溶劑在化學反應和生命過程中扮演著極其重要的角色，對溶劑效應的全面理解可以指導我們破譯化學反應和生命過程的內在機制，並進一步優化合成條件和調節生物過程的驅動力。長期以來，對溶劑的理解和表徵可以概括為：（1）內在性質：化學勢、偶極矩和介電性質；（2）相互作用管道（靜態無序）：氫鍵、π-π堆積、疏水相互作用和靜電相互作用；（3）動態特性：擴散、電荷和能量的轉移等。這些特性已被一系列宏觀溶劑實驗所描述，比如溶劑熱力學、繞射成像等。然而，最內在的特徵，包括溶質-溶質、溶質-溶劑和溶劑-溶劑的相互作用會被系綜平均所掩蓋，並且從微觀角度直接表徵的難度巨大，因而從未獲得更多溶劑的詳細局部結構特徵與動態特性。最近，北京大學化學與分子工程學院郭雪峰課題組發展了一種基於單分子電學平臺分析溶劑中的微觀結構和相互作用的新方法——單分子事件譜，發現了溶液中的微觀異質性，並揭示了微相分離的動態特徵以及溶劑中的分子間相互作用（圖1）。
圖1單分子指示器示意圖
郭雪峰課題組長期致力于單分子反應動力學機理的研究，與合作者一起揭示被系綜平均掩蓋的新機理和新現象，展示了基於單分子器件的平臺在單分子反應動力學和單分子生物物理等基礎研究方面的廣闊應用前景。在前期工作中，他們將芴酮功能中心的分子橋通過醯胺鍵連接於石墨烯點電極之間，以芴酮與羥胺的親核加成模型反應（Sci.Adv.2018，4，eaar2177）作為檢測外部溶液環境細微變化的名額；通過逆向思維，利用高時間分辯率的電學監測平臺，反過來在單分子水准上免標記精確檢測溶劑的同質性與異質性；通過對該模型反應的熱力學和動力學表徵，證明了醇-水和醇-正己烷溶液的微觀異質性以及醇-四氯化碳溶液的近理想混合（圖2）。此外，他們還開發了單分子事件譜，即時監測溶劑對單分子溶劑化的事件，並以此來研究溶液中微觀分離相的動態特性和溶劑中的分子間相互作用。這種具有單分子和單事件精度的獨特高解析度指示器的研發為深入解讀溶劑效應和優化溶液中的化學反應和生物過程提供了無限的機會。
圖2混合溶液中的單分子反應動力學和相應溶液微觀結構示意圖
免標記的超高時空分辯率的單分子電學檢測平臺可用於對複雜溶液微觀結構和相互作用的精准量測，為揭示溶液在化學反應和生命過程中的作用原理提供了一種新的思路。該工作於11月18日以“Accurate single-molecule indicator of solvent effects”為題線上發表在JACS Au雜誌上。該工作的共同第一作者是北京大學化學與分子工程學院博士生郭逸霖和楊晨，郭雪峰為通訊作者。研究得到了國家自然科學基金委、科技部和北京分子科學國家研究中心的聯合資助。