CN109342510A - 一种基于单分子电学检测的手性识别方法 - Google Patents

一种基于单分子电学检测的手性识别方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于单分子电学检测的手性识别方法，基于单个分子电导对结构非常敏感的特点，利用STM‑BJ技术检测手性探针分子与不同手性氨基醇分子特异性组装后的电导变化来实现手性识别。本发明不仅能够对手性对映体组成进行实时监控，具有高灵敏度，并且其分辨率可以达到单分子级别，在手性探针分子的合成方法上也能够得到大量的简化，操作简便的优点更是其亮点所在。且在单分子层面研究手性识别，能帮助理解手性识别的本质，进而为控制异构体的组成、利用其更精准的检测出手性对映体的e.e.值奠定基础。

Description

一种基于单分子电学检测的手性识别方法
技术领域
本发明属于单分子电学测量技术领域，具体涉及一种基于单分子电学检测的手性识别方法。
背景技术
手性(Chirality)是自然界的基本属性，也是生命体系最重要的属性之一。与镜像对称而不能完全重合的现象称为手性。手性分子是指存在手性对映异构体的分子，其对映异构体通常被标记为D型、L型或S型、R型。构成生命体的三大基础物质，蛋白质、核酸和糖都是由具有手性的结构单元组成，如组成蛋白质的氨基酸除少数氨基酸外，大多为L型氨基酸；组成多糖和核酸的天然单糖大都为D型。因此生物体内的生化反应、生理反应大多表现出高度的立体特异性。研究发现，药物作用靶点结构上具有高度立体异构性，手性药物的不同立体异构体与靶点的作用的不同将产生不同的药理学活性，导致药物的不同手性构型之间存在巨大差异。因此，有机分子的手性识别不仅有助于人们对手性分子认识的深入和完善，理解生命过程本质，而且对于生物传感器的发展，新药的研发及材料科学研究都具有重要的推动作用。
目前主要的手性识别方法有色谱法、光谱法、电化学传感等，这些方法大多存在测试仪器大型、操作繁琐、成本昂贵、识别范围窄、灵敏度低等缺陷。基于此，发明一种简便、快捷、具有高灵敏度手性识别技术具有非常重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提供一种基于单分子电学检测的手性识别方法。
本发明的技术方案如下：
一种基于单分子电学检测的手性识别方法，基于扫描隧道裂结技术STM-BJ，包括如下步骤：
(1)通过测量金属针尖与表面镀有金属的基底之间的隧道电流来确定金属针尖与表面镀有金属的基底之间的距离，利用驱动压电陶瓷来精准控制金属针尖逼近表面镀有金属的基底表面直至二者发生碰撞，并挤压形成接触，当达到预设接触电导值时，金属针尖被反向提起，由于金属针尖和表面镀有金属的基底的金属材质的延展性，接触区域将会逐渐缩小，最终经历一个单原子点接触构型，继续提起金属针尖，则该单原子点接触断裂，直到形成与待测探针分子相匹配的纳米间隔；上述预设接触电导值为100.5G0，G0为量子电导，等于2e2/h；
(2)利用液相中的含有待识别手性分子的主-客体作用二聚体两端的锚定基团与金属针尖及表面镀有金属的基底分别相互作用并连结，形成金属/主-客体作用二聚体/金属形式的分子结，并与外界测量回路电连接，监测其电导信号；
(3)继续提起金属针尖至上述分子结断裂，电导突降到预设电导下限，则金属针尖反向向表面镀有金属的基底方向移动，此时反馈到外界测量仪器上的电导信号即为主-客体作用二聚体连接在金属针尖与表面镀有金属的基底之间的电信号，且能够在电导-距离单条曲线中体现出明显的台阶；
(4)重复步骤(1)至(3)，获取大量的分子结的导电信息数据，对该导电信息数据进行柱状图统计，获得具有高斯分布的电导统计分析，据此实现对主-客体作用二聚体中与探针分子作用的待识别手性分子的识别。。
在本发明的一个优选实施方案中，所述预设电导下限为10-6G0～10-9G0。
在本发明的一个优选实施方案中，所述主-客体作用二聚体由待识别手性分子与主体分子相互作用而成，该主体分子为该待识别手性分子提供一具有高度立体异构的手性环境，并与待识别手性分子形成稳定的主-客作用组装体以改变主体分子的电输运性质，且该主体分子与金属探针及表面镀有金属的基底形成稳定连接。
进一步优选的，所述主体分子为联二萘酚。
在本发明的一个优选实施方案中，所述金属为金。
进一步优选的，所述基底为镀金硅片。
在本发明的一个优选实施方案中，所述液相的溶剂为均三甲苯。
本发明的有益效果是：
