自组装单分子膜表面分子间氢键的电化学研究

分子间氢键是普遍存在于分子间的一种弱相互作用, 在细胞膜表面的分子识别过程中起着基础且重要的作用. 为简化细胞膜的复杂性, 利用结构明确的自组装单分子膜构建模拟细胞膜体系, 在分子水平上对自组装单分子膜表面的分子间氢键进行探究, 为细胞膜表面分子识别的研究提供了新的视角.北京理工大学化学与化工学院邵会波教授从电化学角度, 结合扫描电化学显微镜方法的优势, 介绍了关于自组装单分子膜表面分子间氢键的研究进展.

氢键作为一种弱相互作用力, 广泛存在于生命体包括蛋白质和核酸等中, 参与分子识别、物质转运和酶催化等基础的生理过程. 早在1953年Watson和Crick发现DNA双螺旋结构时, 就提出可通过氢键作用进行识别和配对, 用来传递和表达生物体信息. 对细胞膜表面的分子识别而言, 分子间氢键是其重要动力之一, 通过识别并固定氨基酸和酶等重要物质, 使这些重要物质进入细胞发挥生理功能. 因此, 分析膜表面分子间氢键可深入探究分子识别的机制, 并为分子识别的调控提供新的视角.

目前虽有多种方法可以分析固/液相体系中氢键的特征, 如X射线和中子衍射、固体核磁共振、拉曼和红外光谱等实验方法以及从头计算等理论方法. 但是, 由于分子间氢键具有动态可逆、随外部环境易变等特点, 且这种氢键强度比化学键强度小许多, 致使液相中膜表面分子间氢键的定量研究具有挑战性. 基于氢键作用本质上是弱电作用, 这种微观的弱相互作用可以通过电化学技术体现为电流或电子转移速率等可定量比较的物理参数, 氢键电化学就此提出. Kaifer等报道了二茂铁氢键聚集体中的电子交换作用以及活性中心被氢键聚集体包裹后的电子转移行为, 成功通过电化学反应过程阐述了分子间氢键作用. Cooke和Rotello等基于氢键作用制备了二元主客体复合物, 在非极性或极性有机溶剂中, 通过电化学的氧化/还原成功驱动了两种组分以不同状态结合形成三种复合物, 并对结合效率即氢键作用进行了分析. Smith通过氧化/还原产生更强的氢键供体/受体, 成功采用电化学技术实现了对氢键的调控并将其应用于超分子的可控组装. 至此, 通过电化学方法成功地对氢键进行了研究和调控. 然而, 对于膜表面的分子间氢键, 因表面可能存在的缺陷和结构不均一等情况, 只用电化学方法进行研究略显不足. 扫描探针技术利用微米或纳米级的尺寸针尖接近基底, 以较高的分辨率获取基底微区信息, 在膜表面的探究上展现出独特优势, 已被广泛用于材料和微电子等表面科学的分析. 因此, 我们选择了以电化学原理为基础的、电化学方法与扫描探针技术相结合的扫描探针显微镜技术——扫描电化学显微镜技术(scanning electrochemical microscopy, SECM), 将其用于对膜表面分子间氢键的探究. 相比于传统的三电极电化学方法, 具有超微探针电极的SECM“双”工作电极体系能够使电子转移和氢键作用分别在两个电极上发生, 避免互相干扰, 体现出本征的氢键作用,同时, 基底电极的开路状态可避免基底电场对氢键作用的干扰. 此外, 超微电极的尺寸效应使SECM具有较高的检测灵敏度(电流检测可达皮安以下).

自组装单分子膜(self-assembled monolayer, SAM)作为细胞膜的理想简化模型, 其形成机理和界面电子转移过程的动力学过程已通过SECM进行了研究（图1）. SECM减弱了双电层电流和电势降的影响, 提高了对SAM膜探究的准确性. 此外, 利用SECM不仅可得到膜表面微区不均匀表面的电化学信号, 而且能够得到不同区域的形貌. 因此,对于膜表面分子间氢键的探究, SAM和SECM分别提供了理想的实验模型和重要的研究手段.

图1 在MPA SAM电极上的分子间氢键可逆组装与解组装过程示意图

北京理工大学化学与化工学院邵会波教授系统介绍了在构建的简化模拟细胞膜-自组装膜体系中, 利用扫描电化学显微镜方法探究自组装膜表面分子间氢键在分子识别过程中的作用, 以期为细胞膜功能的探究提供参考信息.

当然, 氢键在细胞膜表面分子识别的研究中仍存在一系列的困难. 首先, 模拟体系的构建需要完善, 虽然通过自组装膜可以简化模拟细胞膜. 但是生命体内细胞膜及其微环境远比模拟体系复杂, 该文的研究结果并不能准确地体现出细胞膜的真实行为; 其次, 电化学测试的电流非特异性也使实验数据的解析仅具有推理性, 这要求发展与多种测试手段的联用以期使结论更明确; 最后, 分子识别过程的探究仍需细化. 因此,接下来需要深入探究分子识别的每一步, 如氢键在分子识别的固定、传输、响应和代谢过程中体现的行为机理, 为以后通过调控氢键改善生物体信息传递提供思路.

文章来源：《分子科学学报》 网址: http://www.fzkxxbzz.cn/zonghexinwen/2020/1029/396.html