极后，通过压电陶瓷调节电极对的间隔大小；
7)进行原位测试；
在步骤7)中，所述进行原位测试的具体方法可为：将配制好的反应物分子溶液加入反应液池中，使分子溶液浸没悬空切口金属线芯片切口处的金属线，盖好密封盖，在电极对的两端施加偏压，当反应刚开始时，反应物分子通过两端的锚定基团与金属电极的相互作用，使电极与分子相连结，即构筑金属/分子/金属结，实现分子与外界测量回路的相连，所述金属/分子/金属结记为分子结。
8)记录数据；
在步骤8)中，所述记录数据的具体方法可为：在压电陶瓷的上顶、回退过程中，两边金电极通过动态捕捉与分子形成分子结，分子结反复地形成和断裂，通过电流信号处理放大器输出的信号得到不同反应状态的电导-时间曲线，记录刚滴入反应物分子的时间，当仪器稳定输出电学信号时，开始记录数据，每隔10min采集一组电学表征数据，待后续分析。
9)数据分析；
在步骤9)中，所述数据分析的具体方法可为；为获得可靠的分子结电导信息，需要对所得的电学数据进行柱状图(histogram)统计，可在柱状统计图中获得具有高斯分布的电导统计峰，断裂结实验的一个优点在于反应过程中可以大量重复分子结断裂连结(BreakJunction,BJ)过程，因此一次实验可以获得大量的数据，随着反应过程的进行，溶液中产物分子的浓度逐渐增加，在单分子水平下，不同分子构型的细小区别会产生一个较大的电学性质差异，在这个过程中，可以测得具有高斯分布的电导统计峰逐渐转变的一个过程，利用大数据发掘方法，提取出具有统计规律性的信息，就可以实现对单分子电学性质的定量分析。
10)在实验中通过对电导-距离曲线中台阶出现和末端之间的距离进行统计，获得分子结电导台阶的柱状统计图，电导-距离曲线为分子结的电学测量提供另一维度的信息，在分子结随电极对拉伸闭合的BJ过程中，不仅能够观察到电导的变化，同时还能得知电极对打开间隔的大小，最终推知分子结电导随距离变化的演变信息。
本发明采用的分子结的台阶长度统计有助于得知分子结被完全拉伸的距离，推知分子结的长度，在反应过程中反应物与产物的所产生的分子结长度不同，在电导-台阶统计图中也会出现相应的变化。通过大数据处理方法，将柱状统计图中获得电导台阶长度进行区分统计，以产物的电导台阶峰面积与对应时刻反应物与产物电导台阶总面积的比值就可以得到产物的转化率并绘制转化率-时间曲线，进而计算反应速率常数可得到分子反应动力学曲线。
本发明所采用的技术方案是利用一种步进电机与压电陶瓷联用的机械可控裂结(Mechanically Controllable Break Junction,MCBJ)技术，通过实时检测反应过程中分子的电学性质来测量反应动力学参数的单分子电学测量方法。现阶段可靠、高效、高灵敏度的单分子电学测量技术及相关科研仪器的研发仍具有较大挑战性，需要不断提高分子结体系构筑的稳定性和电学测量的重现性。MCBJ技术是基于金属电极的反复开合，实现大量的单分子结重复构筑的方法，裂结技术的优势在于能够动态、快速、大量地构筑分子结，并获得大量数据进行统计，并获得显著可靠的统计分析结果。由于所产生的间隔大小与基底的弯曲位移之间存在可达十的三次方的衰减系数，这就意味着我们能够通过压电陶瓷纳米级的位移来实现对电极间隔皮米级的精确调控。另一方面，衰减系数的存在也让外界振动被充分衰减，从而获得超过STM技术千倍乃至万倍的连接稳定性。MCBJ技术使单分子研究摆脱了超低温超高真空等极限条件限制，在室温下可实现分钟乃至小时级的单分子稳定连接。采用该测试平台，在单分子层面上可以捕捉到反应物、产物在溶液中呈现出的双稳态电导信号。通过一系列的时间梯度电学测试可获得反应过程的动力学详细信息，这些信息与传统的光学手段测得的结果相吻合，验证了该单分子电学检测平台的可靠性。