本发明基于单个分子电导对结构非常敏感的特点，利用STM-BJ技术检测手性探针分子与不同手性氨基醇分子特异性组装后的电导变化来实现手性识别。相对于传统的色谱分析法和光谱分析法等宏观研究手段，本发明不仅能够对手性对映体组成进行实时监控，具有高灵敏度，并且其分辨率可以达到单分子级别，在手性探针分子的合成方法上也能够得到大量的简化，操作简便的优点更是其亮点所在。且在单分子层面研究手性识别，能帮助人们理解手性识别的本质，进而为控制异构体的组成、利用其更精准的检测出手性对映体的e.e.值奠定基础。在此基础上，未来将很有可能实现微型便携式手性传感器的研发。
附图说明
图1为本发明的实验装置的结构示意图。
图2为本发明实施例1中的分子结的示意图。
图3为本发明实施例1中的手性探针分子+S-Pyr、手性探针分子+R-Pyr一维电导统计图，该手性探针分子即为主-客体作用二聚体。
图4为本发明实施例1中的金属/主-客体作用二聚体/金属形式的分子结的二维电导统计图。
具体实施方式
以下通过具体实施方式结合附图对本发明的技术方案进行进一步的说明和描述。
实施例1
一种基于单分子电学检测的手性识别方法，基于扫描隧道裂结技术STM-BJ，包括如下步骤：
(1)通过测量金属针尖与表面镀有金属的基底之间的隧道电流来确定金属针尖与表面镀有金属的基底之间的距离，利用驱动压电陶瓷来精准控制金属针尖逼近表面镀有金属的基底表面直至二者发生碰撞，并挤压形成接触，当达到预设接触电导值时，金属针尖被反向提起，由于金属针尖和表面镀有金属的基底的金属材质的延展性，接触区域将会逐渐缩小，最终经历一个单原子点接触构型，继续提起金属针尖，则该单原子点接触断裂，直到形成与待测探针分子相匹配的纳米间隔；上述预设接触电导值为100.5G0，G0为量子电导，等于2e2/h，约为77.6μS；
(2)利用液相中的含有待识别手性分子的主-客体作用二聚体两端的锚定基团与金属针尖及表面镀有金属的基底分别相互作用并连结，形成金属/主-客体作用二聚体/金属形式的分子结，并与外界测量回路电连接，监测器电导信号；如图2所示，主-客体作用二聚体由待测(S)-(+)-2-吡咯烷甲醇与主体分子相连而成，该主体分子为该(S)-(+)-2-吡咯烷甲醇待识别手性分子提供一具有高度立体异构的手性环境，并与(S)-(+)-2-吡咯烷甲醇(待识别手性分子)形成稳定的主-客作用组装体以改变主体分子的电输运性质，且该主体分子与金属探针及表面镀有金属的基底形成稳定连接，本实施例中的主体分子为联二萘酚；
(3)继续提起金属针尖至上述分子结断裂，电导突降到预设电导下限(10-6G0～10- 9G0)，则金属针尖反向向表面镀有金属的基底方向移动，此时反馈到外界测量仪器上的电导信号即为主-客体作用二聚体连接在金属针尖与表面镀有金属的基底之间的电信号，且能够在电导-距离单条曲线中体现出明显的台阶；
(4)重复步骤(1)至(3)，获取大量的分子结的导电信息数据，对该导电信息数据进行柱状图统计，获得具有高斯分布的电导统计分析，据此实现对主-客体作用二聚体中的待测探针分子中的待识别手性分子的识别。
本发明所用的实验装置如图1所示，包括一骨架1、一套设于骨架1上端的顶杆2和一设于骨架1的液池3，液池3上具有有螺丝固定的且正对顶杆下端的基底31，顶杆2的下端具有金属针尖21；
具体包括如下步骤：
1.准备步骤：清洗溶剂瓶、溶剂瓶、液池、O圈以及备用的镀金硅片。
将备用的试剂瓶、溶剂瓶、液池、O圈以及镀金硅片(基底31)放入盛有体积比为浓硫酸：双氧水＝3∶1的食人鱼洗液的烧杯中浸泡至少2h。浸泡完毕后将废液倒入废液缸中，用超纯水反复冲洗泡好的备用品多遍再用超纯水煮沸3遍。清洗完毕后放入105℃的烘箱，烘干备用。
2.配制待测分子溶液
用精确度为0.01mg的微量天平称取相对分子质量为199.81g/mol的手性探针(含联二萘酚中心结构)分子0.2mg置于容量为1.5ml的试剂瓶中，再用移液枪从溶剂瓶取均三甲苯(Mesitylene，TMB)溶剂1000μL于试剂瓶，将待测分子与溶剂混合均匀得到1mM的母液。取100μL母液置于另一洁净的试剂瓶，取900μLTMB置于该试剂瓶混合均匀，即得到溶剂为TMB溶解的浓度为0.1mM的手性探针分子溶液。按同样的方法分别配置0.1mM的待测手性分子(S)-(+)-2-吡咯烷甲醇(S-Pyr)和(R)-(-)-2-吡咯烷甲醇(R-Pyr)溶液。
分别取500μL手性探针分子溶液和500μL S-Pyr溶液于洁净的试剂瓶混合均匀，配置成手性探针分子+S-Pyr待测分子溶液。同理，配置手性探针分子+R-Pyr待测分子溶液。
3.主-客制备针尖21
