用于氨基酸检测和手性识别的单分子电子方法

分析化学旨在有效地区分两个氨基酸。在《科学进展》的新报告中Liu Zihao和及化学，物理和材料科学研究团队使用基于分子纳米电路的单分子电方法形成稳定的石墨烯-分子-石墨烯单分子结。该团队通过共价键合分子机器来开发这些分子连接。然后他们使用pH值来改变氨基酸的类型和电荷，以发现相对于理论计算而言，源于多种宿主客体相互作用的独特的多峰电流波动。电导数据为每种氨基酸产生了特征性的流平时间和穿梭率，从而可以进行准确，实时的原位测量。

蛋白质的基本组成部分

氨基酸构成了蛋白质，具有特殊生理功能的分子以及在生命科学中应用的药物中的关键结构元素的构建基块。研究人员可以识别氨基酸的对映异构体，以提供有关手性识别和生物系统中生理功能的重要信息。检测氨基酸的结构，对映体纯度和动态行为可以促进蛋白质测序和药物研究新技术的产生。在蛋白质组学，药物和纳米生物技术中，具有不同结构和手性的氨基酸的检测和鉴定至关重要。然而，现有的分子机器只能通过比较整体的热力学参数来发挥作用，这是不够的。因此重要的是发展一种通用的分子技术，以革新现有的方法和高精度识别目标分子。在这项工作中，刘等人。展示了一种单分子技术，该技术通过基于称为石墨烯-分子-石墨烯的单分子连接体(简称为GMG-SMJs)的共价单分子技术，通过精确动态测量宿主与客体之间的相互作用，直接鉴定出不同的蛋白原氨基酸及其对映异构体将行为分子作为导电通道的单个分子系统整合到电子纳米电路中。

新方法提供了一个强大的平台，可以形成单分子电子器件来创建分子光电器件。为了开发构建体，Liu等人。共价夹在一对氨基纳米石墨烯跳空点接触之间的分子机酸检测和手性识别。结果将为开发用于实际应用的精确单分子蛋白质测序的纳米技术开辟新的途径。

设备开发，电气特性和实时测量

该研究小组使用化学气相沉积法在铜箔上合成了单层石墨烯，然后将其转移到二氧化硅/硅晶片上，并使用光刻技术对金属电极进行了构图。为了开发纳米间隙的石墨烯点接触电极，他们使用了虚线光刻方法。然后，他们通过酰胺键将单分子机器与石墨烯电极共价连接，从而构建了GMG-SMJ(石墨烯-分子-石墨烯单分子连接)。该团队在各个阶段测量了设备的电流-电压曲线，以识别GMG-SMJ的形成。通过结的电荷传输是由单分子连接引起的。然后，他们进行了时变电学表征，以实时监测全甲基化β-环糊精(PM-β-CD)单分子连接(SMJ)的电导。他们首先在水中然后在不同氨基酸的不同溶液中测量了构建体。代表性的当前时间轨迹揭示了溶液中不同氨基酸的多峰分布，例如L-丝氨酸和L-丙氨酸。每个氨基酸的多个不同状态仅源自功能性PM-β-CD中心与周围氨基酸之间的缔合/解离过程。

为了更好地理解基于L-丙氨酸的PM-β-CD单分子连接中宿主与客体相互作用之间的相关性，Liu等人。计算了带有不同电荷的L-丙氨酸客体的PM-β-CD宿主的透射光谱。为此，他们使用了基于Atomistix Toolkit软件包所隐含的基于密度泛函理论的非平衡格林函数技术。他们注意到扰动的最高占据分子轨道(p-HOMO)对电导的贡献在低偏压下占主导地位，如透射光谱所反映。在电极的费米能级附近，该构型的透射光谱显着不同，以提供不同的电导级。然后，研究人员分析了氨基酸识别过程中每个水平之间的过渡。他们以L-丙氨酸为例，观察了从解离形成阳离子，两性离子的可逆转变和阴离子形式。解离水平主导了设备的电导，研究小组使用四态模型收集了信息，该模型描述了转变过程，以了解与PM-β-CD相互作用时检测不同氨基酸结构的能力。氨基酸具有至少两个关于羧基和另一个氨基的缔合过程。记录的状态数越多，结果的识别就越准确。

对映体识别和展望

由于对映异构体之间的相似性，与物种鉴定相比，区分结构更具挑战性。相关的能量差很小，接近于计算误差。为了克服这些复杂性，研究小组为每种氨基酸建立了一个独特的“指纹数据库”，以比较不同对映异构体的电导和动力学数据。然后，团队获得了当前的变化和弛豫时间数据，并将其与指纹数据库进行了比较。由于这种通用性，该方法还可以识别手性功能性药物分子，从而建立一种在单分子水平上进行生物分子检测的广泛方法。

这样，刘子浩及其同事提出了一种实用的实时单分子方法在微秒内对具有不同结构和手性的氨基酸进行电识别。可以在阴离子，两性离子和阳离子穿梭水平观察到多种氨基酸的宿主-客体动态过程。研究小组使用全甲基化的β-环糊精(PM-β-CD)复​​合物，根据电流波动范围和热力学/动力学参数识别了不同电荷的氨基酸状态。该技术可以彻底改变现有方法，以对通用的单分子基因/蛋白质测序进行精确测序。该方法还可以提供一种通用工具，以识别环境或生物系统中的许多重要分子，以了解分子水平上的生命基础。

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