单分子科学的机遇与挑战

单分子作为物质世界中独立稳定的最小单元,是构造物质的基本单元,是最稳定的量子化单元.单分子研究是对人类表征和检测技术极限的挑战,已经成为各国竞争的制高点.单分子科学作为一个前沿交叉领域,融合了分子结构设计、单分子超分辨、单分子物理化学性质研究、理论模拟等多层面工作,孕育着不可估量的突破.本综述以单分子科学为主题,对该领域的整体发展概况和突破性成果进行系统梳理.首先,从基础科学与应用两个层面介绍单分子科学与技术研究的意义;然后,重点阐述基于电学、力学、光谱学等技术对单分子不同维度性质进行表征的进展,并着重介绍我国学者为推动单分子科学研究领域发展所作出的巨大贡献;最后,归纳并展望未来单分子科学领域发展所面临的机遇与挑战.     

单个DNA分子的拉直操纵和成像

利用分子梳技术，将ＤＮＡ拉直在硅烷化的云母表面，实现了单分子ＤＮＡ的荧光微镜和原子力显微镜探测，同时，利用改进的动态分子梳技术进行了ＤＮＡ分子拉直操纵的原子力显微术研究。结果表明，对于ＤＮＡ拉直操纵，改进的动态分子梳技术与原有的动态分子梳相比具有样品用量少、污染小的优点，与一般的分子梳技术相比有更好的拉直效果和重复性。这种ＤＮＡ分子操纵与单分子ＤＮＡ荧光显微术、原子力显微术结合，将在分子动力学基础     

两组分混合单分子膜分相结构的AFM研究

一些非完全互溶的混合单分子膜会在气-液界面发生相分离现象,形成多种二维微晶畴(Domain)结构,这为人们提供了一个了解与认识准二维混合体系中诸如相变、分相等多种物理过程的机会.同时,混合单分子膜这一结构形式,还提供了一种将多种功能分子组装于同一个单分子层中的方法.因此,对混合单分子膜微观结构的研究与表征具有十分重要的理论及实际意义.     

单分子电子学的实验研究进展及未来10年展望:从器件到应用

单分子电子学的初衷是采用单个分子这种极致尺寸结构精确可控的材料作为电子器件的功能单元,以此来应对半导体器件尺寸的小型化进程.从第一次实验测试到单分子电导开始,单分子电子学经历了25年的发展,逐渐衍生出两条研究路线:一条是延续该领域的初心,通过采用单个分子构筑半导体器件,进而实现逻辑运算乃至分子计算芯片;另一条是开辟新的研究领域,采用单分子电子学技术作为单分子尺度物理化学过程的表征方法和研究工具.本文沿着单分子电子学的发展脉络,简述单分子电子学领域的重要研究进展,并对该领域未来发展趋势及所面临的挑战进行展望.     

DNA损伤修复的单分子水平研究进展

外源或内源的DNA损伤在生物体内持续发生。DNA损伤修复的缺陷与很多疾病甚至癌症等息息相关,而生物细胞进化出一系列精密的修复机制以耐受或切除这些损伤。单分子技术区别于常规的生化、分子生物学等手段,可以在体外和活细胞内研究DNA修复相关生物分子的动态反应特征,从而对DNA修复机制进行更充分的剖析。文章围绕常见的DNA损伤及其修复类型,阐述了近年来利用原子力显微镜、磁镊、光镊等单分子操控技术,以及全内反射荧光显微镜、光激活定位显微镜和超分辨显微示踪等单分子荧光成像技术在DNA修复机制研究中取得的进展,梳理了利用单分子技术解决的长期存在的关于DNA修复难题,并展望了单分子技术联合其他交叉学科技术在研究DNA修复机制方面的前景。     

RNA聚合酶动态调控DNA转录的单分子水平研究进展

真核生物的RNA聚合酶Ⅱ(Pol Ⅱ)和原核生物的RNA聚合酶(RNAP)主要负责转录合成信使RNA(mRNA)，调控不同基因的转录水平，以调节生物体的生长发育和应对复杂多变的环境。研究者采用传统的荧光显微镜观测到RNAP可形成团簇，据此针对DNA转录调控提出“转录工厂”模型。随着单分子技术的发展，研究者在单分子水平上观测到了活细胞中RNAP动态调控DNA转录，提出RNAP可以通过液-液相分离机制进行转录调控。该综述总结了不同单分子荧光显微镜的技术原理，以及相关的荧光探针标记方法，并介绍了在真核生物和原核生物中应用单分子成像技术可视化RNA聚合酶动态调控DNA转录过程的研究进展，最后展望了单分子技术在转录调控研究中的应用前景。     

偶氮苯自组装单分子膜的特征电化学响应

自组装膜作为在分子水平上设计界面结构的方法,在基础研究和应用开发两方面均得到广泛的发展。自组装膜的电化学是一个非常活跃的领域,但是主要的研究工作则集中在简单可逆的氧化还原体系,例如:二茂铁衍生物、紫精类、醌类、钌和锇的联吡啶和胺的络合物。我们的目的是应用高度有序和致密的自组装膜研究复杂的偶氮苯基团的电化学反应机制,在初步的研究中,我们已成功地将偶氮苯导入自组装膜体系,并且获得了良好的电化学响应,本文报道了系列新型偶氮苯自组装单分子膜的构造以及电化学性质的考察。这样一个全新体系使得我们能够洞察在有序分子组装体系中所进行的电子转移与离子传递的特征规律性。     

