因主体层板和层间客体具有丰富的可调性, 类水滑石材料(LDHs)在催化、 吸附、 生物医药及光、 电、 磁等方面展现出了广阔的应用前景. 近年来理论研究已成为揭示LDHs微观结构和性质的重要手段, 本文系统综述了LDHs材料主体结构、 客体结构以及主客体相互作用3个方面的理论研究工作进展, 及其在作为光驱动催化剂方面应用的理论研究. 从主体元素构成、 元素比例、 电荷分布、 拓扑结构转变、 能带结构、 态密度、 层间阴离子组成、 离子交换性能、 主客体作用力、 能量性质及光催化性能等方面, 在原子、 电子尺度上揭示了LDHs材料结构-性能之间的构效关系, 为以其为材料平台构筑一系列基于超分子插层结构主客体间相互作用的新型功能材料、 扩展材料的功能性提供了丰富的理论信息和有益指导.

外泌体是具有各种关键生物活性分子(如脂质、 蛋白质和核酸)的细胞外囊泡. 它们可以由所有类型的细胞分泌, 并分布在所有生物流体中, 如血液、 唾液、 汗水和尿液等. 更重要的是, 外泌体可以参与多种生理活动, 包括细胞间通讯、 哺乳动物的繁殖和免疫反应, 并在新陈代谢以及心血管疾病、 神经变性和癌症等疾病的病理进展中起重要作用, 这使其成为备受关注的天然非侵入性生物标记物, 并且被认为是可用于临床诊断和治疗的潜在工具。本文综述了用于检测外泌体的生物传感器的最新发展, 包括荧光、 电化学、 电化学发光、 表面增强拉曼光谱、 比色法和微流控技术等分析方法; 总结了在临床诊断和疾病治疗中外泌体的临床应用; 还讨论了外泌体检测所面临的挑战以及外泌体在临床诊断和疾病治疗等方面的应用潜力.

荧光蛋白自发现以来, 因其具有基因编码、 可以自主发出稳健荧光的特点, 在生命科学领域中发挥着重要作用. 随着对荧光蛋白的结构和功能有了更清晰的认识, 在蛋白质工程技术和有机合成迅速发展的基础上, 科研工作者可以对荧光蛋白的结构进行设计改造和模拟, 赋予其新的性质和功能, 扩宽其在生物传感、 生物成像等生命领域的应用. 本文以绿色荧光蛋白的结构改造为主线, 从局部结构改变、 桶状结构重构和表面重构等不同层面阐述了荧光蛋白结构改造的方法以及荧光蛋白模拟物的研究进展, 并介绍了这些荧光蛋白及其模拟物在生物领域的代表性应用.

对生物大分子复合物的研究和结构分析对于全面了解其功能和生物学意义至关重要. 冷冻电子显微镜在提供生物大分子结构及大分子分布等方面起到重要的作用. 近年来, 冷冻电子显微镜的硬件和软件的发展进一步提高了冷冻电子显微镜的有效性, 使其对各种生物结构、 蛋白质结构的解析更加准确快捷. 但是, 对于生物系统来说, 蛋白质和大分子复合物等均处于复杂的生理环境中, 因此原位检测生物分子的三维结构对于生物体系和结构生物学具有重要意义. 冷冻电子断层扫描作为一种功能强大的技术, 可以无需标记直接通过冷冻样品的固有衬度识别生物大分子的结构, 并且可在原位生理环境中对生物分子进行纳米级分辨率的三维成像. 本文综述了与冷冻电子断层扫描相关的样品制备和数据处理技术, 并总结了冷冻电子断层扫描技术在分离的大分子复合物和整个细胞或组织中的生物学应用.

综述了脱氧核糖核酸酶(DNA酶)的起源及分离富集策略, 对比了DNA酶与核糖核酸酶(RNA酶)及蛋白酶的相似点和不同之处, 并重点讨论了产物捕获和对冲抵消等策略对筛选获得DNA酶的独到之处; 同时系统回顾了近年来分离出的可特异感应各种金属离子或生物样本(包括细菌、 细胞等), 从而能在特定位点切割RNA底物的DNA酶探针; 阐述了DNA酶领域现存的挑战, 总结和展望了新思路和新方向.

