研究单分子化学反应的技术平台 | NSR综述

图1. 表面单分子化学反应

单分子结化学反应：单分子结（SMJs）是研究单个化学反应及其机制和动力学的有力平台，实时精确分析单分子层面的化学反应机制具有重要研究价值。SMJs可分为动态断裂结和静态断裂结。

在动态单分子结中的化学反应研究中，如图2A所示，Coote团队利用动态断裂结技术发现，对于取向固定的亲二烯体，当电场的极性促进电子从亲二烯体流向二烯时，Diels-Alder反应的速率可以提高5倍。静态结由于更高的稳定性和可靠性，利于对单个分子性质的长期观察和分析。Guo等人通过虚线蚀刻技术发展了石墨烯纳米间隙电极，并利用酰胺键共价键合分子，推动了静态单分子结研究的发展。团队成员研究了多个单分子化学反应，不仅验证了平台的可靠性，同时通过实时I-t数据定义了重要的动力学参数。如图2B所示，通过将亚甲基引入二芳基乙烯功能中心和石墨烯电极之间以减小耦合，团队开创性地实现了对单分子光诱导异构化的稳定可逆监测。

图2. 单分子结化学反应

基于纳米结构的化学反应检测：纳米结构的小尺寸和大表面积可实现低浓度分子的超灵敏检测，在单分子水平上对化学反应进行探测和分析，可以检测化学反应动力学并揭示反应机理。纳米孔具有超高灵敏度、低成本以及无需标记或修饰的优势，其有三种不同类型：生物型、固态和混合型。高通量解读分子特征的能力为理解单分子的性质和功能提供了指导（图3A）。硅纳米线（SiNWs）和碳纳米管（CNTs）由于单分子级别的灵敏度，被广泛应用于无标记的超灵敏生物检测（图3B）。

图3. 基于纳米结构器件的单分子检测

基于单分子荧光的化学反应检测：单分子荧光化学反应检测是一种利用分子荧光性质检测分析单分子化学反应的高敏感性、高选择性方法（图4）。单分子荧光检测可追踪分子的构象变化、动力学、相互作用并实现操控，其关键在于确保在照射体积内只有单个分子与激光相互作用，近场扫描光学显微镜和远场共聚焦显微镜为突破光学衍射极限提供了解决方案。

图4. 单分子化学反应的荧光检测

基于交叉分子束的化学反应检测：交叉分子束（CMB）技术可揭示反应动力学中的许多基本性质，同时在观察化学反应中的精细量子结构方面也发挥着关键作用。如图5A所示，研究人员通过CMB实验观察到H + HD → H₂ + D反应的快速前向散射振荡，证实了量子动力学理论的预测。同时，Yang等人基于CMB技术发现了化学反应中新的量子几何相位效应，开发了基于拓扑原理的新方法来分析反应路径（图5B）。