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

由含不同碱基(包括鸟嘌呤Guanine (G)、腺嘌呤 Adenine (A)、胞嘧啶Cytosine (C)、胸腺嘧啶Thymine (T)和尿嘧啶Uracil (U))的核苷酸通过碱基之间特异性氢键识别构成的核酸是生命体中最重要的生物大分子之一，它是生物体遗传信息的载体，在生物体的结构、功能及生物催化方面都具有重要的作用。部分金属、金属盐类以及特定的小分子等在对于DNA的构象维持、功能发挥与调控等方面起着重要的作用1–7；某些重金属则可能导致DNA损伤甚至癌变8,9。另外，碱基的自身互变异构也会形成一系列互变异构体，使得碱基配对间氢键改变，容易导致碱基错配，造成子代序列与亲代不同的错误性损伤，引起基因

许维教授，出生于1981年。2008年在丹麦奥胡斯大学物理系获得理学博士学位，随后在美国宾夕法尼亚州立大学物理系从事博士后研究。2009年被聘为同济大学特聘教授加盟材料科学与工程学院，同时担任丹麦奥胡斯大学交叉学科纳米中心客座教授。主要从事利用超高真空扫描隧道显微镜(UHV-STM)高分辨成像及单分子操纵技术并结合密度泛函理论(DFT)计算研究固体表面物理化学相关课题。突变10–12。

因此，研究碱基与金属的作用十分必要。目前为止，研究金属及其盐类与碱基的相互作用的手段有很多，比如利用谱学分析金属对于碱基互变异构以及碱基互补配对的影响13、利用理论计算方法预测金属与碱基优先结合位点14–17、利用大气扫描隧道显微镜观测金属对于碱基及其衍生物组装结构的影响等18。随着超高真空扫描隧道显微镜 Ultrahigh vacuum scanning tunneling microscopy (UHV-STM)的发明，关于碱基的研究又掀起了新的热潮。利用 UHV-STM 人们能够对碱基分子进行实空间观测，为从单分子尺度研究碱基分子及其组装方式提供了便利条件；同时，利用该技术研究碱基与金属的相互作用也成为当前的一个热点，这些研究有利于加深人们对于碱基与金属相互作用的认识，为理解生命体中核酸碱基的行为提供了实验和理论基础。

上述利用 UHV-STM 在二维表面上研究分子及纳米结构的物理化学过程是一种有效方法。相比溶液或者其他方法，它具有如下优势：1) 在超高真空条件下可以防止溶剂和其他污染物的影响；2) 前驱体分子与表面之间的相互作用(限域作用、催化作用等)将有利于形成一些特定的分子构型，产生常规溶液化学难以得到的化学反应和纳米结构；3) 在表面上能够合成分子量较大的纳米结构，由于溶解度限制，这是在溶液中无法实现的；4) 可以辅助使用对表面敏感的技术，例如超高真空原子力显微镜，X射线光电子能谱等对其进行原位表征，得到高分辨率的结构和精准的化学信息。

早在20世纪90年代，很多学者就已经对单一的嘌呤和嘧啶在不同表面上的形貌和组装方式进行了相关的探索。Kawai等人19–24通过热蒸发的方法将DNA碱基沉积在较活性的表面，并利用STM研究碱基在表面上的吸附行为。然而，由于当时扫描图像清晰度的限制，人们很难清楚地观测到其自组装结构。进入21世纪以后，Besenbacher教授课题组利用UHV-STM结合密度泛函理论(Density functional theory，DFT)计算进一步研究了DNA碱基在Au(111)表面的自组装。相比于之前Kawai等人的研究结果，Besenbacher课题组的研究不仅得到了不同碱基在固体表面形成的自组装结构的高分辨率图像25,26，还实现了不同 DNA碱基在 Au(111)表面的识别配对27。为了进一步模拟生物体系中的DNA互补配对行为，研究者还在G的N9位和C的N1位置连接苯基基团，屏蔽生物系统中不存在的氢键位点，研究这两种碱基衍生物的配对行为。令人兴奋的是，与纯碱基相比，这两种碱基衍生物全部通过Watson-Crick氢键实现了碱基互补识别，并形成了规则的网络结构28。

