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北京大學化學與分子工程學院郭雪峰課題組在單分子檢測研究領域取得重要進展

時間:2016-12-05 10:48  作者:  來源:化學與分子工程學院

單分子檢測技術是一種在單分子層次上揭示組裝基元/生物分子間相互作用的精妙方法,能夠提供隱藏在系綜實驗中的分子結構與功能之間的豐富信息,因而被廣泛應用于單個相互作用事件的動力學研究。針對傳統的單分子熒光檢測手段可能遇到的問題,如需要熒光標記、具有光漂白以及時間分辨率不足的問題,最近北京大學化學與分子工程學院郭雪峰課題組結合電學檢測具有無損、無標記和實時檢測的優點,分別從硅納米線生物傳感器和石墨烯基分子器件出發,發展了單分子動力學研究的電學新手段。相關成果分別發表在《德國應用化學》(Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 9035)和Science子刊Science Advances上(Sci. Adv. 2016, 2, e1601113)。

在基于硅納米線器件的單分子檢測研究方向,他們已在前期工作中通過結合微納加工技術和界面化學修飾成功地構建了單分子生物傳感器(Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 5038),并希望能將該單分子檢測技術延伸到單個生物分子間相互作用的研究中。為此目的,他們結合具有超快采樣率和超高信噪比的鎖相放大器,搭建出時間分辨率達到亞微秒級別的單分子電學測試平臺。利用該平臺進行測試,他們捕獲到了用單個發卡狀DNA分子修飾的硅納米線生物傳感器在PBS溶液中呈現出的雙穩態震蕩信號。通過一系列的溫度梯度電學測試獲得了單個DNA分子折疊與展開過程的熱力學和動力學詳細信息,這些信息與傳統的光學手段測得的結果完全吻合,驗證了該單分子電學檢測平臺的可靠性。更重要的是,依賴于該測試平臺的高靈敏度和高時間分辨率,他們從實驗上直接觀察到了具有單個堿基對分辨率的雜交動力學過程,并提出動態拉鏈式模型來解釋單堿基對逐一的雜交過程。該工作已發表在《德國應用化學》上(Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 9035),被審稿人稱為是“Pioneering”的研究工作。

在基于碳基分子器件的單分子檢測研究方向,郭雪峰課題組長期致力于碳基單分子器件的制備方法學研究,已解決了單分子器件制備難、穩定性差的挑戰性問題。在此基礎上,課題組在前期工作中已將石墨烯電極成功地應用于構建單分子光電子器件(Science 2016, 352, 1443; Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 8666)和生物傳感器(Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 12228; Chem. Sci. 2015, 6, 2469; J. Mater. Chem. B 2015, 3, 5150)。最近,他們與美國西北大學J. Fraser Stoddart(2016年諾貝爾化學獎獲得者)課題組合作,以石墨烯基分子器件為測試平臺,將“分子機器”中最常見的輪烷分子連接在石墨烯電極之間,研究了輪烷與甲基紫精的主客體分子間的反應動力學。相比傳統的研究主客體分子相互作用的研究手段如質譜和核磁技術等,石墨烯基分子器件具有無標記、實時監測的優點且不依賴大型測試儀器,該方法開啟了單分子器件在分子反應動力學研究的新篇章,未來在探究反應動力學和揭示有機反應機理上具有潛在的應用。該工作于11月25日發表在Science子刊Science Advances上(Sci. Adv. 2016, 2, e1601113)。

該工作得到了國家自然科學基金委、科技部和教育部基金的資助,特別感謝西北大學J. Fraser Stoddart教授,北京師范大學齊傳民教授和天津大學蘇紀豪教授。

原文鏈接:

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201603038/abstract

http://advances.sciencemag.org/content/2/11/e1601113

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