与现有技术相比，本发明的优点在于：采用机械可控裂结技术为核心，结合其独特的间隔调控精确性和体系稳定性的优点，并利用大数据统计分析处理的方法，通过多种手段结合，发展简便、高效、实时检测的单分子反应动力学研究的电学新手段，该方法开启了单分子检测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。
附图说明
图1为本发明实施例的MCBJ装置正视结构示意图。
图2为本发明实施例的MCBJ装置俯视结构示意图。
图3为本发明实施例的MCBJ装置仰视结构示意图。
图4为本发明实施例的悬空切口金属线芯片示意图。
图5为本发明实施例的电导-时间曲线示意图。
图6为本发明实施例的电导-台阶曲线示意图。
图7为本发明实施例的动力学曲线示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
参见图1～7，本发明MCBJ装置实施例图1～3包括底座1、步进电机2、压电陶瓷3、悬空切口金属线芯片4、反应液池5、夹具6、密封盖7。在图4中，包括金属线8。
以下给出具体实施例。
采用MCBJ装置进行D-A反应过程的动力学参数测试。
1、配制分子溶液
取0.236mg双端吡啶基四嗪分子(C12H8N6)置于溶剂瓶中，用1000μL移液枪取四氢呋喃(THF)溶剂1000μL于溶剂瓶中进行溶解，盖紧瓶盖，摇晃几次，超声5min，待粉末完全溶解。从此试剂瓶中取100μL分子溶液置于另一洁净的试剂瓶中，用移液枪加入四氢呋喃(THF)100μL与均三甲苯(TMB)800μL的混合溶剂，盖紧瓶盖，混合均匀，即得到混合溶剂(体积比)THF︰TMB＝1︰4溶解的浓度为0.1mM的四嗪分子溶液。
用100μL移液枪取82μL 2,3-二氢呋喃分子置于试剂瓶中，用1000μL移液枪取THF200μL和TMB 800μL的混合溶剂分别加入溶剂瓶中，盖紧瓶盖，混合均匀，即得到混合溶剂THF:TMB＝1:4溶解的浓度为0.1M的呋喃分子溶液。
2、制备悬空切口金属线芯片芯片
采用30mm长、10mm宽、0.2mm厚的不锈钢片作为不锈钢基底，用丙酮和乙醇次序超声清洗，再用砂纸打磨，用以增大环氧树脂在表面的附着力，最后用纯水清洗，烘干。称取一定量的Stycast 2850FT型树脂(1g树脂可制备约10片芯片，根据实验需要取量)，配备催化剂与树脂质量百分比为3.5％～4％的Henkel Loctite Catalyst 9催化剂，均匀搅拌至少10min。蘸取环氧树脂在不锈钢片中央均匀涂抹呈两个圆，同时使两个圆尽量靠近，间距控制在1～2mm。待环氧树脂略微固化后，将直径为0.1mm、长30mm的金属线拉伸并平铺于两个环氧树脂圆的中央，用镊子轻压金属线使两端的环氧树脂浸没金属线。将芯片先在室温放置2h，略微固化后放入60℃烘箱烘烤12h，取出备用。
3、切割金属线
将上述固化好环氧树脂的悬空切口金属线芯片置于光学显微镜下，用手术刀片对准悬空金属线的中央部分，先横切掉其直径的一半，再用刀尖在金属线切口左右两侧各切一刀，使金属线相连部分仅约20～30μm。
4、清洗悬空切口金属线芯片
将切割好的的悬空切口金属线芯片放置在容器中，置于超纯水中反复冲洗并加热煮沸3次，取出后放入125℃烘箱烘干，或者使用氮气吹干。
5、安装芯片
首先将夹具安装到MCBJ装置底座上，再用镊子将制好的悬空切口金属线芯片夹起，安装于夹具中。
6、清洗反应液池、O圈和密封盖
将反应液池、O圈和密封盖放入浓硫酸︰双氧水＝3︰1的洗液中浸泡至少2h，然后倒掉容器中的洗液，用超纯水反复冲洗，再采用超纯水加热煮沸3次。清洗完毕后放入125℃烘箱中烘干。
7、安装反应液池
反应液池是由聚四氟乙烯材料加工的具有穿孔结构的长方体，在反应液池底部，预先留有与O型密封圈匹配的凹槽。将O圈置于液池底部的孔内压紧固定后，将带有O圈的液池放在悬空金属线的正上方，用螺丝固定好。芯片上未被环氧树脂覆盖的金属线从液池上方的两端预留孔穿出，分别用两个鳄鱼夹夹住，由此接入外界测量回路。