癌症严重威胁着人类健康, 因此, 急需开发高效的诊断和治疗方法. 基于光敏剂和近红外激光的光学诊疗将诊断和治疗集于一体, 与传统的手术治疗和化学治疗相比, 光学诊疗显示出无创性和高空间选择性的优点. 有机小分子染料具有确定且易于修饰的化学结构、 良好的重现性和优异的生物相容性, 与无机和聚合物材料相比, 它是一类具有前景的可用于光学诊疗的光敏剂. 本文总结了基于传统小分子染料、 给体-受体(D-A)共轭小分子和聚集诱导发光(AIE)分子等有机小分子的纳米粒子在光学诊疗中的应用. 此外, 对于光学诊疗用有机小分子染料纳米粒子未来的挑战和前景也进行了展望.

预测材料异质结的界面原子结构对于理解界面对性能的影响至关重要. 目前, 从理论上预测材料界面结构仍具有极大挑战, 主要是缺乏普适有效的理论计算方法. 本文介绍了本课题组在异质结界面结构预测方面取得的最新进展. 结合马氏体相变唯象理论、 图论和随机表面行走算法, 提出了界面结构的一种有效预测方法, 可以实现自动化的计算预测. 通过GaP/TiO₂半导体异质结等展示了该方法的有效性和在催化等领域的应用前景.

近年来, 随着空气中二氧化碳含量的不断升高, 二氧化碳的催化转化在科研界和工业界受到了广泛关注. 非均相催化的二氧化碳加氢合成甲醇是实现二氧化碳资源化利用的重要手段之一, 具有良好的应用前景. 本文系统概述了非均相催化二氧化碳加氢合成甲醇反应的近期研究进展, 重点介绍了金属催化剂和金属氧化物催化剂, 对反应机理进行了阐述, 并对该领域仍待解决的问题和发展前景进行了展望.

长余辉荧光粉是一种新兴的有广泛应用前景的发光材料, 在停止激发后仍可保持发光. 近年来, 具有独特光学性质的长余辉荧光粉得到了发展, 其在光催化领域的应用也得到了广泛的研究. 长余辉材料具有脱离光源的特点, 可以有效地在黑暗环境中推动光催化反应的进行; 同时, 长余辉荧光粉的超长发光寿命使其在长时催化体系中占有重要地位, 使全天候光催化成为可能. 简单来说, 长余辉荧光粉被证明是一种新出现的功能材料, 在光催化方面具有前所未有的优势. 本综述总结了长余辉荧光粉在污染物降解、 杀菌消毒和高效制氢领域中应用的最新进展.

通过咔唑羧酸配体(H₃L)与三核铁簇[Fe₃(μ₃-O)(CH₃COO)₆]在水热条件下反应, 合成了具有三维骨架结构的铁基金属有机框架(1). 气体吸附实验结果表明, 化合物1具有高的比表面积且对CO₂的吸附量大于对CH₄的吸附量. 理想溶液吸附理论(IAST)计算结果表明, 化合物1在100 kPa及温度分别为273和298 K下对CO₂/CH₄(体积比为0.5∶0.5)混合气体的分离比分别为3.52和3.15, 预示其可以作为一种CO₂/CH₄分离型材料.

报道了一种电压调制型电化学发光分析技术, 通过在施加恒定电压的基础上叠加一个小脉冲电压, 可将鲁米诺-过氧化氢体系的电化学发光强度提升近2倍. 电化学发光强度与过氧化氢浓度在1.0 nmol/L~200 μmol/L范围内呈现良好的线性关系, 检出限低至0.24 nmol/L(S/N=3). 研究结果表明, 通过电压调制模式可有效提高电化学发光强度, 为深入理解电极界面电化学过程提供了新技术和数据.

