Interactions between Bases and Metals on Au(111) under Ultrahigh Vacuum Conditions

WANG Xinyi, XIE Lei, DING Yuanqi, YAO Xinyi, ZHANG Chi, KONG Huihui, WANG Likun, XU Wei

Interdisciplinary Materials Research Center, Tongji-Aarhus Joint Research Center for Nanostructures and Functional Nanomaterials,College of Materials Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, P. R. China.

Abstract: Nucleobases (guanine (G), adenine (A), thymine(T), cytosine (C), and uracil (U)) are important constituents of nucleic acids, which carry genetic information in all living organisms, and play vital roles in structure formation,functionalization, and biological catalytic processes. The principle of complementary base pairing is significant in the high-fidelity replication of DNA and RNA. In addition to their specific recognition, the interaction between bases and other reactants, such as metals, salts, and certain small molecules,may cause distinct effects. Specifically, the interactions between bases and certain metal atoms or ions could damage nucleic acids, inducing gene mutation and even carcinogenesis. In the meantime, nanoscale devices based on metal-DNA interactions have become the focus of research in nanotechnology. Therefore, extensive researches on the interactions between metals and bases and the corresponding mechanism are of great importance and may make improvements in the fields of both biochemistry and nanotechnology. Scanning tunneling microscopy (STM) is a powerful tool for effectively resolving nanostructures in real space and on the atomic scale under ultrahigh vacuum (UHV)conditions. Moreover, density functional theory (DFT) calculations could help elucidate the reaction pathways and their mechanisms. In this review, we summarize the distinct interactions between bases (including their derivatives) and various metal species (comprising alkali, alkaline earth, and transition metals) derived from metal sources and the corresponding salts on the Au(111) substrate reported recently based on the results obtained by a combination of above two methods. In general, bases afford N and/or O binding sites to interact with metal atoms, resulting in various motifs via coordination or electrostatic interactions, and form intermolecular hydrogen bonds to stabilize the whole system. On the basis of high-resolution STM images and DFT calculations, structural models and the possible reaction pathways are proposed, and their underlying mechanisms, which reveal the nature of the interactions, are thus obtained. Among them,we summarize the construction of G-quartet structures with different kinds of central metals like Na, K, and Ca, which are directly introduced by salts, and their relative stabilities are compared. In addition, salts can provide not only metal cations but also halogen anions in modulating the structure formation with bases. The halogen species enable the regulation of metal-organic motifs and induce phase transition by locating at specific hydrogen-rich sites. Moreover, reversible structural transformations of metal-organic nanostructures are realized owing to the intrinsic dynamic characteristic of coordination bonds, together with the coordination priority and diversity. Furthermore, the controllable scission and seamless stitching of metal-organic clusters, which contain two types of hierarchical interactions, have been successfully achieved through STM manipulations. Finally, this review offers a thorough comprehension on the interaction between bases and metals on Au(111) and provide fundamental insights into controllable fabrication of nanostructures of DNA bases. We also admit the limitation involved in detecting biological processes by on-surface model system, and speculate on future studies that would use more complicated biomolecules together with other technologies.

Key Words: Bases; Metal; Electrostatic interaction; Coordination interaction; Scanning tunneling microscopy;Density functional theory calculation

1 引言

由含不同堿基(包括鳥嘌呤Guanine (G)、腺嘌呤 Adenine (A)、胞嘧啶Cytosine (C)、胸腺嘧啶Thymine (T)和尿嘧啶Uracil (U))的核苷酸通過堿基之間特異性氫鍵識別構(gòu)成的核酸是生命體中最重要的生物大分子之一，它是生物體遺傳信息的載體，在生物體的結(jié)構(gòu)、功能及生物催化方面都具有重要的作用。部分金屬、金屬鹽類以及特定的小分子等在對于DNA的構(gòu)象維持、功能發(fā)揮與調(diào)控等方面起著重要的作用1–7；某些重金屬則可能導致DNA損傷甚至癌變8,9。另外，堿基的自身互變異構(gòu)也會形成一系列互變異構(gòu)體，使得堿基配對間氫鍵改變，容易導致堿基錯配，造成子代序列與親代不同的錯誤性損傷，引起基因

許維教授，出生于1981年。2008年在丹麥奧胡斯大學物理系獲得理學博士學位，隨后在美國賓夕法尼亞州立大學物理系從事博士后研究。2009年被聘為同濟大學特聘教授加盟材料科學與工程學院，同時擔任丹麥奧胡斯大學交叉學科納米中心客座教授。主要從事利用超高真空掃描隧道顯微鏡(UHV-STM)高分辨成像及單分子操縱技術(shù)并結(jié)合密度泛函理論(DFT)計算研究固體表面物理化學相關(guān)課題。突變10–12。