在研究碱基在固体表面的作用时，许多研究人员采用Au(111)表面，这是因为分子与Au(111)基底的相互作用比较弱，能够减小表面对分子自组装的影响从而使分子间相互作用占据主导地位。同时碱基沉积在Au(111)表面时一般采取平面构型，有利于STM二维成像。除了碱基，一些学者还利用 Au(111)表面的这一特性研究了其他分子在其上的自组装。Shao等人29于 2017年利用STM 对比研究了三聚氰胺与蜜勒胺在 Au(111)表面上的自组装结构，并对两种分子可能形成的氢键类型进行了识别。但是，对于一些特殊的分子，Au(111)基底反而能对分子自组装产生决定性影响。如Chi等人30利用原位电化学扫描隧道显微镜研究了 Au(111)表面上电势诱导的 N-异丁酰基-L-半胱氨酸(L-NIBC)分子自组装结构的相转变，发现当改变金的电极电势时，α相β相的NIBC自组装单层膜出现了多种不同的结构变化，综合密度泛函理论计算，他们认为电极电势的变化引起了Au―COO键的断裂，从而使分子吸附构型改变而导致相变。

利用UHV-STM研究不同碱基在表面自组装行为的工作已经日趋完善，同时碱基与金属的相互作用也取得了一些系统性的成果。近年来，Xu等人通过尝试在碱基以及衍生物的体系中引入水31,32、碘33等小分子配体，得到了一系列有趣的结果；通过引入能发生乌尔曼反应的官能团，利用表面反应构建了一种腺嘌呤寡聚物34。本论文着眼于2010年至今所报道的具有代表性的碱基及其衍生物与碱金属、碱土金属和过渡金属在Au(111)表面上的相互作用进行综述，利用STM在单分子尺度下揭示了金属对碱基在固体表面的自组装结构的影响，金属与碱基作用后形成的结构及其稳定性，以及金属与碱基相互作用的机制机理等。

2 碱基及其衍生物与碱金属和碱土金属在Au(111)表面上的相互作用

2.1 鸟嘌呤与钾原子的相互作用

生物体中G-四分体通过与阳离子的相互作用堆叠成 G-四联体结构是细胞生命的一个重要过程。核磁共振波谱学研究表明在溶液中许多阳离子在形成、稳定和调节G-四联体结构的多态性方面都起着重要的作用1,35–38。碱金属，尤其是钠和钾，在许多细胞环境中都起到了至关重要的作用。例如在生物系统中，富含G的人类端粒DNA序列可以与Na+或K+通过静电作用形成稳定的G-四联体，由于端粒与细胞凋亡密切相关，G-四链体的相关研究为抗癌药物的设计提供了新思路，在不同学科领域都引起了人们的强烈兴趣7,39,40。G-四分体结构随后被引入了表面化学领域。通过大气扫描隧道显微镜反映出的实空间形貌图可以证明G-四分体结构可以被盐中的Na+和K+诱导，并吸附在固液界面上18,41。2010年，Xu等人42通过选择 G-K模型体系，在 Au(111)表面上展示了碱基G与碱金属K的静电作用。UHV-STM和DFT理论计算证明，Au(111)表面上移动的G分子可以有效地与钾原子相互作用，形成金属超分子多孔网络，它们之间通过氢键和金属有机静电吸引作用达到平衡，如图1所示。为了研究生物体G-四分体结构的形成和解离与金属的关系，他们于2013年在固体表面进一步研究了碱金属对于 G-四分体的影响，在原子尺度上实空间揭示了Au(111)上G4K1结构，如图2，并定性地证明了这种结构是通过氢键和金属有机静电作用的协同效应达到稳定的，这与生物体中G-四分体与阳离子K+的相互作用密切相关。此外也得出结论，钾离子的存在不仅增强了G-四分体内部四个分子之间的相互作用，同时由于协同效应，也增强了G-四分体之间的相互作用，从而大大提高了这种自组装结构的稳定性43。

图1 G-K多孔结构的STM图和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.