8、原位测试与数据采集
用100μL移液枪吸取25μL四氢呋喃与均三甲苯的混合溶剂(THF︰TMB＝1︰4)滴入反应液池中，关闭屏蔽箱门。启动步进电机驱动芯片弯曲，待金属线断裂后，自动切换到压电陶瓷控制芯片弯曲。在压电陶瓷微小的上顶、回退过程中，金属原子结反复地形成和断裂，记录数据。后将纯溶剂吸出，用移液枪吸取50μL反应物分子(按照四嗪分子︰2,3-二氢呋喃体积比＝1︰3)滴入反应液池中，使反应物分子溶液浸没金属线。盖上液池盖子，防止空气中的杂质分子进入。待滴入分子仪器稳定输出信号时，分子结反复地形成和断裂。开始记录数据，每隔10min采集一组电学表征数据，待后续分析。
9、数据分析
由上述原位测试得到反应过程的分子结电导统计峰，将其电导取以10为底的对数后，分布于1log(G/G0)到-9log(G/G0)的范围内，若以0.02log(G/G0)为一个间隔，则可将整个范围平均分为500个区间，当曲线中的电导数据落于这些均分的区间中，则计数为1，如此累积统计。当统计条数增多时，即可在柱状统计图中获得具有高斯分布的电导统计峰。如图5所示，通过高斯拟合得到反应产物的电导为-4.25log(G/G0)，将电导统计值以时间为横坐标轴就可得到电导-时间曲线，可观察到电导统计峰随着反应时间从反应物的电导逐渐转变为生成物的电导。
由于在实验中，电极对的间隔通过样品底部顶杆的运动来间接控制，需要借助衰减系数将顶杆的位移转化为电极对之间的位移。而不同芯片之间的衰减系数均有所差异，亦需要在每一次实验之前进行纯溶剂的测量以得知隧道电流的变化，以此来计算衰减系数(β)。在四氢呋喃与均三甲苯的纯溶剂(THF︰TMB＝1︰4)体系下，校正得隧穿电流随距离变化的斜率为[log(ΔG/G0)/Δz＝-5.5nm-1]，利用该斜率测量了同样纯溶剂体系下从10-0.3G0到10-6G0范围的距离，约为0.5nm。以此校正分子结的电导台阶长度能更准确地推知分子的长度，如图6所示，通过校正得到反应产物的台阶长度统计图，推知分子结长度为0.91nm。同样可得到电导台阶长度从反应物状态逐渐演变到产物状态。
10、动力学曲线拟合
通过上述MCBJ装置的数据分析可得到反应过程中电学性质对应时间的演变过程。以电导为表征参数，对应时间变化可得到微观反应动力学变化曲线。通过对反应物与产物的电导台阶长度的区分统计分析，以产物峰面积与反应物和产物峰面积之比也可以得到反应过程的转化率，以此为动力学表征参数，也可得到动力学曲线。如图7所示，以电导-时间曲线得到的动力学曲线，并以宏观的紫外可见吸收光谱(Ultraviolet-visiblespectroscopy,UV-Vis)测试结果对比，发现在电场作用下微观单分子水平的反应速率的区别。
本实验方法具有通用性，需要测试不同类反应时，只需更换金属线材料的芯片和反应物分子溶液即可。

Claims (10)

1.一种基于单分子电学检测的反应动力学测量方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将分子固体与溶剂混合，超声，使固体完全溶解，再稀释得到低浓度的分子溶液；
2)制备具有悬空切口金属线芯片；
3)将具有悬空切口金属线芯片置于光学显微镜下，用手术刀片对准悬空金属线的中央部分，先横切掉其直径的一半，再用刀尖在金属线切口左右两侧各切一刀，得到具有切口的芯片；
4)清洗与安装芯片；
5)清洗与安装反应液池、O圈和密封盖；
6)开启步进电机，通过悬空切口金属线芯片中间底部的步进电机的上顶将力传递至切口处，从而带动拉伸微米桥，使断面不断变细直至断裂形成纳米间隔；当金属原子点接触断开，形成的两个具有原子级尖端的电极后，通过压电陶瓷调节电极对的间隔大小；