因此，研究堿基與金屬的作用十分必要。目前為止，研究金屬及其鹽類與堿基的相互作用的手段有很多，比如利用譜學分析金屬對于堿基互變異構(gòu)以及堿基互補配對的影響13、利用理論計算方法預(yù)測金屬與堿基優(yōu)先結(jié)合位點14–17、利用大氣掃描隧道顯微鏡觀測金屬對于堿基及其衍生物組裝結(jié)構(gòu)的影響等18。隨著超高真空掃描隧道顯微鏡 Ultrahigh vacuum scanning tunneling microscopy (UHV-STM)的發(fā)明，關(guān)于堿基的研究又掀起了新的熱潮。利用 UHV-STM 人們能夠?qū)A基分子進行實空間觀測，為從單分子尺度研究堿基分子及其組裝方式提供了便利條件；同時，利用該技術(shù)研究堿基與金屬的相互作用也成為當前的一個熱點，這些研究有利于加深人們對于堿基與金屬相互作用的認識，為理解生命體中核酸堿基的行為提供了實驗和理論基礎(chǔ)。

上述利用 UHV-STM 在二維表面上研究分子及納米結(jié)構(gòu)的物理化學過程是一種有效方法。相比溶液或者其他方法，它具有如下優(yōu)勢：1) 在超高真空條件下可以防止溶劑和其他污染物的影響；2) 前驅(qū)體分子與表面之間的相互作用(限域作用、催化作用等)將有利于形成一些特定的分子構(gòu)型，產(chǎn)生常規(guī)溶液化學難以得到的化學反應(yīng)和納米結(jié)構(gòu)；3) 在表面上能夠合成分子量較大的納米結(jié)構(gòu)，由于溶解度限制，這是在溶液中無法實現(xiàn)的；4) 可以輔助使用對表面敏感的技術(shù)，例如超高真空原子力顯微鏡，X射線光電子能譜等對其進行原位表征，得到高分辨率的結(jié)構(gòu)和精準的化學信息。

早在20世紀90年代，很多學者就已經(jīng)對單一的嘌呤和嘧啶在不同表面上的形貌和組裝方式進行了相關(guān)的探索。Kawai等人19–24通過熱蒸發(fā)的方法將DNA堿基沉積在較活性的表面，并利用STM研究堿基在表面上的吸附行為。然而，由于當時掃描圖像清晰度的限制，人們很難清楚地觀測到其自組裝結(jié)構(gòu)。進入21世紀以后，Besenbacher教授課題組利用UHV-STM結(jié)合密度泛函理論(Density functional theory，DFT)計算進一步研究了DNA堿基在Au(111)表面的自組裝。相比于之前Kawai等人的研究結(jié)果，Besenbacher課題組的研究不僅得到了不同堿基在固體表面形成的自組裝結(jié)構(gòu)的高分辨率圖像25,26，還實現(xiàn)了不同 DNA堿基在 Au(111)表面的識別配對27。為了進一步模擬生物體系中的DNA互補配對行為，研究者還在G的N9位和C的N1位置連接苯基基團，屏蔽生物系統(tǒng)中不存在的氫鍵位點，研究這兩種堿基衍生物的配對行為。令人興奮的是，與純堿基相比，這兩種堿基衍生物全部通過Watson-Crick氫鍵實現(xiàn)了堿基互補識別，并形成了規(guī)則的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)28。

在研究堿基在固體表面的作用時，許多研究人員采用Au(111)表面，這是因為分子與Au(111)基底的相互作用比較弱，能夠減小表面對分子自組裝的影響從而使分子間相互作用占據(jù)主導地位。同時堿基沉積在Au(111)表面時一般采取平面構(gòu)型，有利于STM二維成像。除了堿基，一些學者還利用 Au(111)表面的這一特性研究了其他分子在其上的自組裝。Shao等人29于 2017年利用STM 對比研究了三聚氰胺與蜜勒胺在 Au(111)表面上的自組裝結(jié)構(gòu)，并對兩種分子可能形成的氫鍵類型進行了識別。但是，對于一些特殊的分子，Au(111)基底反而能對分子自組裝產(chǎn)生決定性影響。如Chi等人30利用原位電化學掃描隧道顯微鏡研究了 Au(111)表面上電勢誘導的 N-異丁酰基-L-半胱氨酸(L-NIBC)分子自組裝結(jié)構(gòu)的相轉(zhuǎn)變，發(fā)現(xiàn)當改變金的電極電勢時，α相β相的NIBC自組裝單層膜出現(xiàn)了多種不同的結(jié)構(gòu)變化，綜合密度泛函理論計算，他們認為電極電勢的變化引起了Au―COO鍵的斷裂，從而使分子吸附構(gòu)型改變而導致相變。

利用UHV-STM研究不同堿基在表面自組裝行為的工作已經(jīng)日趨完善，同時堿基與金屬的相互作用也取得了一些系統(tǒng)性的成果。近年來，Xu等人通過嘗試在堿基以及衍生物的體系中引入水31,32、碘33等小分子配體，得到了一系列有趣的結(jié)果；通過引入能發(fā)生烏爾曼反應(yīng)的官能團，利用表面反應(yīng)構(gòu)建了一種腺嘌呤寡聚物34。本論文著眼于2010年至今所報道的具有代表性的堿基及其衍生物與堿金屬、堿土金屬和過渡金屬在Au(111)表面上的相互作用進行綜述，利用STM在單分子尺度下揭示了金屬對堿基在固體表面的自組裝結(jié)構(gòu)的影響，金屬與堿基作用后形成的結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性，以及金屬與堿基相互作用的機制機理等。