图2 Au(111)表面上G4K1结构的STM图和DFT模型43Fig. 2 STM image and DFT model of the G-quartet network on Au(111) 43.

2.2 鸟嘌呤衍生物与碱金属及碱土金属盐类作用形成多种G-四分体结构

在以上的研究中，金属原子都是被直接沉积在表面以促进G-四分体的形成和稳定。为了模仿溶液化学，Zhang等人44于2015年尝试在超高真空环境下在固体表面沉积金属盐类来研究在不溶的环境下G-四分体形成的可行性与普遍性。他们选择鸟嘌呤的衍生物9-乙基鸟嘌呤(9eG)作为碱基类的研究对象，这是因为1) 通过在G的N9位置用乙基修饰，可以阻碍可能的从G/9H到G/7H的互变异构过程45；2) 将9eG分子沉积到Au(111)表面上形成的是锯齿形链状结构，而不是无金属中心的空G-四分体结构46，可以更加直观地体现出金属的作用。至于盐类，他们选择了典型的碱金属和碱土金属盐 NaCl，KBr和 CaCl2，来研究可能形成的G4M1(M分别指代Na、K和Ca)复合物，如图 3所示。实验中，他们首先在超高真空环境下将 9eG分子沉积到已覆盖有 NaCl的Au(111)表面上，之后退火至～350 K，形成了有序、密排的由G4Na1构成的纳米结构，如图4a，b。为了进一步研究利用碱金属盐形成 G4M1结构的普适性，并且与NaCl情况作对比，他们随后用KBr替换NaCl进行同样的实验，就如预期的那样，也形成了类似的有序、密排的由G4K1构成的纳米结构，如图4d，e。为了进而将整个体系的普遍性延伸到其他的主族元素，他们选择了一种典型的二价碱土金属的盐：CaCl2。沉积9eG分子到CaCl2覆盖的表面，之后退火到相同温度，形成了有序的、格状的由G4Ca1构成的纳米结构，如图4g，h。至此，Zhang等人在实空间展示了Au(111)上的三种不同的G4M1结构。随后他们利用差分电荷密度图(图4c，f，i)和投影态密度分析，定性地证实了G4M1结构中金属中心与9eG分子中的O原子之间的相互作用应该归结为静电离子作用。最后他们还得出，G4M1稳定性的大小顺序如下：G4Ca1＞G4Na1＞ G4K1。这些发现都为在固体表面上构造G-四分体相关的复合物提供了一种新颖的方法。直接沉积盐类作为一种提供金属的有效途径，可以将其延伸到其他系统来研究分子与金属之间的相互作用。

2.3 NaCl辅助的鸟嘌呤互变异构体的识别区分及转变

图3 Au(111)表面上形成G的带状结构和G4M1复合物的示意图，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.

图4 在Au(111)表面上形成的G4Na1, G4K1, G4Ca1复合物的STM图和差分电荷密度图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.

