南开大学单分子科学研究中心Chin. J. Chem.封面综述：利用单分子电子器件与荧光技术监测分子动力学

导语

监控单个分子的动力学过程是深入理解单个分子物理化学性质的重要途径，这为解析分子的基本性质、推进物理、化学和分子电子学等领域的研究提供了有力工具。过去几十年，各种单分子水平的实时、高分辨率检测技术不断涌现。其中，电学和光学方法最具前景，它们分别以其高分辨率和可视化的特点，为研究者带来了精准、直观的测量结果。

近日，郭雪峰课题组、贾传成课题组综述了当前最前沿的电学和荧光单分子检测技术，并针对构象异构、分子间相互作用、化学反应和生物分子活动等动力学过程，探讨了这些技术的具体应用。此外，还对该领域的挑战和机遇进行了深入探讨，并提出了未来可能的发展方向。相关文章在线发表于Chin. J. Chem.（DOI：10.1002/cjoc.202300259）。

前沿科研成果

利用单分子电子器件与荧光技术监测分子动力学

这篇综述首先对单分子电学检测方法进行了介绍，在电学技术中，待测分子被桥接至单分子电子检测平台，使得能够通过检测由不同分子状态的导电率所引起的电流波动，实时地监测分子动力学过程。通过将化学反应转化为可检测的电信号，从而对反应的瞬态和中间态及可能存在的随机过程提供了深入的洞见。

这部分主要讨论了基于石墨烯电极的单分子结以及一维纳米材料晶体管，其中一维纳米材料晶体管包括基于聚合物链、碳纳米管、硅纳米线的晶体管。基于石墨烯电极的单分子结具有极高的稳定性，可用于研究从室温到低温，以及从高真空到液相的广泛环境范围内的化学反应。该综述对基于石墨烯电极的单分子结在监测单分子化学反应，构象异构以及分子间/内相互作用的应用进行了全面的总结。接下来，该综述讨论了一维纳米材料晶体管，这类设备以其极高的表面体积比、优异的电学性能和快速的信号响应为特点，成为检测单分子动力学的理想选择。该综述详细的介绍了一维纳米材料晶体管（包括基于聚合物链、碳纳米管、硅纳米线的晶体管）的点功能化方法，并详细探讨了它们在检测化学反应，DNA动力学，蛋白质动力学等方面的应用。

图1 基于石墨烯电极的单分子结监测单分子构象异构 （图片来源： Chin. J. Chem. ）

图2 基于硅纳米线的晶体管检测DNA和蛋白质动力学（图片来源：Chin. J. Chem.）

文章第二部分总结了单分子荧光检测技术，单分子荧光检测技术的显著优点是它能够以高空间和时间分辨率检测单个分子。此外，即使在接近的生理条件下，它也可以直接探索生物分子隐藏的异质性，例如单个生物分子不同状态之间的构象变化和动态转化。该综述详细介绍了单分子荧光技术所涉及的显微镜仪器的原理与优势，其中包括全内反射显微镜、共聚焦显微镜以及超分辨显微镜。此外，还总结了单分子荧光技术在检测单分子反应动力学的具体应用，以及基于荧光共振能量转移方法检测生物大分子动力学的具体应用。

图3 基于单分子荧光技术检测分子反应动力学（图片来源：Chin. J. Chem.）

图4 基于荧光共振能量转移原理检测生物大分子动力学（图片来源：Chin. J. Chem.）

文章第三部分内容介绍了监测单分子动力学的光电结合技术以及其在单分子动力学检测的具体应用。单分子电学技术能够以极高的时间分辨率原位实时的检测单分子事件，而单分子荧光技术具有高灵敏度、靶特异性和二维图谱成像等优点。因此，将电学和光学方法结合，可以全面了解单分子动力学，包括单分子的位置，电学和光学性质，这使得该光电结合技术具有极高的应用潜力。

图5 单分子光电结合技术（图片来源：Chin. J. Chem.）

该综述近期发表在《中国化学》（DOI：10.1002/cjoc.202300259），南开大学单分子科学研究中心博士研究生杨澜为第一作者，北京大学和南开大学双聘教授郭雪峰教授、南开大学贾传成教授、南开大学贺苏杭博士为共同通讯作者。

这项研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委、腾讯科学探索奖、中科院青年基金促进会、北京市自然科学基金、北京分子科学国家实验室和南开大学新物质创造前沿科学中心的联合资助。

课题组简介

课题组合影

教授简介

郭雪峰，国家杰出青年基金获得者、科技部国家重点研发计划项目负责人和中组部万人计划科技创新领军人才。长期从事分子材料和器件的研究，发展了制备稳定单分子器件的突破性方法，构建了国际首例稳定可控的单分子电子开关器件，发展了单分子电学检测的核心技术，开拓了单分子科学与技术研究的新领域。已发表包括2篇Science在内的SCI收录论文220篇，引起了科学和工业界的广泛关注，Scientific American、Nature、Science等期刊和媒体以不同的形式亮点报道过30余次，应邀在Chem. Rev.（2篇）、Nat. Rev. Mater.（1篇）、Nat. Rev. Phys.（1篇）、Acc. Chem. Res.（3篇）和Chem. Soc. Rev.（1篇）等国际权威期刊上撰写邀请综述。拥有或申请了国际国内专利16件，出版专著3本，曾获全国百篇优秀博士论文奖、教育部自然科学奖一等奖、中国高等学校十大科技进展、中国科学十大进展和首届科学探索奖等奖励。作为项目负责人承担了科技部国家重点研发计划，主持了国家自然科学基金仪器项目、重点项目和杰青项目。

电子信箱：guoxf@nankai.edu.cn

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贾传成，南开大学电子信息与光学工程学院教授，博士生导师，入选南开大学百名青年学术学科带头人计划，入选国家级青年人才计划。2014年于北京大学获得博士学位，2014-2020年分别在中国科学院化学研究所和美国加州大学洛杉矶分校从事博士后研究工作。长期从事分子光电子器件和微纳光电子器件的研究，在单分子开关、分子隧穿场效应器件等领域取得了一系列重要研究成果。

迄今已在相关领域发表了78篇SCI收录论文，申请/授权中国发明专利24项、美国专利1项。其中以第一/通讯作者发表论文49篇，包括Science（1篇）、Chem. Rev.（1篇）、Acc. Chem. Res.（1篇）、Rep. Prog. Phys.（1篇）、Sci. Adv.（4篇）、Chem（2篇）、Angew. Chem.（3篇）、Adv. Mater.（2篇）、J. Am. Chem. Soc.（2篇）等。相关成果曾获教育部自然科学奖一等奖、中国高等学校十大科技进展和中国科学十大进展等奖励。

电子信箱：jiacc@nankai.edu.cn

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邀稿

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