2 堿基及其衍生物與堿金屬和堿土金屬在Au(111)表面上的相互作用

2.1 鳥嘌呤與鉀原子的相互作用

生物體中G-四分體通過與陽離子的相互作用堆疊成 G-四聯(lián)體結(jié)構(gòu)是細胞生命的一個重要過程。核磁共振波譜學研究表明在溶液中許多陽離子在形成、穩(wěn)定和調(diào)節(jié)G-四聯(lián)體結(jié)構(gòu)的多態(tài)性方面都起著重要的作用1,35–38。堿金屬，尤其是鈉和鉀，在許多細胞環(huán)境中都起到了至關(guān)重要的作用。例如在生物系統(tǒng)中，富含G的人類端粒DNA序列可以與Na+或K+通過靜電作用形成穩(wěn)定的G-四聯(lián)體，由于端粒與細胞凋亡密切相關(guān)，G-四鏈體的相關(guān)研究為抗癌藥物的設(shè)計提供了新思路，在不同學科領(lǐng)域都引起了人們的強烈興趣7,39,40。G-四分體結(jié)構(gòu)隨后被引入了表面化學領(lǐng)域。通過大氣掃描隧道顯微鏡反映出的實空間形貌圖可以證明G-四分體結(jié)構(gòu)可以被鹽中的Na+和K+誘導，并吸附在固液界面上18,41。2010年，Xu等人42通過選擇 G-K模型體系，在 Au(111)表面上展示了堿基G與堿金屬K的靜電作用。UHV-STM和DFT理論計算證明，Au(111)表面上移動的G分子可以有效地與鉀原子相互作用，形成金屬超分子多孔網(wǎng)絡(luò)，它們之間通過氫鍵和金屬有機靜電吸引作用達到平衡，如圖1所示。為了研究生物體G-四分體結(jié)構(gòu)的形成和解離與金屬的關(guān)系，他們于2013年在固體表面進一步研究了堿金屬對于 G-四分體的影響，在原子尺度上實空間揭示了Au(111)上G4K1結(jié)構(gòu)，如圖2，并定性地證明了這種結(jié)構(gòu)是通過氫鍵和金屬有機靜電作用的協(xié)同效應(yīng)達到穩(wěn)定的，這與生物體中G-四分體與陽離子K+的相互作用密切相關(guān)。此外也得出結(jié)論，鉀離子的存在不僅增強了G-四分體內(nèi)部四個分子之間的相互作用，同時由于協(xié)同效應(yīng)，也增強了G-四分體之間的相互作用，從而大大提高了這種自組裝結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性43。

圖1 G-K多孔結(jié)構(gòu)的STM圖和DFT模型42Fig. 1 STM images and DFT models of the G-K porous network 42.(a) High-resolution STM image of the ordered G-K network. (b) DFT model of the G-K network with K atoms indicated as green spots.Adapted from American Chemical Society publisher.

圖2 Au(111)表面上G4K1結(jié)構(gòu)的STM圖和DFT模型43Fig. 2 STM image and DFT model of the G-quartet network on Au(111) 43.

2.2 鳥嘌呤衍生物與堿金屬及堿土金屬鹽類作用形成多種G-四分體結(jié)構(gòu)

在以上的研究中，金屬原子都是被直接沉積在表面以促進G-四分體的形成和穩(wěn)定。為了模仿溶液化學，Zhang等人44于2015年嘗試在超高真空環(huán)境下在固體表面沉積金屬鹽類來研究在不溶的環(huán)境下G-四分體形成的可行性與普遍性。他們選擇鳥嘌呤的衍生物9-乙基鳥嘌呤(9eG)作為堿基類的研究對象，這是因為1) 通過在G的N9位置用乙基修飾，可以阻礙可能的從G/9H到G/7H的互變異構(gòu)過程45；2) 將9eG分子沉積到Au(111)表面上形成的是鋸齒形鏈狀結(jié)構(gòu)，而不是無金屬中心的空G-四分體結(jié)構(gòu)46，可以更加直觀地體現(xiàn)出金屬的作用。至于鹽類，他們選擇了典型的堿金屬和堿土金屬鹽 NaCl，KBr和 CaCl2，來研究可能形成的G4M1(M分別指代Na、K和Ca)復合物，如圖 3所示。實驗中，他們首先在超高真空環(huán)境下將 9eG分子沉積到已覆蓋有 NaCl的Au(111)表面上，之后退火至～350 K，形成了有序、密排的由G4Na1構(gòu)成的納米結(jié)構(gòu)，如圖4a，b。為了進一步研究利用堿金屬鹽形成 G4M1結(jié)構(gòu)的普適性，并且與NaCl情況作對比，他們隨后用KBr替換NaCl進行同樣的實驗，就如預(yù)期的那樣，也形成了類似的有序、密排的由G4K1構(gòu)成的納米結(jié)構(gòu)，如圖4d，e。為了進而將整個體系的普遍性延伸到其他的主族元素，他們選擇了一種典型的二價堿土金屬的鹽：CaCl2。沉積9eG分子到CaCl2覆蓋的表面，之后退火到相同溫度，形成了有序的、格狀的由G4Ca1構(gòu)成的納米結(jié)構(gòu)，如圖4g，h。至此，Zhang等人在實空間展示了Au(111)上的三種不同的G4M1結(jié)構(gòu)。隨后他們利用差分電荷密度圖(圖4c，f，i)和投影態(tài)密度分析，定性地證實了G4M1結(jié)構(gòu)中金屬中心與9eG分子中的O原子之間的相互作用應(yīng)該歸結(jié)為靜電離子作用。最后他們還得出，G4M1穩(wěn)定性的大小順序如下：G4Ca1＞G4Na1＞ G4K1。這些發(fā)現(xiàn)都為在固體表面上構(gòu)造G-四分體相關(guān)的復合物提供了一種新穎的方法。直接沉積鹽類作為一種提供金屬的有效途徑，可以將其延伸到其他系統(tǒng)來研究分子與金屬之間的相互作用。