鸟嘌呤分子，是生物体中最重要的嘌呤之一，有许多不同的互变异构体，其中最稳定的两种是经典的G/9H和非经典的G/7H45,47,48形式。根据前人18,49–52的研究和本文2.2节可以知道：在表面生长的NaCl岛可以作为反应物提供Na+，有效地与9eG作用形成G4Na1结构；另外，G-四分体结构只能由鸟嘌呤的经典形式 G/9H形成。结合这些，Zhang等人53尝试探索了在NaCl的协助下，利用G4Na1结构的形成，进而在Au(111)表面上大片鸟嘌呤混杂结构(主要由G/9H和G/7H构成)中实现两种互变异构体的识别、区分以及相互转变。室温下在Au(111)上沉积鸟嘌呤分子，得到一种无规则的相(图 5a)，继续沉积足够的 NaCl，其中NaCl : G沉积量比例高于1 : 4，有意思的是，出现了小块的G4Na1结构(白色椭圆圈出部分)，如图5b。最后，将样品加热至～350 K，形成了 G4Na1主导的岛状结构，同时有一些小块的G/7H密排结构，见图 5c。G4Na1结构的形成归因于四分体内的氢键以及静电离子作用的协同效应44，注意到，在这个过程中，退火的温度(～350 K)远低于G/9H到G/7H互变异构的温度(～420 K)45，因此在这个过程中所看到的 G/7H相是源于原始无规则相中存在的那部分G/7H分子。所以，利用NaCl，通过分别形成G4Na1结构和密排的G/7H结构，可以成功地在一个无规则的相中实现两种互变异构体(G/9H和G/7H)的识别与区分。此外，将鸟嘌呤分子沉积到表面上，然后在420 K退火处理，能将G/9H转变成 G/7H，从而形成纯粹的互变异构体G/7H相45。之后，在室温下引入足量的 NaCl(NaCl : G比例远高于1 : 4)到G/7H覆盖的样品上(见图5d)，并退火到440 K，形成了G4Na1结构，并与剩余的G/7H结构共存(见图5e)。更高的退火温度(460 K)导致从G/7H到 G4Na1结构的完全转变(见图5f)。上述过程实现了两种不同互变异构体的纯粹相的分别制备。这些有意思的结果证实了利用 NaCl作为辅助手段在鸟嘌呤混杂结构内部实现识别、区分、甚至其不同互变异构体转变的可行性，这在更广泛领域内(从有机化学到表面化学)为人们认识互变异构相关内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

图5 Au(111)上无规则G分子和密排G/7H纳米结构在NaCl的辅助下分别向G4Na1网络结构转变过程的STM图(NaCl : G沉积量比例 ＞ 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同时提供阴阳离子与胞嘧啶衍生物形成多样性结构

在上述研究中，NaCl只提供了金属离子参与到结构的形成中，而阴离子几乎没有作用。在前人的研究中，金属盐类也只提供金属离子参与反应，而卤素阴离子或者形成分子从表面脱附49或者钻入体相中44,50–52。最近，Xie等人54通过在Au(111)表面上引入 1-甲基胞嘧啶(1mC)和 NaCl来研究碱基在表面上同时与阳离子和阴离子作用构造超分子纳米结构的可行性。研究表明，胞嘧啶的 N和 O位点与钠离子通过静电作用形成1mC4Na2金属有机团簇，团簇的外围是胞嘧啶的氢原子，而氢富集的位置与电负性强的氯离子产生静电相互作用，由此便可以使团簇以多种方式相连，形成丰富的纳米结构，其中一种连接方式如图6所示。在这项研究中，NaCl提供的碱金属和卤素离子与 1mC分子的不同位点发生相互作用，共同形成金属有机结构。该方法为阴阳离子共同作用形成结构提供了新思路。

3 碱基及其衍生物与过渡金属在Au(111)表面上的相互作用

3.1 碱基与镍原子的相互作用

3.1.1 镍与胞嘧啶形成零维团簇

图6 NaCl同时提供阴阳离子调节金属有机结构形成的示意图54Fig. 6 Schematic illustration of the structural formation of organic motifs mediated by both Na and Cl ions provided by NaCl 54.

超分子结构可以通过外部诱导而转变，例如热诱导55、覆盖率的变化56、STM操纵57以及引入其他原子58等。近几年，研究人员实现了在二维纳米结构的基础上改变结构单元、键的种类或结构手性55,58–60，或者将表面结构由低维向高维转变61。2014年Kong等人62通过引入镍原子研究了原位控制纳米结构从高维向低维转变，并且揭示了该过程的潜在机理。室温下在 Au(111)表面直接沉积胞嘧啶分子，会形成以氢键相连的Z字型链25，如图7b。然而令人惊讶的是，当引入镍原子时，这种一维链转变成了零维团簇，如图 7c。三个胞嘧啶分子与三个镍原子配位，离散地分布在表面上，构成稳定的系统。DFT计算表明这种从一维到零维的结构转变来源于氢键和配位键的竞争作用。因为胞嘧啶分子上成键位点分布不均匀，其与镍原子形成的配位键完全占据了分子本身的电子供给位点，从而阻止了团簇之间潜在的氢键和配位键的形成。此外，团簇间的排斥力最终导致了团簇的离散分布。

