Nat. Nanotech.：清楚的观察分子之间的氢键，没做梦！

因为笔者常使用纳米级别的材料，每次做完实验不能立即知道结果是否理想，就瞎想着自己有一双电镜眼，能看清楚分子之间的作用力，直接看到化学反应的发生。如果这不是瞎想，该有多好。

去年，瑞士洛桑大学的Jacques Dubochet教授、美国哥伦比亚大学的Joachim Frank教授、英国剑桥MRC分子生物学实验室Richard Henderson教授凭借冷冻电镜拿到诺贝尔化学奖（点击阅读相关）。这主要是因为冷冻电镜能帮助研究人员观察到生物分子的结构，对于理解生物分子的功能具有重要的意义。如果有一台仪器能直接看到分子与分子之间的作用力（以氢键为例），将对了解分子组装、界面化学反应等过程有巨大的推动作用。

在这里就要说一下原子力显微镜（AFM）了，相信大家都或多或少的了解这个仪器，在此就只做个简单的介绍。AFM主要是由发光二极管、检测器、带针尖的微悬臂、监控悬臂运动的反馈调节系统、控制样品台以及探针在X、Y、Z三个方向上相对运动的压电陶瓷扫描管和计算机电子控制系统（包含图像的采集、显示和处理等）组成（下图）。在检测时，首先发光二极管打出激光束到微悬臂背面，悬臂的首端有一个微小的针尖，激光从微悬臂背面反射到检测器上产生电信号，上部和下部光电探测器发出的差动信号即为AFM信号。根据探针与样品的作用方式分为：接触式、非接触式、轻敲式。

原子力显微镜机理图。图片来源于网络

AFM可以直接分析有机化合物的键合结构，而对于使用的探针针尖常需要化学修饰，一般用单分子或者原子（如CO、氙）。该步骤的主要目的是提高扫描图像分辨率（可达纳米或亚纳米级别）；定量分析端基与端基之间、分子与分子之间以及端基与分子链之间的相互作用力；避免针尖对生物样品表面的损坏；避免针尖与表面硬度较大的样品直接接触，延长探针针尖的寿命。即便如此，能够做到清楚表征分子之间的氢键还很少见到的。以CO为例，当探针针尖修饰CO之后（碳与探针相连，氧原子朝外）（以下简称AFM-CO），^[1] 因为该分子与探针针尖作用力为非共价键，CO在受力时容易扭曲（下图a），导致得到的图像失真，表征氢键形成时很模糊，使该仪器的可靠性降低。

CO修饰的探针针尖（a）和铜氧化物修饰的探针针尖（b）。图片来源：Nat. Nanotech.

最近，利用铜氧化物（CuOx）修饰的探针针尖（以下简称AFM-CuOx）逐渐被大家所使用（上图b）。其中氧原子（在尾端）与铜原子通过共价键相连，弹性常数约为AFM-CO的10倍，稳定性高，可以用于定量的评估键长和键级，同时在表征分子之间的作用力也很可靠。在近期的Nature Nanotechnology 杂志上，德国明斯特大学Harry Mönig等人发表了的一篇论文，利用AFM-CuOx研究N-Au-N和氢键的形成。看不见摸不着的分子间作用力也能清楚直观的“看到”，真有点不可思议。

首先，作者利用AFM-CuOx先表征富勒烯C₆₀的成键情况和键长，并与AFM-CO测得数据进行对比。从下图可以看到C₆₀分子中有五元环（Pn）和六元环（Hx），并且可以计算出Pn中碳碳键长（1.61 ± 0.13 Å）和Hx中碳碳键长（1.30 ± 0.13 Å），这些数据和X射线衍射得到的数据十分吻合。相比之下，目前利用AFM-CO测得C₆₀中Pn碳碳键长为（2.7 ± 0.2 Å）、Hx碳碳键长为（2.0 ± 0.2 Å），与X射线衍射数据差别较大。

AFM-CuOx表征的C₆₀成键情况。图片来源：Nat. Nanotech.

然后作者利用AFM-CuOx研究了分子之间的作用力。1,2-二吡啶乙炔（bis(para-pyridyl)acetylene，BPPA），在Au(111)表面很容易形成四聚体，其中有四个N朝向中心位置（下图a），因为H的存在，N2和N4应该很容易形成氢键，N1和N3相对分布。密度泛函理论证明Au基底对BPPA四聚体的形成具有很大影响，因为N-Au-N作用力的存在，整个结构很稳定。从AFM-CuOx表征图中可以很清楚的看到N1和N3之间有作用力，更重要的是，在预测会出现氢键的位置可以明显地看到一条线（下图c）。与AFM-CO表征的BPPA结果对比，用AFM-CuOx得到的结果更亮、更清楚。关于N-Au-N的形成还利用扫描隧道显微镜（STM）进行了证明。没有N-Au-N形成时，聚合物紧密排列（下图b）；当形成N-Au-N时，不再排列紧密，与AFM的数据吻合（下图d）。

AFM-CuOx和STM对BPPA的表征结果。图片来源：Nat. Nanotech.

为了更进一步研究AFM-CuOx表征氢键的灵敏度，又对Ag(111)上的苝-3,4,9,10-四甲酸二酐（3,4,9,10-perylene-tetracarboxylic-dianhydride，PTCDA）进行了表征。在图中可以清楚看到PTCDA分子之间有白色的线，这也是预测会形成氢键的地方（下图a，b）。实际上确认氢键的形成还是有一定难度的，因为它受静电、共价键结构以及极性等作用的影响。利用A、B代表各分子（下图c），对于AA、BB之间的氢键作用强度与电子的转移直接相关，AA键比BB键亮，这在电荷密度差图中也可以看出来，在BB的区域电荷密度较低。另外，从AA（2.54 Å）和BB（2.35 Å）之间的距离也可以推测出来。对于AB区域，这里包含两个O和三个H，在H1和O1之间具有很弱的氢键，这和H1与O1之间的距离（2.71 Å）相对较长有关。而对于H2和H3来说，存在一个有意思的地方。O2和H3之间的距离（2.18 Å）比O2和H2之间的距离（2.11 Å）长，但是后者之间的作用力反而较弱，这与电荷密度差图显示的结果一致，这也证明了利用AFM-CuOx可以准确测出分子之间的氢键作用。另外，通过对比两者之间的差别，也可以大致确定出该AFM表征氢键的灵敏度。

AFM-CuOx和电荷密度差图表征PTCDA的结果。图片来源：Nat. Nanotech.

对于AFM-CuOx，可以精确的确定分子之间的相互作用，特别是氢键。分析不同环境中氢键的形成情况，为以后分子组装和表面化学反应的研究提供了良好的工具。随着各种技术的发展，非常期待未来能研究出能直接看到化学反应如何发生的仪器。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Quantitative assessment of intermolecular interactions by atomic force microscopy imaging using copper oxide tips

Harry Mönig , Saeed Amirjalayer , Alexander Timmer, Zhixin Hu, Lacheng Liu, Oscar Díaz Arado, Marvin Cnudde, Cristian Alejandro Strassert, Wei Ji, Michael Rohlfing, Harald Fuchs

Nat. Nanotech., 2018, DOI: 10.1038/s41565-018-0104-4

参考资料：

1. http://science.sciencemag.org/content/325/5944/1110

（本文由苯宝宝看电化学供稿）