肝损伤是影响公众健康的重大问题之一, 已经引起了人们越来越多的关注. 而过表达的过氧化亚硝酸盐(ONOO^?)在肝损伤等疾病的发病机制中起着重要作用, 被认为是一种与早期肝损伤密切相关的生物活性分子. 因此, 为了探究ONOO^?在肝损伤过程中的作用, 开发可以实现肝损伤过程中ONOO^?高选择性和实时检测的分析方法具有重要意义. 本文报道了一种具有大斯托克斯位移的远红光至近红外(FR-NIR)ONOO^?荧光探针. 由于该探针具有大的斯托克斯位移, 可以有效消除光谱重叠和自吸收的干扰, 从而显著提高成像的信噪比. 此外, 该探针对ONOO^?具有高的灵敏度(检出限为25.8 nmol/L)和良好的选择性, 被成功用于药物诱导肝损伤过程中ONOO^?信号的成像检测.

在蓝光照射的无金属、 无添加剂的绿色温和条件下, 以2-氯蒽醌为光催化剂, 空气/氧气为氧化剂, 高选择性地将芳族与杂芳族取代的伯醇和仲醇转化为相应的羰基化合物. 实验结果表明, 该催化剂具有较宽的底物适用范围, 为苄基位含氧化合物的合成提供了一条经济、 环保和可持续的新路径, 具有潜在的应用前景.

采用X射线衍射、 X射线荧光光谱、 扫描电子显微镜和固体核磁共振波谱等方法对SAPO-5分子筛的晶化过程进行了研究. 结果表明, SAPO-5分子筛的生成遵循液相晶化机理. 在晶化前期首先生成一种具有较为规整形貌的无定形磷酸铝(记为Am), 晶化温度大于200 ℃后开始出现SAPO-5, 同时无定形物质Am的量也明显增加, 随后Am逐渐溶解并贡献于SAPO-5的生长; 硅原子在晶化初期直接参与晶化进入SAPO-5分子筛骨架, 随着晶化时间延长, 分子筛晶体中硅含量逐渐增加; SAPO-5骨架仅能容纳少量的Si(4Al)物种, 在样品含有较低硅含量时骨架中即出现硅岛. XPS分析进一步揭示SAPO-5分子筛存在表面富硅现象, 硅在晶体中从核到壳含量递增. 研究结果也表明, 分子筛的拓扑结构和硅源选择影响晶体表面富硅程度.

以硅溶胶为硅源, 在不同碱度的溶液中对其进行前处理, 制得不同粒度与分布的硅溶胶母液, 并以此为原料合成了高硅铝比镁碱沸石分子筛(FER zeolite). 通过激光粒度分析仪(LPSA)、 傅里叶变换红外光谱(FTIR)、 X射线衍射(XRD)、 扫描电子显微镜/能量色散X射线光谱(SEM-EDS)和X射线荧光(XRF)等对母液和产物进行了表征, 考察了碱度对硅溶胶粒度特性和分子筛晶化过程以及产物性质的影响. 结果表明, 随着碱度增加, 硅溶胶母液的粒径逐渐增大, 对应于溶液中更多的Q³硅单元向Q²硅单元转变. 在低碱度下, 高聚合度的Q³硅单元倾向于使晶化过程遵循固相转化机理, 生成大片纯相镁碱沸石, 且产物的相对结晶度和固体收率均较高; 而在高碱度下, 大量活性的Q²硅单元则易于使凝胶成块, 晶化过程遵循液相转化机制, 产物尺寸较小且含有杂晶, 相对结晶度和固体收率均较低.

利用廉价易得的2-乙烯基苯胺与重氮化合物在三氟乙酸催化下发生[5+1]环化反应, 以中等至良好的产率合成了24种2-芳基喹啉衍生物. 该方法无需金属催化剂, 官能团兼容性好, 反应成本低, 不仅拓展了重氮化合物参与的新型有机反应, 同时也为2-芳基取代喹啉的合成提供了高效、 经济且简洁的新方法.