3.1.2 镍优先配位抑制鸟嘌呤互变异构的发生

此外，Kong等人45于2014年还证明了热诱导和 Ni原子的引入会对碱基的互变异构产生影响。他们将G/9H分子沉积在Au(111)表面并加热到420 K之后，利用STM在Au(111)表面观测到了新的高度有序的纳米结构。分析发现所有G/9H结构模型都不能合理解释实验中观测到的结构。为了准确理解该结构的形成机制，他们对比了退火前后的STM图像，发现两种自组装结构中单分子的形貌发生了微小的变化，通过文献可知热处理能够诱导碱基发生互变异构63，并且互变异构会导致分子的构型发生变化64–66，从而推断加热到420 K之后，G/9H分子可能已经转变为它的另一种稳定的互变异构体G/7H。为了证实该猜想，他们重新构建了G/7H的结构模型，该结构模型的结合能比热处理之前G-四分体结构结合能高，且该模型以及基于其的STM模拟图像的单分子形貌和分子尺寸都与实验STM图像高度吻合，从而充分证明此时 G/9H分子已经转变成了其另外一种具有高热稳定性的互变异构体G/7H。为了进一步证实以上结论，他们选择了 G/7H的类似物，7-甲基鸟嘌呤(7mG)分子进行了对比实验。将 7mG分子沉积在Au(111)表面之后，他们发现形成的分子链中分子间的结合方式与之前沉积 G/9H并加热发生相变后形成的岛状结构内分子链中分子间的结合方式一致。该实验结果证实了G/9H沉积在表面并加热后形成的纳米结构是由 G/7H分子形成的，即热处理促进了Au(111)表面上的G/9H分子发生互变异构并转变为G/7H。

为了研究Ni对G分子互变异构的影响，他们先后将G分子和Ni原子沉积在Au(111)表面并将样品加热到 420 K，观察到一种金属有机网络结构。该金属有机网络结构形成的分子岛具有手性选择性，每个分子岛具有特定的手性，其手性如图8a所示，L代表岛内分子左旋，R代表岛内分子右旋。根据图 8b，c结构模型分析，该金属有机网络结构中所有的分子都以G分子的经典形式G/9H出现，而且每两个同手性的G/9H分子通过N7位与Ni原子进行配位。值得一提的是，N7位恰恰是当G分子发生互变异构时氢原子转向的位置。因此，当G/9H分子的N7位与Ni原子发生配位时，N7位被屏蔽，从而抑制了G的互变异构。理论计算表明对于 Ni原子而言，N7位是最稳定的配位位点。且两个同手性的G/9H分子比两个异手性的与Ni原子作用更稳定。两个同手性的G/9H分子与Ni原子配位形成的结构单元恰恰是图8b，c金属有机网络结构的基本构筑单元。因此，Ni原子优先与G/9H分子中的N7位配位抑制了G/9H分子向G/7H分子的转变，并促进了金属有机网络结构的形成。这些研究结果有助于研究金属对核酸碱基的互变异构的影响，并为金属基抗癌药物的设计提供理论基础。

图7 镍原子诱导胞嘧啶由一维链转变为零维团簇的STM图62Fig. 7 STM images showing the conversion of cytosine from one-dimensional chains to zero-dimensional clusters induced by Ni atoms 62.