2.3 NaCl輔助的鳥嘌呤互變異構(gòu)體的識別區(qū)分及轉(zhuǎn)變

圖3 Au(111)表面上形成G的帶狀結(jié)構(gòu)和G4M1復合物的示意圖，M代表Na、K和Ca 44Fig. 3 Schematic illustration of the formation of a G ribbon structure and a G-quartet-M complex on Au (111), where M represents Na, K or Ca 44.

圖4 在Au(111)表面上形成的G4Na1, G4K1, G4Ca1復合物的STM圖和差分電荷密度圖44Fig. 4 STM images and Charge-density-difference maps showing the formation of a G-quartet-Na, G-quartet-K and G-quartet-Ca complexes on Au(111) 44.

鳥嘌呤分子，是生物體中最重要的嘌呤之一，有許多不同的互變異構(gòu)體，其中最穩(wěn)定的兩種是經(jīng)典的G/9H和非經(jīng)典的G/7H45,47,48形式。根據(jù)前人18,49–52的研究和本文2.2節(jié)可以知道：在表面生長的NaCl島可以作為反應(yīng)物提供Na+，有效地與9eG作用形成G4Na1結(jié)構(gòu)；另外，G-四分體結(jié)構(gòu)只能由鳥嘌呤的經(jīng)典形式 G/9H形成。結(jié)合這些，Zhang等人53嘗試探索了在NaCl的協(xié)助下，利用G4Na1結(jié)構(gòu)的形成，進而在Au(111)表面上大片鳥嘌呤混雜結(jié)構(gòu)(主要由G/9H和G/7H構(gòu)成)中實現(xiàn)兩種互變異構(gòu)體的識別、區(qū)分以及相互轉(zhuǎn)變。室溫下在Au(111)上沉積鳥嘌呤分子，得到一種無規(guī)則的相(圖 5a)，繼續(xù)沉積足夠的 NaCl，其中NaCl : G沉積量比例高于1 : 4，有意思的是，出現(xiàn)了小塊的G4Na1結(jié)構(gòu)(白色橢圓圈出部分)，如圖5b。最后，將樣品加熱至～350 K，形成了 G4Na1主導的島狀結(jié)構(gòu)，同時有一些小塊的G/7H密排結(jié)構(gòu)，見圖 5c。G4Na1結(jié)構(gòu)的形成歸因于四分體內(nèi)的氫鍵以及靜電離子作用的協(xié)同效應(yīng)44，注意到，在這個過程中，退火的溫度(～350 K)遠低于G/9H到G/7H互變異構(gòu)的溫度(～420 K)45，因此在這個過程中所看到的 G/7H相是源于原始無規(guī)則相中存在的那部分G/7H分子。所以，利用NaCl，通過分別形成G4Na1結(jié)構(gòu)和密排的G/7H結(jié)構(gòu)，可以成功地在一個無規(guī)則的相中實現(xiàn)兩種互變異構(gòu)體(G/9H和G/7H)的識別與區(qū)分。此外，將鳥嘌呤分子沉積到表面上，然后在420 K退火處理，能將G/9H轉(zhuǎn)變成 G/7H，從而形成純粹的互變異構(gòu)體G/7H相45。之后，在室溫下引入足量的 NaCl(NaCl : G比例遠高于1 : 4)到G/7H覆蓋的樣品上(見圖5d)，并退火到440 K，形成了G4Na1結(jié)構(gòu)，并與剩余的G/7H結(jié)構(gòu)共存(見圖5e)。更高的退火溫度(460 K)導致從G/7H到 G4Na1結(jié)構(gòu)的完全轉(zhuǎn)變(見圖5f)。上述過程實現(xiàn)了兩種不同互變異構(gòu)體的純粹相的分別制備。這些有意思的結(jié)果證實了利用 NaCl作為輔助手段在鳥嘌呤混雜結(jié)構(gòu)內(nèi)部實現(xiàn)識別、區(qū)分、甚至其不同互變異構(gòu)體轉(zhuǎn)變的可行性，這在更廣泛領(lǐng)域內(nèi)(從有機化學到表面化學)為人們認識互變異構(gòu)相關(guān)內(nèi)容提供了非常重要的原子尺度信息。