以核桃青皮为原料, 先用水热法制备其炭前驱体, 然后以不同的温度活化得到生物质炭(HBC_x). 采用扫描电子显微镜(SEM)、 傅里叶变换红外光谱(FTIR)、 氮气吸附-脱附仪(BET)和X射线光电子能谱(XPS)等手段对HBC_x进行了表征, 并考察其对废水中高浓度和低浓度Ni²⁺的吸附性能. SEM和BET表征结果表明, 大量的大孔(约2 μm)均匀地分布在HBC_x上, 其具有分级多孔结构, 当活化温度为800 ℃, 所得HBC₈₀₀的比表面积为 94 m²/g, 平均孔径为4.07 nm; 炭材料表面含氧和含氮官能团丰富, 氧含量(摩尔分数)高达21.24%, 可与Ni²⁺发生离子交换或共沉淀, 这些基团有利于吸附过程的进行. 所制备的多孔炭对废液中低浓度的Ni²⁺去除率接近100%, 表现出优异的吸附性能. Langmuir等温模型能很好地描述了HBC_x对Ni²⁺的吸附过程, 为单分子层吸附, HBC₈₀₀对Ni²⁺的最大理论吸附量高达127.39 mg/g. 拟二级吸附动力学模型可以更好地反映吸附过程, 吸附速率主要由化学吸附所控制. 固定床动态吸附结果表明该材料有优异的工业应用前景.

采用时间相关单光子计数技术, 结合紫外-可见吸收光谱和稳态荧光光谱, 对不同环境下的色氨酸和辅酶还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)之间的共振能量转移荧光动力学进行了研究. 单体色氨酸、 牛血清白蛋白以及乳酸脱氢酶蛋白与NADH之间相互作用的光谱数据表明, 只有存在NADH结合位点的乳酸脱氢酶和NADH之间发生了荧光共振能量转移. 进一步通过加入丙酮酸来阻断乳酸脱氢酶和NADH之间的荧光共振能量转移通道, 时间分辨荧光光谱和衰减相关光谱(DAS)证实, 蛋白结合位点的存在是NADH和色氨酸之间发生荧光共振能量转移的前提条件. DAS揭示了乳酸脱氢酶平均荧光寿命的减小主要是源于色氨酸中7.35 ns的荧光寿命成分与NADH之间的荧光共振能量转移, 同时给出了NADH和色氨酸之间的能量转移效率, 为研究NADH和蛋白之间的相互作用提供了新思路.

以氧化石墨烯(GO)作为增强光催化剂活性的调节剂, 采用一步水热法制备钼酸铋/氧化石墨烯(Bi₂MoO₆/GO)异质结光催化剂, 其可见光响应拓展至570 nm, 带隙能降至2.56 eV. 当m_Bi2MoO6/m_GO=100∶1时, Bi₂MoO₆/GO(100∶1)光催化剂在可见光的辐射下, 对水溶液中四环素和喹诺酮类抗生素选择性的高效催化降解去除能力为Bi₂MoO₆的2.1倍. Bi₂MoO₆/GO(100∶1)光催化剂活性的提高依赖于范德华力作用下的二维Bi₂MoO₆纳米片-二维GO纳米片界面的紧密接触. 有效的界面接触改善了光生电子的转移和光生载流子的分离. 自由基清除实验结果表明, ?OH起主要作用. 结合高效液相色谱-质谱(HPLC-MS)法对降解产物的分析, 提出了不同光催化剂催化降解恩诺沙星具有相似的降解途径和降解产物.

制备了3种化学组成相同但金属活性位点空间结构不同的Ni-SiO₂催化剂(Ni/SiO₂负载型催化剂、 Ni/SBA-15介孔结构催化剂和Ni@SiO₂核壳结构催化剂), 考察了不同空间限域维度及结构对CH₄-CO₂重整反应活性金属抗积碳机制的影响规律. 结果表明, Ni/SiO₂催化剂无空间限域效应, 抗积碳能力最弱, 表现出最差的稳定性; Ni/SBA-15催化剂存在部分空间限域效应, 抗积碳能力明显提高, 表现出较好的稳定性但是仍有失活; Ni@SiO₂催化剂具有完全几何限域效应, 抗积碳能力最强, 表现出最优的稳定性.

通过表面增强拉曼光谱(SERS)与高效液相色谱(HPLC)联用开展了在线监测催化剂对邻氨基苯硫酚(OATP)与邻碘苯甲酰氯反应的影响. 结果表明, 无催化剂时反应产物为1b{S-[2-(2碘苯甲酰氨基)苯基]-2-碘代苯硫酸盐}和2b{N,N′-[二硫(2, 1-亚苯基)]二(2-碘苯甲酰胺)}, 在醋酸铜催化下生成3b{10-(2-碘苯甲酰基)二苯并[b, f ][1, 4]硫氮杂-11(10H)-酮}; 无催化剂条件下经历亲核取代反应及硫自由基耦合的过程, 在醋酸铜催化下产物 1b 的结构发生变异生成3b. 所得结果与核磁质谱等常规非现场技术解析结构一致.