生命科学用原子力显微镜之原理与应用

本文在简单介绍原子力显微镜（AFM）成像原理及其特点的基础上，主要从AFM对核酸、蛋白质和细胞微生物的表面特性、内部结构、分子细胞间的相互作用及其动态观察、单分子操纵以及分子识别等方面的应用加以举例介绍。随着科学技术的发展，AFM的不断改进与完善，AFM必将成为生命科学研究的重要手段之一。     

用单分子荧光显微术与光学作图法构建水稻BAC克隆DNA的限制性物理图谱

报道一种用于荧光显微镜探测的研究DNA分子与限制性内切酶相互作用的方法。DNA分子经过改进的“分子梳”技术铺展并吸附于化学修饰过的盖玻片表现，然后运用限制性内切酶EcoRⅠ进行原位酶切反应，使DNA分子在固着状态下的反应结果与液相反应相对应，通过单分子荧光显微术直接观测并记录单个DNA分子的酶切反应结果，成功地构建了水稻BAC克隆DNA的限制性物理图谱，为单分子的动态荧光显微镜实施研究和基因组光学作图打下基础。     

原子力显微术研究相分离混合单分子膜中微晶畴的多相性

近10年来,利用荧光显微术和布儒斯特角显微术等光学观测手段,已对气-液界面上两亲性分子的微晶畴结构(Domain)进行了广泛的研究.但是,这些研究主要集中在单组分单分子膜从液态扩张相(LE)到液态凝聚相(LC)的相变过程,很少涉及混合单分子膜的畴结构与相行为.这一状况主要源于光学显微术在分辨率上的局限性.新近出现的原子力显微术(AFM)由于其具有极高的分辨率,为混合单分子膜Domain结构的观测提供了十分有效的手段.这里,我们报道在混合单分子膜——花生酸(AA)和5,10,15-三苯基-20-(4-dl-α-苯丙氨酰氨基)苯基卟啉(TPPP)中所形成的Domain以及Domain的某些生长过程.     

金属富勒烯单分子磁体

金属富勒烯是一类碳笼内部嵌入了金属离子或者金属团簇的富勒烯.当内嵌的金属离子含有未成对电子时,金属富勒烯具有顺磁性,而内嵌的金属团簇则形成了特殊的配位场,使得金属富勒烯表现出单分子磁体性质.基于金属富勒烯稳定性高、分子结构易于调控的优点,近年来金属富勒烯在单分子磁体领域崭露头角.自2012年首例内嵌氮化物金属富勒烯单分子磁体被报道以来,金属富勒烯单分子磁体的种类已扩展到内嵌碳化物金属富勒烯、氧化物金属富勒烯、硫化物金属富勒烯、氰化物金属富勒烯和双金属富勒烯等.本文首先简单介绍了金属富勒烯的结构特点,然后详细总结了目前报道的所有金属富勒烯单分子磁体,并通过对比不同类型的金属富勒烯单分子磁体的性能,讨论了影响金属富勒烯单分子磁体性质的因素,最后对金属富勒烯单分子磁体的发展前景进行展望.     

基于纳米操纵的DNA分子手术

手术一般是利用手术刀等工具对生物体的特定部位进行定位机械操作,包括切割、移植、缝合等."分子手术"是延用医学中对生物体外科手术的概念,只是对象不是生物体而是单个分子."分子手术"的定义为:对单个分子在纳米尺度上的操纵和改性,包括对单分子的切割、推移、卷积、分离,以及定位反应等.这意味着分子手术主要是借助某种机械对单个分子的机械操作及随之引发的化学和生化反应.     

磁性分子的量子相干操控

在量子信息科技的发展中,以电子自旋作为信息载体的分子基材料因其突出的可设计性和可扩展性而被寄予厚望.基于系综的量子信息材料研究在分子设计和量子操控策略方面已有较多积累.本文从分子基量子比特的构效关系和分子设计、分子基多能级量子位的研究现状和应用潜力、多功能磁性分子等角度介绍了近年来国内外分子基量子信息材料研究的概况,并总结了该领域已取得的成果和现状,展望了今后实现突破的潜在方向和技术路线要求.我们认为,分子基量子信息材料的发展需要走向单自旋表征和操控的新阶段,并整合自旋化学与量子信息科技,以构建新的研究范式.     