取直径为0.25mm，纯度为99.99％的金丝5mm备用。用镊子夹住金丝的一端，用丁烷枪对准金丝的另一端灼烧至刚好形成小球为止，待冷却至室温后备用。
4.安装针尖
将冷却至室温的烧制好的金丝(金球端朝外)插入直径为0.26mm与顶杆2相连的针孔后，将金丝与针尖的组合体安装到顶杆2下端。
5.安装液池3、基底31
液池3是由聚四氟乙烯材料加工而成具有穿孔结构的四边体结构，在液池3底部，预先留有与O型密封圈匹配的凹槽。将O型密封圈置于液池底部的孔内压紧，并将其用螺丝固定在基底31上。同时将一根连接线路用的导线卡在螺丝中，由此接入外界测量回路。将以上组合好的基底与STM-BJ骨架的底端用磁条固定于针尖正下方。
6.滴加待测分子溶液
用100μL移液枪吸取25μL待测分子溶液滴加到镀金硅片上，使待测分子溶液均匀分布于安装针尖21位置的正下方。
7.开始测试，进行数据采集
安装完毕后关闭屏蔽箱，启动步进电机使针尖21向下移动，待针尖21与镀金硅片刚好接触时(即线路连通，形成闭合回路)，自动切换到压电陶瓷控制针尖21。在压电陶瓷微小的下顶、回退过程中，分子结反复地形成和断裂。此过程利用外界测量回路采集大量分子结的电学表征数据，每5分钟记录一组数据，待后续分析。
本实验方法具有通用性，需要测试不同类型主-客体作用组装体时只需更换金属丝材料、硅片和待测分子溶液即可。
8.数据分析
由上述测试得到主-客体作用二聚体分子结电导统计峰，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。本实验中的一维电导统计图(如图3所示)在电导可检测的范围(logG/G0＝0～-6)内出现明显的电导峰，二维电导-距离统计图(如图4所示)展现出明显台阶，而空白组无电导峰和电导台阶出现，通过高斯拟合得到手性探针分子的电导为-5.6log(G/G0)，当加入不同构型的对映异构体后电导值有不同程度的偏移。这表明主-客体作用二聚体分子结能够被成功地构筑，本发明技术能够精准无误地进行手性识别。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (7)

1.一种基于单分子电学检测的手性识别方法，其特征在于：基于扫描隧道裂结技术STM-BJ，包括如下步骤：
(1)通过测量金属针尖与表面镀有金属的基底之间的隧道电流来确定金属针尖与表面镀有金属的基底之间的距离，利用驱动压电陶瓷来精准控制金属针尖逼近表面镀有金属的基底表面直至二者发生碰撞，并挤压形成接触，当达到预设接触电导值时，金属针尖被反向提起，由于金属针尖和表面镀有金属的基底的金属材质的延展性，接触区域将会逐渐缩小，最终经历一个单原子点接触构型，继续提起金属针尖，则该单原子点接触断裂，直到形成与待测探针分子相匹配的纳米间隔；上述预设接触电导值为100.5G0，G0为量子电导，等于2e2/h；
(2)利用液相中的含有待识别手性分子的主-客体作用二聚体两端的锚定基团与金属针尖及表面镀有金属的基底分别相互作用并连结，形成金属/主-客体作用二聚体/金属形式的分子结，并与外界测量回路电连接，监测其电导信号；
(3)继续提起金属针尖至上述分子结断裂，电导突降到预设电导下限，则金属针尖反向向表面镀有金属的基底方向移动，此时反馈到外界测量仪器上的电导信号即为主-客体作用二聚体连接在金属针尖与表面镀有金属的基底之间的电信号，且能够在电导-距离单条曲线中体现出明显的台阶；
(4)重复步骤(1)至(3)，获取大量分子结的电导信息数据，对该电导信息数据进行柱状图统计，获得具有高斯分布的电导统计分析，据此实现对主-客体作用二聚体中与探针分子作用的待识别手性分子的识别。
2.如权利要求1所述的手性识别方法，其特征在于：所述预设电导下限为10-6G0～10- 9G0。
3.如权利要求1所述的手性识别方法，其特征在于：所述主-客体作用二聚体由待识别手性分子与主体分子相互作用而成，该主体分子为该待识别手性分子提供一具有高度立体异构的手性环境，并与待识别手性分子形成稳定的主-客作用组装体以改变主体分子的电输运性质，且该主体分子与金属探针及表面镀有金属的基底形成稳定连接。
4.如权利要求3所述的手性识别方法，其特征在于：所述主体分子为联二萘酚。
5.如权利要求1所述的手性识别方法，其特征在于：所述金属为金。
6.如权利要求5所述的手性识别方法，其特征在于：所述基底为镀金硅片。
7.如权利要求1所述的手性识别方法，其特征在于：所述液相的溶剂为均三甲苯。
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