以多壁碳纳米管(MWCNT)为原材料, 三聚氰胺为氮前体, 采用高温煅烧法制得了含氮量约3.33%(摩尔分数)的氮掺杂碳纳米管(N-CNT-700), 该纳米管为一维材料. N-CNT-700活化过一硫酸盐(PMS)体系60 min内对苯酚的降解效率可达100%, 总有机碳(TOC)去除率可达61.6%, 体系的活化能为35.4 kJ/mol. 通过电子顺磁共振(EPR)检测、 掩蔽实验及PMS浓度测定等方式确定了体系降解机制为自由基(·OH, SO₄^·-)与非自由基共同作用, 除去9%的吸附去除外, 91%的氧化降解中自由基作用占比约49%, 单线态氧(¹O₂)作用占比约18%, 活性中间体作用占比约24%. N-CNT-700的反应活性随着重复利用次数的增加而降低, 高温处理可以恢复其高反应活性. 煅烧温度影响材料中的氮含量及种类, N-CNT的反应活性与氮含量成正比, 且与石墨氮含量密切相关.

通过浓凝胶转换法合成了一种厚度约为50 nm, 大小约为200 nm的纳米片状SAPO-34分子筛, 经XRD, SEM, ICP和氮气(77 K)吸附-脱附等方法对其进行了表征, 结果显示, 相比于微米级立方体形的SAPO-34 (2 μm), 本文合成的纳米片状SAPO-34表现出更高的比表面积(818.68 m²/g)和孔容(0.57 cm³/g). 比表面和孔容积的增大使其气体吸附容量得到较大的提升, 其中CH₄的吸附容量达到25.74 cm³/g, 提升了60%, 高于绝大多数分子筛吸附剂, 同时CH₄/N₂的吸附选择性未出现明显下降(3.1), 且达到商用吸附剂水平(＞3.0). 通过CH₄/N₂(体积比1∶1, 298 K)混合气体穿透测试证明所合成的纳米SAPO-34是一种有效的CH₄/N₂分离吸附剂, 在煤层气富集脱氮工业中具有极大的应用潜力.

采用少量天然不饱和脂肪酸共轭亚油酸(CLA)代替常用油酸对Fe₃O₄纳米颗粒进行表面修饰. 通过引发CLA中共轭双键自交联增强表面修饰牢度, 并利用该修饰层为修饰后的Fe₃O₄纳米颗粒提供第二重pH响应性. 分别通过透射电子显微镜(TEM)表征粒径和形貌、 全反射傅里叶变换红外光谱(ATR-FTIR)表征配位模式、 热重(TG)分析修饰量、 θ角表征表面润湿性、 超景深三维显微技术表征修饰后颗粒稳定的Pickering乳液的粒径及分布等. 结果表明, 修饰后颗粒具有分散性好、 修饰层薄而稳定、 表面疏水性增强及具有明显的pH/磁双重响应性等特征. 修饰后颗粒稳定的Pickering乳液具有乳化剂用量(质量分数0.05%)少、 乳液为高内(油)相(体积分数80%)类型、 pH响应能够开关乳液、 外磁场驱使乳液定向移动等特征, 且模拟实验显示借助该乳液可以有效实现水相有机污染物的萃取与分离.