布儒斯特角显微镜观察菁染料单分子膜的相变

利用不带长烷基链的染料和长链脂肪酸混合,以制备染料的LB膜是近年来广泛应用的一种方法。这种方法使许多不具有两亲性的分子亦能形成LB膜,在分子构筑术上具有重要意义。但是,这种混合单分子膜在不同表面压下的结构是不清楚。最近,法国和德国先后报道了以偏振激光为光源,CCD摄像机作为图像接收器的显微技     

单分子膜调控草酸钙晶体成核和生长的研究进展

近年来, 来自医学、生物、材料和化学等领域的学者从不同的侧面对尿结石主要组分草酸钙(CaOxa)的矿化进行了深入研究, 具有类似细胞膜结构的单分子膜是重要的模型体系之一. 本文综述了单分子膜对CaOxa晶体成核、生长和晶面取向的调控作用的研究进展, 讨论了单分子膜亲水头基、疏水尾链、膜聚集态、亚相抑制剂等因素对膜控晶体生长的影响, 从晶格匹配、分子模型、静电作用、氢键、异相成核理论、空间定位与约束等方面深入探讨了单分子膜诱导晶体生长的本质原因, 并论述了采用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)和计算机模型等方法得到的最新结果.     

光电双活性偶氮苯自组装单分子膜的设计

具有光化学和电化学活性的有机分子在功能器件开发方面具有潜在的应用前景 偶氮苯衍生物是典型的化合物之一,如图1A所示,它具有光致顺反异构化和电化学氧化还原反应的双重活性.利用偶氮苯衍生物有序分子组装体系的光电化学性质,我们提出了“单向循环”的新型信息存储原理.在过去的工作中,我们利用Langmuir.Blodgett技术将偶氮苯长链脂肪酸衍生物分子固定在ITO导电玻璃上而形成高度有序的单分子膜.由于偶氮苯衍生物分子是物理吸附在基底上,在反复进行光化学及电化学测试过程中,常常脱落到电解质溶液中,从而造成单分子膜的脱落;同时偶氮苯从反式到顺式过程伴随着空间的增大,因此在致密有序的LB膜中顺反异构化效率较低.我们利用自组装技术将偶氮苯衍生物通过与基底的     

植物重要膜蛋白的扩散与胞吞机制

膜蛋白作为细胞膜的重要组成部分,通常会发生胞吞循环以调控其在细胞膜上的数量平衡,或响应外界环境的刺激.单分子成像技术是近年来发展起来的,可用于在活细胞条件下对单个分子进行观测和研究的新技术,具有较高的时空分辨率,实现了在纳米和微秒水平上对单个分子的快速实时成像和精确分析.本文结合作者所在实验室取得的研究成果,介绍了利用单分子技术,包括全内反射荧光显微术、荧光相关光谱、荧光互相关光谱分析等方法,对植物几种重要膜蛋白在质膜上的运动特征以及胞吞途径的研究工作,总结了植物中脂筏微区分布及脂筏参与的胞吞途径对膜蛋白功能的调控机制,展望了植物质膜微区的精确划分以及膜蛋白胞吞之后的去向等方面所面临的难题.     

希夫碱在铜表面上的自组装膜的STM和XPS研究

用自组装技术在铜表面上制备了希夫碱单分子膜，并用STM和XPS等现代表面分析方法对所得到的膜进行了表征。结果表明邻香兰素邻氨基酚确实能在铜表面上形成取向、紧密排列的有序单分子自组装膜。而邻香兰素邻氨基酚分子中的两个苯环并不是平辅在铜表面上，而是以一定角度倾斜。这一自组装新体系的开发对自组装技术在金属腐蚀与防护方面的应用必将具有重要意义。     

扫描隧道显微镜诱导发光的历史和进展

扫描隧道显微镜(STM)不仅可以用来观察和操纵纳米世界的一个个原子和分子, 而且其高度局域化的隧穿电流还可以用来激发隧道结发光, 能提供隧道结微腔内与各种激发及其衰变有关的局域电磁场响应和跃迁本质等信息. 这种利用STM隧穿电流的激发来研究隧道结发光特性的技术称为STM诱导发光技术(STML). 本文较为详细地介绍了该领域的研究历史、现状与发展趋势. 在简要介绍光子收集与检测等实验技术后, 概述了这一领域在金属和半导体表面方面的主要研究内容, 并针对目前广泛关注的隧道结分子发光进行了详细的阐述. 最后还简单介绍了STM诱导发光机制的理论研究, 并对整个领域的发展进行了展望, 特别是STM诱导分子发光技术对于研究单分子科学、单分子光电子学、以及纳米等离激元学的广阔前景.     

高聚物EHEC与不同电荷表面活性剂的相互作用

高聚物O-乙基-O-(2-羟乙基)纤维素(英文缩写为EHEC)与表面活性剂之间相互作用的研究,国外已有报道,但对于其作用机理并不十分清楚.本文试图在已有工作基础上,采用不同于国外的实验方法及手段,对表面活性剂与EHEC之间的相互作用做更深入的研究.本文利用单分子膜技术,测定了十二烷基硫酸钠(SDS),十六烷基三甲基溴化铵(CTAB),以及辛基苯基聚氧乙烯醚(TritonX-100)三类具有不同电荷的表面活性剂在高聚物EHEC的水溶液表面上成膜的π-A曲线,结果表明:在我们的实验条件下,高聚物EHEC都能不同程度地降低三类表面活性剂的表面张力,其中以CTAB的表面张力下降的最多.