After due consideration she informed the Prince that the object of his search was not far distant, but that it was too difficult for him to attempt to enter the enchanted42 palace where she was, as the King his father had surrounded it with a thick cloud, and that the only expedient43 she could think of would be to gain possession of the Princess s parrot

圖5 Au(111)上無規(guī)則G分子和密排G/7H納米結(jié)構(gòu)在NaCl的輔助下分別向G4Na1網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變過程的STM圖(NaCl : G沉積量比例 ＞ 1 : 4) 53Fig. 5 STM images showing the conversion from irregular G molecules and close-packed G/7H nanostructure to G-quartet-Na network structure on Au(111) respectively with the aid of NaCl (the NaCl/guanine deposition ratio is higher than 1 : 4) 53.Adapted from American Chemical Society publisher.

2.4 NaCl同時提供陰陽離子與胞嘧啶衍生物形成多樣性結(jié)構(gòu)

在上述研究中，NaCl只提供了金屬離子參與到結(jié)構(gòu)的形成中，而陰離子幾乎沒有作用。在前人的研究中，金屬鹽類也只提供金屬離子參與反應(yīng)，而鹵素陰離子或者形成分子從表面脫附49或者鉆入體相中44,50–52。最近，Xie等人54通過在Au(111)表面上引入 1-甲基胞嘧啶(1mC)和 NaCl來研究堿基在表面上同時與陽離子和陰離子作用構(gòu)造超分子納米結(jié)構(gòu)的可行性。研究表明，胞嘧啶的 N和 O位點與鈉離子通過靜電作用形成1mC4Na2金屬有機團簇，團簇的外圍是胞嘧啶的氫原子，而氫富集的位置與電負性強的氯離子產(chǎn)生靜電相互作用，由此便可以使團簇以多種方式相連，形成豐富的納米結(jié)構(gòu)，其中一種連接方式如圖6所示。在這項研究中，NaCl提供的堿金屬和鹵素離子與 1mC分子的不同位點發(fā)生相互作用，共同形成金屬有機結(jié)構(gòu)。該方法為陰陽離子共同作用形成結(jié)構(gòu)提供了新思路。

3 堿基及其衍生物與過渡金屬在Au(111)表面上的相互作用

3.1 堿基與鎳原子的相互作用

3.1.1 鎳與胞嘧啶形成零維團簇

圖6 NaCl同時提供陰陽離子調(diào)節(jié)金屬有機結(jié)構(gòu)形成的示意圖54Fig. 6 Schematic illustration of the structural formation of organic motifs mediated by both Na and Cl ions provided by NaCl 54.

超分子結(jié)構(gòu)可以通過外部誘導而轉(zhuǎn)變，例如熱誘導55、覆蓋率的變化56、STM操縱57以及引入其他原子58等。近幾年，研究人員實現(xiàn)了在二維納米結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上改變結(jié)構(gòu)單元、鍵的種類或結(jié)構(gòu)手性55,58–60，或者將表面結(jié)構(gòu)由低維向高維轉(zhuǎn)變61。2014年Kong等人62通過引入鎳原子研究了原位控制納米結(jié)構(gòu)從高維向低維轉(zhuǎn)變，并且揭示了該過程的潛在機理。室溫下在 Au(111)表面直接沉積胞嘧啶分子，會形成以氫鍵相連的Z字型鏈25，如圖7b。然而令人驚訝的是，當引入鎳原子時，這種一維鏈轉(zhuǎn)變成了零維團簇，如圖 7c。三個胞嘧啶分子與三個鎳原子配位，離散地分布在表面上，構(gòu)成穩(wěn)定的系統(tǒng)。DFT計算表明這種從一維到零維的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變來源于氫鍵和配位鍵的競爭作用。因為胞嘧啶分子上成鍵位點分布不均勻，其與鎳原子形成的配位鍵完全占據(jù)了分子本身的電子供給位點，從而阻止了團簇之間潛在的氫鍵和配位鍵的形成。此外，團簇間的排斥力最終導致了團簇的離散分布。