通过在尿素前驱体中添加单宁酸, 原位缩聚形成碳自掺杂石墨相氮化碳(g-C₃N₄). 利用X射线光电子能谱(XPS)、 场发射扫描电子显微镜(FESEM)、 X射线衍射(XRD)仪和同步热分析(TG-DSC)等方法对碳自掺杂 g-C₃N₄的形貌、 物相结构和能带价态组分进行表征分析, 结合紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)和原位光微量热-荧光光谱联用仪获得碳自掺杂g-C₃N₄降解罗丹明B的原位热/动力学信息和三维荧光光谱信息, 探讨了光催化降解罗丹明B的微观机制. 结果表明, 单宁酸浓度≤10 mg/mL时, 碳会取代七嗪单元结构的氮原子形成g-C₃N₄骨架碳自掺杂; 单宁酸浓度≥ 20 mg/mL时, 碳以无定形形式沉积负载在g-C₃N₄表面上形成无定形碳自掺杂. 骨架碳自掺杂g-C₃N₄形成的π电子有效缩短了禁带宽度, 减小了光生电子-空穴复合几率, 比无定形C掺杂g-C₃N₄显示出更优异的光催化性能, 催化主要活性物种为h⁺和·O{}_{\mathrm{2}}^{-}. 碳自掺杂g-C₃N₄光催化降解过程可分为光响应吸热、 降解污染物放热平衡过程和稳定放热3个过程. 其中骨架碳自掺杂g-C₃N₄(C/N摩尔比为0.844)在光照1000 s内, 三维荧光光谱检测的RhB降解率锐减, 光照1000 s后, 其RhB降解率为87.6%, 分别是原始g-C₃N₄和无定形碳自掺杂g-C₃N₄的3.13倍和1.95倍. 光照1000 s后, 光微量热计显示以矿化和降解非荧光发色中间产物为主, 并保持以热变速率为(0.9799±0.5356) μJ/s稳定放热, 为拟零级反应过程, 是光催化反应的决速步骤.

利用3D打印、 模板赋形和表面修饰的方法, 制备出具有竖直结构的超疏水形状记忆微阵列. 该微阵列的竖直状态和倾斜状态能够基于形状记忆效应进行可逆调控. 当微阵列的结构发生改变, 液滴在表面的滚动状态也随之发生变化. 液滴在竖直的微阵列上表现出非定向滚动特征, 即液滴向微阵列两侧运动的滚动角是一致的. 在倾斜的微阵列上, 液滴则表现出定向运动的功能, 即液滴沿着微阵列倾斜方向上的滚动角要小于逆着阵列倾斜方向的滚动角. 因此, 本文通过调控微阵列形态实现了对液滴定向/非定向滚动的可逆调控.

在苯乙烯单体的对位引入具有亲水性链段的乙二醇单元, 利用可逆加成断裂链转移聚合方法(RAFT), 可控合成了几种新的两亲性嵌段共聚物聚(4-乙烯基苄基乙二醇单甲醚)-b-聚丙烯酸(PMnEOS-b-PAA, n=1~3), 对其温敏和pH敏性质进行了初步研究. 同时, 研究了PMnEOS-b-PAA分别在亲水性环境下(四氢呋喃/水)和亲脂性环境下(四氢呋喃/甲苯)自组装体的形貌. 将聚对二乙二醇单甲醚苯乙烯-b-聚丙烯酸与聚苯乙烯-b-聚丙烯酸按质量比1:1[m(PMDEOS-b-PAA)/m(PS-b-PAA)=1:1]共混进行共组装, 在四氢呋喃/甲苯体积比为2∶1的混合溶剂中, 发现了一类新型具有均匀分布内部孔道且表面光滑的球形组装体. 进一步研究了该组装体的可重复性和组装机理, 为其后期应用于工业上的负载催化、 小分子识别与释放提供了一种新的策略.

通过在芳纶浆粕(AP)表面修饰聚苯胺(PANI)制备了聚苯胺-芳纶浆粕(PANI-AP), 然后与碳纤维(CF)共混, 采用湿法抄纸技术制备导电性能优异的纸基材料(PANI-AP/CP). 对其形貌结构、 导电性能及PANI分布均匀性进行了表征, 并研究了环境湿度、 温度、 pH值及放置时间对PANI-AP/CP导电性能的影响. 研究结果表明, PANI-AP表面粗糙度增加, 结晶度增加, 出现含醌式结构的导电PANI的衍射峰, 说明PANI成功修饰于AP表面. 采用该方法制备的PANI-AP/CP导电性能与分布均匀性均得到提高, 相对于碳纤维纸基材(CP), PANI-AP/CP的电导率为3.937 S/cm, 导电性能提高153.5%. 与PANI原位生长于CP(AP/CP-PANI)相比, PANI-AP/CP的导电性能提高34.6%, 总色差值(DE)降低74.9%.