限域石英納米孔道實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)

蘆思珉 于汝佳 龍億濤

摘 要 ：點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)具有反應(yīng)條件溫和、高區(qū)域選擇性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、藥物科學(xué)、生物化學(xué)等研究領(lǐng)域。在單顆粒水平上，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)過程有助于揭示反應(yīng)的各向異性及反應(yīng)機(jī)理。本研究以具有電化學(xué)限域效應(yīng)的石英納米孔道作為傳感器，對(duì)單個(gè)金納米顆粒（AuNPs）上的點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。在電滲流的驅(qū)動(dòng)下，炔基化合物修飾的AuNPs進(jìn)入孔道內(nèi)部，在Cu+的催化下，AuNPs表面的炔基與金層上的疊氮基團(tuán)發(fā)生點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)，因此，AuNPs在孔道端部的滯留時(shí)間增長(zhǎng)。相比于未發(fā)生點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)時(shí)，反應(yīng)過后 “體積排阻效應(yīng)”造成的阻斷電流頻率變大，阻斷時(shí)間明顯增長(zhǎng)。因此，基于限域石英納米孔道的分析方法為在單顆粒水平上實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)化學(xué)反應(yīng)提供了新的研究思路。

關(guān)鍵詞 ：點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng); 限域石英納米孔道; 電化學(xué)限域效應(yīng); 體積排阻效應(yīng); 阻斷電流

1 引 言

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和理解化學(xué)反應(yīng)動(dòng)態(tài)過程對(duì)揭示化學(xué)反應(yīng)的內(nèi)在機(jī)理起到至關(guān)重要的作用。近年來，核磁共振[1]、質(zhì)譜[2]、拉曼光譜[3]、暗場(chǎng)散射[4]等分析技術(shù)發(fā)展迅速，并廣泛用于化學(xué)反應(yīng)過程的研究。例如，時(shí)間分辨近紅外光譜被用來研究金納米材料催化劑表面的一氧化碳氧化過程[5]。 然而，這些技術(shù)大多僅可獲得成千上萬的顆?；蚧瘜W(xué)分子在反應(yīng)過程中的平均信息，無法揭示化學(xué)反應(yīng)過程中單顆?；騿畏肿有袨榈母飨虍愋砸约胺磻?yīng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)過程。此外，化學(xué)合成反應(yīng)制備出尺寸不一、形貌各異的納米顆粒通常具有各不相同的化學(xué)和物理性質(zhì)[6]。因此，亟需發(fā)展一種具有高時(shí)間分辨率的新型單顆粒， 分析技術(shù)監(jiān)測(cè)溶液中單個(gè)納米顆粒的動(dòng)態(tài)化學(xué)反應(yīng)過程，以揭示化學(xué)反應(yīng)的內(nèi)在機(jī)理。

固體納米孔道分析技術(shù)是一種具有高靈敏度的單顆粒檢測(cè)手段，具有時(shí)間分辨率高、無需化學(xué)標(biāo)記、成本低、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于分析化學(xué)的多個(gè)領(lǐng)域[7～9]。固體納米孔道分析方法是基于解析單顆粒通過限域空間時(shí)產(chǎn)生的阻斷離子流，進(jìn)一步獲取單顆粒個(gè)體行為的分析方法[0～12]。其中，石英納米孔道是一類特殊的固體納米孔道，是由石英毛細(xì)管拉制而成尖端尺寸可調(diào)的錐形納米孔道，被廣泛應(yīng)用于核酸檢測(cè)[3]、蛋白質(zhì)檢測(cè)[4]、抗原抗體識(shí)別[5]、單細(xì)胞分析等領(lǐng)域[～18]。石英納米孔道分析技術(shù)多是基于 “體積排阻”和“表面電荷”兩個(gè)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)分析檢測(cè)。其中，“體積排阻效應(yīng)”是由于目標(biāo)分析物進(jìn)入限域納米孔道，進(jìn)而電解質(zhì)離子的傳輸被阻斷，最終導(dǎo)致離子流降低[9]，研究者利用抗原與抗體特異性識(shí)別后體積增大造成阻斷電流變大的原理，對(duì)甲胎蛋白進(jìn)行了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[20]; “表面電荷效應(yīng)”則是由于目標(biāo)分析物的表面電荷通過靜電相互作用改變孔道內(nèi)離子的分布，進(jìn)而改變離子流的大小[9]。研究表明，由于納米氫氣泡表面負(fù)電荷有助于增強(qiáng)離子流，因而“表面電荷效應(yīng)”抑制了“體積排阻效應(yīng)”，最終離子流得到顯著增強(qiáng)[21]。