3.1.2 鎳優(yōu)先配位抑制鳥嘌呤互變異構(gòu)的發(fā)生

此外，Kong等人45于2014年還證明了熱誘導和 Ni原子的引入會對堿基的互變異構(gòu)產(chǎn)生影響。他們將G/9H分子沉積在Au(111)表面并加熱到420 K之后，利用STM在Au(111)表面觀測到了新的高度有序的納米結(jié)構(gòu)。分析發(fā)現(xiàn)所有G/9H結(jié)構(gòu)模型都不能合理解釋實驗中觀測到的結(jié)構(gòu)。為了準確理解該結(jié)構(gòu)的形成機制，他們對比了退火前后的STM圖像，發(fā)現(xiàn)兩種自組裝結(jié)構(gòu)中單分子的形貌發(fā)生了微小的變化，通過文獻可知熱處理能夠誘導堿基發(fā)生互變異構(gòu)63，并且互變異構(gòu)會導致分子的構(gòu)型發(fā)生變化64–66，從而推斷加熱到420 K之后，G/9H分子可能已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)樗牧硪环N穩(wěn)定的互變異構(gòu)體G/7H。為了證實該猜想，他們重新構(gòu)建了G/7H的結(jié)構(gòu)模型，該結(jié)構(gòu)模型的結(jié)合能比熱處理之前G-四分體結(jié)構(gòu)結(jié)合能高，且該模型以及基于其的STM模擬圖像的單分子形貌和分子尺寸都與實驗STM圖像高度吻合，從而充分證明此時 G/9H分子已經(jīng)轉(zhuǎn)變成了其另外一種具有高熱穩(wěn)定性的互變異構(gòu)體G/7H。為了進一步證實以上結(jié)論，他們選擇了 G/7H的類似物，7-甲基鳥嘌呤(7mG)分子進行了對比實驗。將 7mG分子沉積在Au(111)表面之后，他們發(fā)現(xiàn)形成的分子鏈中分子間的結(jié)合方式與之前沉積 G/9H并加熱發(fā)生相變后形成的島狀結(jié)構(gòu)內(nèi)分子鏈中分子間的結(jié)合方式一致。該實驗結(jié)果證實了G/9H沉積在表面并加熱后形成的納米結(jié)構(gòu)是由 G/7H分子形成的，即熱處理促進了Au(111)表面上的G/9H分子發(fā)生互變異構(gòu)并轉(zhuǎn)變?yōu)镚/7H。

為了研究Ni對G分子互變異構(gòu)的影響，他們先后將G分子和Ni原子沉積在Au(111)表面并將樣品加熱到 420 K，觀察到一種金屬有機網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該金屬有機網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成的分子島具有手性選擇性，每個分子島具有特定的手性，其手性如圖8a所示，L代表島內(nèi)分子左旋，R代表島內(nèi)分子右旋。根據(jù)圖 8b，c結(jié)構(gòu)模型分析，該金屬有機網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中所有的分子都以G分子的經(jīng)典形式G/9H出現(xiàn)，而且每兩個同手性的G/9H分子通過N7位與Ni原子進行配位。值得一提的是，N7位恰恰是當G分子發(fā)生互變異構(gòu)時氫原子轉(zhuǎn)向的位置。因此，當G/9H分子的N7位與Ni原子發(fā)生配位時，N7位被屏蔽，從而抑制了G的互變異構(gòu)。理論計算表明對于 Ni原子而言，N7位是最穩(wěn)定的配位位點。且兩個同手性的G/9H分子比兩個異手性的與Ni原子作用更穩(wěn)定。兩個同手性的G/9H分子與Ni原子配位形成的結(jié)構(gòu)單元恰恰是圖8b，c金屬有機網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)筑單元。因此，Ni原子優(yōu)先與G/9H分子中的N7位配位抑制了G/9H分子向G/7H分子的轉(zhuǎn)變，并促進了金屬有機網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成。這些研究結(jié)果有助于研究金屬對核酸堿基的互變異構(gòu)的影響，并為金屬基抗癌藥物的設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。

圖7 鎳原子誘導胞嘧啶由一維鏈轉(zhuǎn)變?yōu)榱憔S團簇的STM圖62Fig. 7 STM images showing the conversion of cytosine from one-dimensional chains to zero-dimensional clusters induced by Ni atoms 62.

圖8 G/9H分子與Ni原子共沉積在Au(111)表面并加熱至420 K后表面形成的金屬有機網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的STM圖像，DFT優(yōu)化結(jié)構(gòu)模型以及STM模擬圖像45Fig. 8 STM images, DFT-based optimized structural models, and simulated STM image of G/9H and Ni-coordinated metallosupramolecular network on Au(111) 45.

3.1.3 STM操縱識別鎳與尿嘧啶構(gòu)成結(jié)構(gòu)的分級作用

2015年，Kong等人67通過STM的針尖操縱技術(shù)控制了氫鍵的斷裂和重建從而展示了復雜結(jié)構(gòu)的可逆性轉(zhuǎn)變。在研究中，他們通過選擇尿嘧啶作為反應(yīng)物與金屬鎳原子發(fā)生作用，設(shè)計了一種包括兩種分級相互作用的系統(tǒng)。通過STM圖像和DFT計算可以發(fā)現(xiàn)，在Au(111)表面上共沉積U分子和Ni原子，形成孤立的以三個Ni原子和三個U分子以配位鍵相連的三角形金屬有機配位團簇，如圖9a，b，這些三角形團簇作為結(jié)構(gòu)單元彼此通過氫鍵連接形成自組裝的平行四邊形團簇甚至更復雜的結(jié)構(gòu)，如圖9c，d。有趣的是，接著通過橫向STM操縱可以實現(xiàn)高級別的結(jié)構(gòu)向基本結(jié)構(gòu)單元的可控分裂，氫鍵被破壞的同時三角形團簇中的配位鍵保持完整；由于氫鍵具有方向性，STM操縱還可以使基本結(jié)構(gòu)單元通過氫鍵的重構(gòu)實現(xiàn)由低維向高維的無縫連接，如圖 9f–i。另外根據(jù)DFT計算可以證明這種金屬有機結(jié)構(gòu)的可逆性轉(zhuǎn)變可以調(diào)節(jié)金屬中心的電子特性。