图8 G/9H分子与Ni原子共沉积在Au(111)表面并加热至420 K后表面形成的金属有机网络结构的STM图像，DFT优化结构模型以及STM模拟图像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操纵识别镍与尿嘧啶构成结构的分级作用

2015年，Kong等人67通过STM的针尖操纵技术控制了氢键的断裂和重建从而展示了复杂结构的可逆性转变。在研究中，他们通过选择尿嘧啶作为反应物与金属镍原子发生作用，设计了一种包括两种分级相互作用的系统。通过STM图像和DFT计算可以发现，在Au(111)表面上共沉积U分子和Ni原子，形成孤立的以三个Ni原子和三个U分子以配位键相连的三角形金属有机配位团簇，如图9a，b，这些三角形团簇作为结构单元彼此通过氢键连接形成自组装的平行四边形团簇甚至更复杂的结构，如图9c，d。有趣的是，接着通过横向STM操纵可以实现高级别的结构向基本结构单元的可控分裂，氢键被破坏的同时三角形团簇中的配位键保持完整；由于氢键具有方向性，STM操纵还可以使基本结构单元通过氢键的重构实现由低维向高维的无缝连接，如图 9f–i。另外根据DFT计算可以证明这种金属有机结构的可逆性转变可以调节金属中心的电子特性。

3.1.4 镍与胸腺嘧啶配位实现组分动态转变

3.1.5 碘诱导镍与鸟嘌呤衍生物配位结构的转变

图9 Au(111)表面上共沉积U分子和Ni原子后的STM图像、DFT优化结构模型和STM模拟图像以及STM操纵平行四边形和两个三角形团簇之间的可逆转变过程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.

对于表面化学而言，卤素通常作为表面脱卤反应的副产物69–74或者自组装结构的客体75，而其在构建表面纳米结构中的有利作用却鲜有发现。2016年，Rastgoo-Lahrood等人76在超高真空环境下直接将碘引入金属表面并成功地将配位网络结构从表面抬起。2017年，Zhu等人77在Ag(111)表面上，通过将Br取代基引入含端基炔的前驱体分子中，成功实现了一步合成顺式烯二炔，其产率高达90%。这种高度选择性的合成依赖于Br原子与顺式烯二炔之间的氢键作用，促进顺式烯二炔紧密堆积形成岛状结构，从而产生空间位阻阻碍其进一步反应。同年Xie等人33将卤素原子引入金属有机配位系统中并研究了卤素对表面纳米结构的潜在影响。他们选择了9eG分子和过渡金属原子Ni作为模型体系，将两者以不同的化学计量比共沉积在Au(111)表面上，分别形成了两种典型的纳米结构G3Ni1和G2Ni2。对这两种结构分别加入更多的Ni或9eG还可以导致两者之间的相互转变。令人惊讶的是，随后他们在这两种结构的任意一种中引入碘并退火，均发生结构转变，形成由G3Ni3I3结构单元组成的蜂窝状结构，其中碘分子在表面解离成原子并通过静电相互作用均一分布在被9eG分子包围的氢富集的区域。另外，将碘引入高温共沉积9eG和Ni形成的G3Ni3结构中，同样形成了G3Ni3I3蜂窝状结构，并且碘原子的存在可以使 G3Ni3配位方式的结构在热力学上更加稳定，上述过程可由图11表示。为了探究该方法的普遍性，他们在G/Fe配位系统进行了对比实验，得到了蜂窝状的G3Fe3I3结构；并通过沉积过渡金属卤盐的方式引入其他卤素原子来探究不同卤素的影响，结果均得到相似结构，沉积NiCl2得到了 G3Ni3Cl3配位结构，沉积 FeBr2得到了G3Fe3Br3配位结构。这项实验发现表明卤素的掺杂可以在表面上促进特殊的金属有机配位结构的形成并进一步起到稳定作用。

