限域石英納米孔道實時監測點擊化學反應

蘆思珉 于汝佳 龍億濤

摘 要 ：點擊化學反應具有反應條件溫和、高區域選擇性等優點，被廣泛應用于材料科學、藥物科學、生物化學等研究領域。在單顆粒水平上，實時監測點擊化學反應過程有助于揭示反應的各向異性及反應機理。本研究以具有電化學限域效應的石英納米孔道作為傳感器，對單個金納米顆粒（AuNPs）上的點擊化學反應進行了實時動態監測。在電滲流的驅動下，炔基化合物修飾的AuNPs進入孔道內部，在Cu+的催化下，AuNPs表面的炔基與金層上的疊氮基團發生點擊化學反應，因此，AuNPs在孔道端部的滯留時間增長。相比于未發生點擊化學反應時，反應過后 “體積排阻效應”造成的阻斷電流頻率變大，阻斷時間明顯增長。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時動態監測化學反應提供了新的研究思路。

關鍵詞 ：點擊化學反應; 限域石英納米孔道; 電化學限域效應; 體積排阻效應; 阻斷電流

1 引 言

實時監測和理解化學反應動態過程對揭示化學反應的內在機理起到至關重要的作用。近年來，核磁共振[1]、質譜[2]、拉曼光譜[3]、暗場散射[4]等分析技術發展迅速，并廣泛用于化學反應過程的研究。例如，時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，這些技術大多僅可獲得成千上萬的顆粒或化學分子在反應過程中的平均信息，無法揭示化學反應過程中單顆粒或單分子行為的各向異性以及反應的實時動態過程。此外，化學合成反應制備出尺寸不一、形貌各異的納米顆粒通常具有各不相同的化學和物理性質[6]。因此，亟需發展一種具有高時間分辨率的新型單顆粒， 分析技術監測溶液中單個納米顆粒的動態化學反應過程，以揭示化學反應的內在機理。

固體納米孔道分析技術是一種具有高靈敏度的單顆粒檢測手段，具有時間分辨率高、無需化學標記、成本低、操作簡便等優勢，被廣泛應用于分析化學的多個領域[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產生的阻斷離子流，進一步獲取單顆粒個體行為的分析方法[0～12]。其中，石英納米孔道是一類特殊的固體納米孔道，是由石英毛細管拉制而成尖端尺寸可調的錐形納米孔道，被廣泛應用于核酸檢測[3]、蛋白質檢測[4]、抗原抗體識別[5]、單細胞分析等領域[～18]。石英納米孔道分析技術多是基于 “體積排阻”和“表面電荷”兩個效應實現分析檢測。其中，“體積排阻效應”是由于目標分析物進入限域納米孔道，進而電解質離子的傳輸被阻斷，最終導致離子流降低[9]，研究者利用抗原與抗體特異性識別后體積增大造成阻斷電流變大的原理，對甲胎蛋白進行了實時動態監測[20]; “表面電荷效應”則是由于目標分析物的表面電荷通過靜電相互作用改變孔道內離子的分布，進而改變離子流的大小[9]。研究表明，由于納米氫氣泡表面負電荷有助于增強離子流，因而“表面電荷效應”抑制了“體積排阻效應”，最終離子流得到顯著增強[21]。

點擊化學反應是一類將小單元結構分子快速拼接成各樣不同大分子的化學反應，具有操作簡單、原料易得、反應條件溫和、產率高等優點。其中，Cu+作為催化劑催化疊氮炔烴環加成反應是一類典型的點擊化學反應， 廣泛應用于大分子合成、表面功能化修飾、生命分析化學等研究領域[4]。本研究利用具有電化學限域效應的鍍金石英納米孔道作為傳感器，在單顆粒尺度下實現了實時監測動態點擊化學反應。未被修飾的金納米顆粒（AuNPs）在電滲流的驅動下向表面鍍金的石英納米孔道運動，當其經過孔口的限域空間時，由于“體積排阻效應”造成離子流的下降。炔基修飾的AuNPs在電滲流的驅動下進入疊氮根修飾鍍金石英納米孔道時，Cu+催化疊氮和炔基發生點擊化學反應，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”造成的離子流阻斷時間變長。實驗結果表明，具有電化學限域效應的鍍金石英納米孔道作為傳感器，可在單顆粒尺度上對點擊化學反應過程進行實時動態監測。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

PatchClamp數模放大器、DigiData 1440A模數轉換器、PatchClamp 10.4數據讀取軟件、ClampFit10.4數據處理軟件（美國Axon Instruments公司）; P2000 CO2激光拉制儀、石英管（美國Sutter儀器公司）; Matlab軟件（美國Matlab公司）; Origin 8.0（美國OriginLab公司）; 法拉第屏蔽箱、防震臺（北京洪升外貿有限公司）; 0.25 mm銀絲（美國Sutter儀器公司）; 場發射掃描電子顯微鏡（德國蔡司儀器公司）; 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（上海國藥試劑有限公司）。其它試劑均為分析純。實驗用水為超純水（電導率為18 MΩ cm），由 MilliQ 純水儀（美國Millipore 公司）制備。

2.2 實驗方法

2.2.1 AuNPs的制備及修飾 AuNPs采用化學還原法制備，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、水清洗石英毛細管15 min，將清洗干凈的石英毛細管置于氮氣氣氛中，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，隨后將負載有石英納米孔道的硅片放置于電子束蒸發鍍膜機中，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24 后將化合物溶液吸出，然后用無水乙醇溶液清洗管道內壁數次。