3.1.4 鎳與胸腺嘧啶配位實現(xiàn)組分動態(tài)轉(zhuǎn)變

3.1.5 碘誘導鎳與鳥嘌呤衍生物配位結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變

圖9 Au(111)表面上共沉積U分子和Ni原子后的STM圖像、DFT優(yōu)化結(jié)構(gòu)模型和STM模擬圖像以及STM操縱平行四邊形和兩個三角形團簇之間的可逆轉(zhuǎn)變過程67Fig. 9 STM images, DFT-based optimized structural models, and simulated STM image of the co-deposition of uracil and Ni atoms on Au(111); STM manipulations demonstrating the whole reversible switching process between a parallelogrammic cluster and two triangular clusters 67.

對于表面化學而言，鹵素通常作為表面脫鹵反應(yīng)的副產(chǎn)物69–74或者自組裝結(jié)構(gòu)的客體75，而其在構(gòu)建表面納米結(jié)構(gòu)中的有利作用卻鮮有發(fā)現(xiàn)。2016年，Rastgoo-Lahrood等人76在超高真空環(huán)境下直接將碘引入金屬表面并成功地將配位網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)從表面抬起。2017年，Zhu等人77在Ag(111)表面上，通過將Br取代基引入含端基炔的前驅(qū)體分子中，成功實現(xiàn)了一步合成順式烯二炔，其產(chǎn)率高達90%。這種高度選擇性的合成依賴于Br原子與順式烯二炔之間的氫鍵作用，促進順式烯二炔緊密堆積形成島狀結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生空間位阻阻礙其進一步反應(yīng)。同年Xie等人33將鹵素原子引入金屬有機配位系統(tǒng)中并研究了鹵素對表面納米結(jié)構(gòu)的潛在影響。他們選擇了9eG分子和過渡金屬原子Ni作為模型體系，將兩者以不同的化學計量比共沉積在Au(111)表面上，分別形成了兩種典型的納米結(jié)構(gòu)G3Ni1和G2Ni2。對這兩種結(jié)構(gòu)分別加入更多的Ni或9eG還可以導致兩者之間的相互轉(zhuǎn)變。令人驚訝的是，隨后他們在這兩種結(jié)構(gòu)的任意一種中引入碘并退火，均發(fā)生結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，形成由G3Ni3I3結(jié)構(gòu)單元組成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，其中碘分子在表面解離成原子并通過靜電相互作用均一分布在被9eG分子包圍的氫富集的區(qū)域。另外，將碘引入高溫共沉積9eG和Ni形成的G3Ni3結(jié)構(gòu)中，同樣形成了G3Ni3I3蜂窩狀結(jié)構(gòu)，并且碘原子的存在可以使 G3Ni3配位方式的結(jié)構(gòu)在熱力學上更加穩(wěn)定，上述過程可由圖11表示。為了探究該方法的普遍性，他們在G/Fe配位系統(tǒng)進行了對比實驗，得到了蜂窩狀的G3Fe3I3結(jié)構(gòu)；并通過沉積過渡金屬鹵鹽的方式引入其他鹵素原子來探究不同鹵素的影響，結(jié)果均得到相似結(jié)構(gòu)，沉積NiCl2得到了 G3Ni3Cl3配位結(jié)構(gòu)，沉積 FeBr2得到了G3Fe3Br3配位結(jié)構(gòu)。這項實驗發(fā)現(xiàn)表明鹵素的摻雜可以在表面上促進特殊的金屬有機配位結(jié)構(gòu)的形成并進一步起到穩(wěn)定作用。

3.2 堿基與鐵原子的相互作用

3.2.1 鐵與鳥嘌呤衍生物形成G-四分體結(jié)構(gòu)

2012年，Langner等人78的研究表明，在金屬有機結(jié)構(gòu)中，與氮原子相比，F(xiàn)e原子更傾向于與氧原子進行配位。由于氧原子含有兩對孤電子對，當氧原子與Fe原子配位之后，還可以形成氫鍵。上文提到鳥嘌呤及其衍生物可提供氧位點與堿金屬產(chǎn)生靜電作用形成G-四分體結(jié)構(gòu)，而與過渡金屬Fe也會通過配位作用形成相似結(jié)構(gòu)。2014年，Wang等人46為了探索在超高真空環(huán)境下表面上孤立的G-四分體結(jié)構(gòu)的形成機制和內(nèi)部相互作用力，并進一步在原子尺度下研究這種生物相關(guān)的模型系統(tǒng)的物理化學性質(zhì)，選擇了鳥嘌呤衍生物9eG分子和Fe原子作為研究對象。通過高分辨率的掃描隧道顯微鏡成像、橫向STM操縱和DFT計算，發(fā)現(xiàn)當共沉積9eG分子和Fe原子時，可形成 G四分體復合物，如圖 12所示。局域態(tài)密度(LDOS)和電荷密度差分析說明形成這樣一種復合物的驅(qū)動力是配位鍵和內(nèi)部氫鍵的協(xié)同效應(yīng)。投影態(tài)密度(PDOS)和自旋密度分析證明 Au(111)表面上的吸附和配位行為還會導致Fe中心自旋磁矩的增加。隨后的STM操縱可以在形成的G4Fe1復合物內(nèi)消除Fe原子和9eG分子間的相互作用，從而成功調(diào)節(jié)d軌道和Fe中心的磁性。這些發(fā)現(xiàn)揭示了G4Fe1在惰性Au(111)表面上的形成機制，尤其是橫向STM操縱為精確地調(diào)節(jié)金屬有機結(jié)構(gòu)中金屬中心的電磁性質(zhì)提供了一種獨特的方法。