點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)是一類將小單元結(jié)構(gòu)分子快速拼接成各樣不同大分子的化學(xué)反應(yīng)，具有操作簡(jiǎn)單、原料易得、反應(yīng)條件溫和、產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)。其中，Cu+作為催化劑催化疊氮炔烴環(huán)加成反應(yīng)是一類典型的點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)， 廣泛應(yīng)用于大分子合成、表面功能化修飾、生命分析化學(xué)等研究領(lǐng)域[4]。本研究利用具有電化學(xué)限域效應(yīng)的鍍金石英納米孔道作為傳感器，在單顆粒尺度下實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)。未被修飾的金納米顆粒（AuNPs）在電滲流的驅(qū)動(dòng)下向表面鍍金的石英納米孔道運(yùn)動(dòng)，當(dāng)其經(jīng)過孔口的限域空間時(shí)，由于“體積排阻效應(yīng)”造成離子流的下降。炔基修飾的AuNPs在電滲流的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)入疊氮根修飾鍍金石英納米孔道時(shí)，Cu+催化疊氮和炔基發(fā)生點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)，AuNPs因而被連接到石英納米孔道的金層之上，最終使得“體積排阻效應(yīng)”造成的離子流阻斷時(shí)間變長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，具有電化學(xué)限域效應(yīng)的鍍金石英納米孔道作為傳感器，可在單顆粒尺度上對(duì)點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 儀器與試劑

PatchClamp數(shù)模放大器、DigiData 1440A模數(shù)轉(zhuǎn)換器、PatchClamp 10.4數(shù)據(jù)讀取軟件、ClampFit10.4數(shù)據(jù)處理軟件（美國(guó)Axon Instruments公司）; P2000 CO2激光拉制儀、石英管（美國(guó)Sutter儀器公司）; Matlab軟件（美國(guó)Matlab公司）; Origin 8.0（美國(guó)OriginLab公司）; 法拉第屏蔽箱、防震臺(tái)（北京洪升外貿(mào)有限公司）; 0.25 mm銀絲（美國(guó)Sutter儀器公司）; 場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（德國(guó)蔡司儀器公司）; KCl、HAuCl4（SigmaAldrich有限公司）; 丙酮（純度>99%）、乙醇（純度>99%）、檸檬酸三鈉、CuCl2、抗壞血酸鈉（上海國(guó)藥試劑有限公司）。其它試劑均為分析純。實(shí)驗(yàn)用水為超純水（電導(dǎo)率為18 MΩ cm），由 MilliQ 純水儀（美國(guó)Millipore 公司）制備。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 AuNPs的制備及修飾 AuNPs采用化學(xué)還原法制備，50 mL 0.01% 氯金酸溶液加熱至沸騰，將5 mL 38.8 mmol/L檸檬酸三鈉水溶液迅速加入至沸騰溶液中，將混合溶液持續(xù)加熱15 min后即可得到顏色為酒紅色的AuNPs溶液。疊氮化合物、炔基化合物的具體合成方法參考本課題組已建立的方法[4]。取100 μL 1 mmol/L 炔基化合物加入到6 mL制備的AuNPs水溶液中，利用NaOH溶液將混合溶液調(diào)至pH 9，攪拌混合溶液24 h，即可得到炔基化合物修飾的AuNPs。

2.2.2 錐形鍍金石英納米孔道的制備及修飾 首先使用激光拉制儀制備錐形石英納米孔道，分別用丙酮、乙醇、水清洗石英毛細(xì)管15 min，將清洗干凈的石英毛細(xì)管置于氮?dú)鈿夥罩?，使其干燥。將干燥清潔的石英玻璃管置于P2000 CO2激光拉制儀中拉制成尖端為錐形的石英納米孔道。利用電子束蒸鍍方法在管道內(nèi)壁鍍金，將制備好的石英納米孔道固定于硅片之上，隨后將負(fù)載有石英納米孔道的硅片放置于電子束蒸發(fā)鍍膜機(jī)中，蒸鍍速率為1 /s[7]。利用微量注射器將1 mmol/L疊氮化合物乙醇溶液注入鍍金石英納米孔道中，以5500 r/min離心，使得疊氮化合物溶液充滿石英納米孔道，反應(yīng)24 后將化合物溶液吸出，然后用無水乙醇溶液清洗管道內(nèi)壁數(shù)次。