激光纳米孔加热测量分子进出纳米孔时的能量以

江苏激光联盟导读：

据悉，来自美国国家标准技术研究院（NIST）和弗吉尼亚联邦大学（VCU）的研究人员现已开发出一种基于激光纳米孔快速加热方法测量来监控分子进出纳米孔时能量的自由分布。该研究成果2021年4月21日Science Advances上。

纳米多孔系统中聚合物能量学的研究始于1970年代，当时研究的是大分子在其他纳米多孔材料中分配给沸石和凝胶的分配系数。这催生了对受限聚合物链的静态和动态特性的理论研究。这项工作的重点是应用定标律来理解孔内扩散系数和聚合物分配系数，这两者都可以使用使用大量多孔材料来测量分子的整体性质的技术进行研究。尽管这些集成方法提供了对聚合物-孔隙相互作用的重要见解，但单分子纳米孔传感技术的出现为更基础的研究聚合物-孔动力学提供了平台。

使用福克-普朗克方程?(Fokker-Plank方程)?和聚合物理论的详细分析，可以在聚合物孔隙动力学与聚合物逸出纳米孔的自由能垒之间建立联系。之前有大量报告研究了聚合物纳米孔的相互作用，提供了潜在井的详细粗粒度模型和化学特异的分析模型。限制在纳米孔中的聚合物自由能的最全面模型包括来自排除的体积效应的势能、分子间键的振动模式、外部电场和静电相互作用。进一步的扩展还包括聚合物与溶剂和电解质成分的相互作用，这提供了对中空聚合物在纳米孔中模拟电压依赖性效应的能力。

尽管大多数研究都讨论了熵是自由能垒的主要贡献者，但有证据表明，焓可以起关键作用，特别是在增强了孔内可用静电相互作用的改性系统中。分离热力学组分的一种成功方法是用弱相互作用的阳离子（如Li＋）代替弱相互作用的阳离子（如K＋）。但是，更直接的方法是测量聚合物-纳米孔动力学随温度变化的函数，以构建Arrhenius图，从中可以明确地提取焓和熵。尽管可以通过红外灯或密封的Peltier装置对纳米孔装置进行温度控制，但是这些实验的繁琐和缓慢的特性（即，温度在每分钟时间尺度上的变化）将详细的热学研究的数量限制为仅几个示例。

为了克服静态外部温度控制方法的挑战，来自弗吉尼亚联邦大学和国家标准与技术研究所 (NIST) 的研究人员使用了基于激光的加热方法，该方法可以动态控制局部温度。可以通过用红外光直接激发水中的振动模式或通过纳米等离子辅助加热以及半导体材料中电子模式的激发（间接）来实现光学加热。

该团队通过制造形成细胞膜的生物材料的人工版本来构建其生物传感器。它被称为脂质双层，它包含一个直径约2纳米（十亿分之一米）的细小孔，周围被流体包围。溶解在流体中的离子穿过纳米孔，产生小的电流。但是，当将感兴趣的分子驱动到膜中时，它会部分阻止电流流动。这种封锁的持续时间和大小可作为指纹，识别特定分子的大小和性质。为了对大量的单个分子进行准确的测量，目标分子必须在纳米孔中停留的时间既不能太长也不能太短（“ Goldilocks”时间），范围从百万分之一秒到十分之一秒。问题在于，如果纳米孔以某种方式将它们固定在适当的位置，则大多数分子仅在此时间间隔内停留在纳米孔的小体积中。这意味着纳米孔环境必须提供一定的屏障，例如增加静电力或改变纳米孔的形状，这会使分子更难以逃脱。对于每种类型的分子，突破障碍所需的最小能量各不相同，这对于生物传感器高效，准确地工作至关重要。计算该数量涉及测量与分子进入和移出孔时的分子能量有关的几个属性。至关重要的是，目标是测量分子与周围环境之间的相互作用主要是由化学键还是由分子在捕获和释放过程中摆动和自由移动的能力引起的。

▲图1. 实验装置图和相应的加热轨迹。(A) 实验装置的示意图。(B) PEG28与纳米孔相互作用的典型电流迹线，作为Au-簇的分隔物，进入和流出αHL的前庭。(C) 和 (D) 分别显示了PEG28和AT1的温度校准电流，因为聚合物与开孔相互作用。电流（和温度）由红外激光通过一个振荡周期进行调制。(E) 在24°C下显示Au-簇（实心正方形）和开孔（空心正方形）构型的PEG-αHL停留时间分布。(F) AT1-αHL的停留时间分布显示为在24°C下具有Au簇（实心正方形）和开孔（空心正方形）构型。显示的数据是在70 mV施加跨膜电势下在3 M KCl中收集的。在所有实验中，接地电压均参考孔的反面。(E) 和 (F) 中的误差线是根据计算为计数平方根的1 SD估算的。

文章来源：《分子科学学报》 网址: http://www.fzkxxbzz.cn/zonghexinwen/2021/0510/952.html