圖10 兩種不同的金屬有機配位三聚體在Au(111)表面上的組分動態(tài)轉(zhuǎn)變，R和L表示單個分子手性68Fig. 10 Schematic illustration on the constitutional dynamics between two distinct metal-organic coordination trimers on Au(111) surface. R and L denote the chiralities of individual molecules 68.

圖11 碘誘導的金屬有機結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變與穩(wěn)定示意圖33Fig. 11 Illustration of iodine-induced structural transformation and stabilization of elementary metal-organic motifs 33.

圖12 Au(111)上G4Fe1復合物的形成示意圖46Fig. 12 Schematic Illustration of the Formation of the G-Quartet-Fe Complex on Au(111) 46.

圖13 G4Fe1、異手性的G3Fe1、G4Fe2、G3Fe3和同手性的G3Fe1在Fe原子和9eG分子的誘導下發(fā)生的可逆性結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變示意圖79Fig. 13 Schematic illustration of the reversible structural transformations among G4Fe1, heterochiral G3Fe1, G4Fe2 and G3Fe3 together with homochiral G3Fe1 motifs in response to Fe atoms and 9eG molecules 79.

3.2.2 鐵與鳥嘌呤衍生物形成的多種配位結(jié)構(gòu)間的可逆轉(zhuǎn)變

上述提到Fe原子優(yōu)先與9eG分子的O6位點配位，而它與 N7位點也可進行配位。因而 2016年，Zhang等人79同樣選擇該模型體系來研究配位的優(yōu)先性和多樣性，并且利用配位鍵本征的動態(tài)特性實現(xiàn)超高真空條件下多種配位結(jié)構(gòu)的可逆性轉(zhuǎn)變。結(jié)合高分辨率的STM和DFT計算，他們發(fā)現(xiàn)在室溫下在預(yù)先吸附 9eG分子的 Au(111)表面控制計量地逐步沉積Fe原子，將相繼形成多種表面納米結(jié)構(gòu)，它們分別以 G4Fe1、異手性的G3Fe1、G4Fe2、G3Fe3和同手性的 G3Fe1作為基本結(jié)構(gòu)單元，如圖13。室溫下在以上任意一個結(jié)構(gòu)覆蓋的表面上可控制地沉積額外的9eG分子還可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的可逆性轉(zhuǎn)變。這些可逆轉(zhuǎn)變成功的關(guān)鍵，是配位鍵可逆的特性以及配位優(yōu)先性和多樣性。此外，投影態(tài)密度(PDOS)和自旋密度分析還定性地證明，形成的金屬有機結(jié)構(gòu)中，F(xiàn)e原子中心的電磁特性根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同會發(fā)生改變。

4 總結(jié)與展望

綜上所述，我們介紹了在超高真空環(huán)境下，多種堿基及其衍生物與堿金屬、堿土金屬和過渡金屬在Au(111)表面的相互作用，闡述了多種金屬及其鹽類在形成G-四分體結(jié)構(gòu)、堿基互變異構(gòu)過程、金屬有機結(jié)構(gòu)可逆轉(zhuǎn)變過程以及穩(wěn)定表面納米結(jié)構(gòu)等方面的作用。對這些問題的詳細研究展示出了金屬對堿基相關(guān)結(jié)構(gòu)的影響，不僅為新型的功能化的DNA分子級電子元件的設(shè)計提供基礎(chǔ)的理論依據(jù)，還能揭示一些金屬或金屬配合物的致病或抗病機制機理，為堿基相關(guān)藥物的研制提供新思路。

在超高真空環(huán)境下模擬生物體環(huán)境利用STM技術(shù)研究堿基，雖然有利于實空間探究各種反應(yīng)的作用機理，但由于真空及表面的條件與生物體內(nèi)復雜的環(huán)境相差很大，只能夠提供簡化的模型體系，因此對生命科學層面的研究僅提供一些理論上的思路和可能性。此外，為了更充分地模擬生物體系，我們不能只局限于研究單一堿基的作用，更為復雜的多堿基結(jié)構(gòu)、核酸片段等與金屬及其鹽類的相互作用也需要進一步探索。同時，其他新型表面分析技術(shù)，如液固界面的原子力顯微鏡技術(shù)，已經(jīng)可以在生理溶液的環(huán)境中獲得原子級高分辨像80，其應(yīng)用也能對堿基體系的深入研究起到較大的推動作用。總之，超高真空條件下堿基與金屬相互作用領(lǐng)域還有一條很長的路需要人們?nèi)ヌ剿鳌?/p>