3.2 碱基与铁原子的相互作用

3.2.1 铁与鸟嘌呤衍生物形成G-四分体结构

2012年，Langner等人78的研究表明，在金属有机结构中，与氮原子相比，Fe原子更倾向于与氧原子进行配位。由于氧原子含有两对孤电子对，当氧原子与Fe原子配位之后，还可以形成氢键。上文提到鸟嘌呤及其衍生物可提供氧位点与碱金属产生静电作用形成G-四分体结构，而与过渡金属Fe也会通过配位作用形成相似结构。2014年，Wang等人46为了探索在超高真空环境下表面上孤立的G-四分体结构的形成机制和内部相互作用力，并进一步在原子尺度下研究这种生物相关的模型系统的物理化学性质，选择了鸟嘌呤衍生物9eG分子和Fe原子作为研究对象。通过高分辨率的扫描隧道显微镜成像、横向STM操纵和DFT计算，发现当共沉积9eG分子和Fe原子时，可形成 G四分体复合物，如图 12所示。局域态密度(LDOS)和电荷密度差分析说明形成这样一种复合物的驱动力是配位键和内部氢键的协同效应。投影态密度(PDOS)和自旋密度分析证明 Au(111)表面上的吸附和配位行为还会导致Fe中心自旋磁矩的增加。随后的STM操纵可以在形成的G4Fe1复合物内消除Fe原子和9eG分子间的相互作用，从而成功调节d轨道和Fe中心的磁性。这些发现揭示了G4Fe1在惰性Au(111)表面上的形成机制，尤其是横向STM操纵为精确地调节金属有机结构中金属中心的电磁性质提供了一种独特的方法。

图10 两种不同的金属有机配位三聚体在Au(111)表面上的组分动态转变，R和L表示单个分子手性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.

图11 碘诱导的金属有机结构的转变与稳定示意图33Fig. 11 Illustration of iodine-induced structural transformation and stabilization of elementary metal-organic motifs 33.

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

图13 G4Fe1、异手性的G3Fe1、G4Fe2、G3Fe3和同手性的G3Fe1在Fe原子和9eG分子的诱导下发生的可逆性结构转变示意图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 铁与鸟嘌呤衍生物形成的多种配位结构间的可逆转变

上述提到Fe原子优先与9eG分子的O6位点配位，而它与 N7位点也可进行配位。因而 2016年，Zhang等人79同样选择该模型体系来研究配位的优先性和多样性，并且利用配位键本征的动态特性实现超高真空条件下多种配位结构的可逆性转变。结合高分辨率的STM和DFT计算，他们发现在室温下在预先吸附 9eG分子的 Au(111)表面控制计量地逐步沉积Fe原子，将相继形成多种表面纳米结构，它们分别以 G4Fe1、异手性的G3Fe1、G4Fe2、G3Fe3和同手性的 G3Fe1作为基本结构单元，如图13。室温下在以上任意一个结构覆盖的表面上可控制地沉积额外的9eG分子还可以实现结构的可逆性转变。这些可逆转变成功的关键，是配位键可逆的特性以及配位优先性和多样性。此外，投影态密度(PDOS)和自旋密度分析还定性地证明，形成的金属有机结构中，Fe原子中心的电磁特性根据结构的不同会发生改变。

4 总结与展望

综上所述，我们介绍了在超高真空环境下，多种碱基及其衍生物与碱金属、碱土金属和过渡金属在Au(111)表面的相互作用，阐述了多种金属及其盐类在形成G-四分体结构、碱基互变异构过程、金属有机结构可逆转变过程以及稳定表面纳米结构等方面的作用。对这些问题的详细研究展示出了金属对碱基相关结构的影响，不仅为新型的功能化的DNA分子级电子元件的设计提供基础的理论依据，还能揭示一些金属或金属配合物的致病或抗病机制机理，为碱基相关药物的研制提供新思路。

在超高真空环境下模拟生物体环境利用STM技术研究碱基，虽然有利于实空间探究各种反应的作用机理，但由于真空及表面的条件与生物体内复杂的环境相差很大，只能够提供简化的模型体系，因此对生命科学层面的研究仅提供一些理论上的思路和可能性。此外，为了更充分地模拟生物体系，我们不能只局限于研究单一碱基的作用，更为复杂的多碱基结构、核酸片段等与金属及其盐类的相互作用也需要进一步探索。同时，其他新型表面分析技术，如液固界面的原子力显微镜技术，已经可以在生理溶液的环境中获得原子级高分辨像80，其应用也能对碱基体系的深入研究起到较大的推动作用。总之，超高真空条件下碱基与金属相互作用领域还有一条很长的路需要人们去探索。