7)进行原位测试；
8)记录数据；
9)数据分析；
10)在实验中通过对电导-距离曲线中台阶出现和末端之间的距离进行统计，获得分子结电导台阶的柱状统计图，电导-距离曲线为分子结的电学测量提供另一维度的信息，在分子结随电极对拉伸闭合的BJ过程中，观察到电导的变化，得知电极对打开间隔的大小，最终推知分子结电导随距离变化的演变信息。
2.如权利要求1所述一种基于单分子电学检测的反应动力学测量方法，其特征在于在步骤1)中，所述混合，将分子固体与溶剂混合后摇晃、放置、超声5min。
3.如权利要求1所述一种基于单分子电学检测的反应动力学测量方法，其特征在于在步骤2)中，所述制备具有悬空切口金属线芯片的具体方法为：采用不锈钢片作为基底，称取Stycast 2850FT型树脂，配备催化剂与树脂质量百分比为3.5％～4％的Henkel LoctiteCatalyst 9催化剂，搅拌至少10min后，蘸取环氧树脂在不锈钢片中央涂抹呈两个间距控制在1～2mm的圆，待环氧树脂略微固化后，将金属线拉伸并平铺于两个环氧树脂圆的中央，用镊子轻压金属线使两端的环氧树脂浸没金属线。
4.如权利要求1所述一种基于单分子电学检测的反应动力学测量方法，其特征在于在步骤4)中，所述清洗与安装芯片的具体方法为：将切割好的具有悬空切口金属线芯片放置在容器中，置于超纯水中反复冲洗并加热煮沸，取出后烘干或氮气吹干，将夹具安装到MCBJ装置底座上，再将制好的具有悬空切口金属线芯片夹起，安装于夹具中。
5.如权利要求4所述一种基于单分子电学检测的反应动力学测量方法，其特征在于所述加热煮沸，采用3次。
6.如权利要求4所述一种基于单分子电学检测的反应动力学测量方法，其特征在于所述烘干是放入125℃烘箱烘干。
7.如权利要求1所述一种基于单分子电学检测的反应动力学测量方法，其特征在于在步骤5)中，所述清洗与安装反应液池、O圈和密封盖的具体方法为：将反应液池、O圈和密封盖放入体积比为硫酸︰双氧水＝3︰1的洗液中浸泡至少2h，然后倒掉容器中的洗液，用超纯水反复冲洗、加热煮沸，清洗后烘干，将含有O圈的反应液池安装在悬空金属线上方，未被环氧树脂固定的金属线通过鳄鱼夹与外部测量电路相连。
8.如权利要求1所述一种基于单分子电学检测的反应动力学测量方法，其特征在于在步骤7)中，所述进行原位测试的具体方法为：将配制好的反应物分子溶液加入反应液池中，使分子溶液浸没悬空切口金属线芯片切口处的金属线，盖好密封盖，在电极对的两端施加偏压，当反应刚开始时，反应物分子通过两端的锚定基团与金属电极的相互作用，使电极与分子相连结，即构筑金属/分子/金属结，实现分子与外界测量回路的相连，所述金属/分子/金属结记为分子结。
9.如权利要求1所述一种基于单分子电学检测的反应动力学测量方法，其特征在于在步骤8)中，所述记录数据的具体方法为：在压电陶瓷的上顶、回退过程中，两边金电极通过动态捕捉与分子形成分子结，分子结反复地形成和断裂，通过电流信号处理放大器输出的信号得到不同反应状态的电导-时间曲线，记录刚滴入反应物分子的时间，当仪器稳定输出电学信号时，开始记录数据，每隔10min采集一组电学表征数据，待后续分析。
10.如权利要求1所述一种基于单分子电学检测的反应动力学测量方法，其特征在于在步骤9)中，所述数据分析的具体方法为；对所得的电学数据进行柱状图统计，在柱状统计图中获得具有高斯分布的电导统计峰，随着反应过程的进行，溶液中产物分子的浓度逐渐增加，在单分子水平下，不同分子构型的细小区别会产生电学性质差异，测得具有高斯分布的电导统计峰逐渐转变的一个过程，利用大数据发掘方法，提取出具有统计规律性的信息，实现对单分子电学性质的定量分析。
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