封面说明

正自然界中的手性现象广泛存在.许多生物分子如氨基酸、核酸和糖等在紫外光区具有本征的光学手性.调控具有光学活性的金属纳米颗粒形成具有可设计的光学手性结构,将有利于丰富手性光学和手性结构的研究.近年来, DNA纳米技术为精确调控纳米粒子的空间排布提供了一种有效的方法,能够构建具有复杂几何结构的手性纳米结构.王强斌课题组以具有等离子体光学活性的贵金属纳米粒子为例,综述了利用DNA     

基于DNA自组装的手性等离子体纳米结构研究进展

自然界中的手性现象广泛存在.近年来,具有在可见光波段手性光学响应特性的等离子体金属纳米结构吸引了越来越多的关注.DNA自组装技术以DNA分子为基元构筑纳米材料,具有根据实际需求精准调控并组装得到复杂纳米结构的优点,可以用来构建从静态到动态的各种手性等离子纳米结构.本文综述了基于DNA自组装的手性等离子体纳米结构的研究历程和最新进展,并对相关研究做进一步展望.     

金属纳米结构表面等离子体共振的调控和利用

金属纳米结构的表面等离子体光学在光催化、纳米集成光子学、光学传感、生物标记、医学成像、太阳能电池, 以及表面增强拉曼光谱等领域有广泛的应用前景, 这些功能和金属纳米结构与光相互作用时产生的表面等离子体共振密切相关. 本文简单回顾国际上该领域过去十来年的一些重要研究进展和当前发展的前沿动态, 重点介绍我们课题组近年来在金属纳米颗粒和纳米结构的表面等离子体光学理论和实验研究上取得的一些成果. 同时还介绍了我们课题组目前在表面等离子体光学研究方面的若干新思路, 包括表面等离子体共振放大、紫外波段光学天线、纳米天线光学双稳态、表面等离子体辅助的量子相互作用等. 通过这些经验和教训的介绍与讨论, 期望能够达到抛砖引玉的目的, 与国内同行来共同探讨表面等离子体光学结构是如何在纳米尺度上实现对光的各种性质的调控和利用的, 并向等离子体光学的未知领域开拓进取.     

生物-化学复合纳米催化剂体系应用基础研究

细胞具有精确、高效的分子合成能力,细胞内复杂的多酶体系具有纳米尺度多层次构建的基本特征,纳米邻近效应、区域化效应、限域效应等是其高效催化的重要基础."去细胞之复杂,取细胞之精华",提取细胞生物催化关键元件,并以化学催化替代其中的局限步骤,模拟细胞内多级结构和纳米效应,设计简单、高效、稳定的生物-化学复合纳米催化剂,有望再现甚至超越细胞的催化能力,为传统工业生物催化提供革新技术.本项目以化学工业可持续发展的需求为导向,重点研究生物-化学复合纳米催化剂构筑及其工业化应用中的重要科学问题,并探索应用于手性化合物制备的工业催化过程.     

超分子手性的动态调控及功能化

超分子手性的研究对于促进生命科学﹑材料化学等相关学科的发展具有非常重要的价值,已发展成为当前手性科学领域的热点之一.动态的智能超分子手性材料具有良好的刺激响应性,其组装结构和功能特性随外界环境的改变而发生敏感的变化.本文介绍了超分子手性的组装原理,详细阐述了光、温度、氧化还原、p H、溶剂、超声、离子、浓度等刺激对超分子手性的动态调控,着重综述了超分子手性在手性模板、手性开关、手性液晶、手性催化、手性传感、圆偏振发光材料及生物医用材料等方面的功能性研究.这些成果为超分子手性的研究领域拓展了新的发展空间,为手性科学问题的研究提供了新思路和新方法.     

基于DNA的自组装等离子共振纳米结构研究进展

等离子共振产生的电磁波的近场效应会使金属表面附近产生各种各样的奇特现象. DNA自组装纳米结构能够利用核酸序列的特异性识别能力,对有机分子和无机纳米颗粒进行纳米尺度的精确排布.这种自下而上的组装方法为构建等离子共振纳米结构提供了新思路,进而推动了纳米光子学的发展.本综述讨论了多种以DNA纳米结构引导的新型等离子共振纳米结构的设计和应用,并对DNA自组装等离子共振纳米结构的发展方向和应用前景进行了展望.     

生物矿化法制备多孔壳聚糖-聚丙烯酸-磷酸钙复合纳米微粒

介绍了两种在壳聚糖-聚丙烯酸纳米微粒(CS-PAA NPs)表面进行生物矿化制备聚合 物-磷酸钙复合纳米微粒(CS-PAA-CaP NPs)的方法: 氨水滴加法和尿素热分解法. 氨水滴加法得到的复合纳米微粒形状不规则; 尿素的热分解使磷酸钙在CS-PAA粒子表面矿化, 获得形貌规则的复合纳米微粒. 通过动态光散射(DLS)、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、热重分析(TGA)和X-射线衍射(XRD)对由尿素热分解法得到的复合纳米微粒进行了表征. 实验结果表明, 尿素热分解矿化方法可以避免CS-PAA粒子在碱性环境中沉淀, 得到具有多孔结构的复合纳米粒子, 粒径约为400~600 nm; 此复合粒子中无机成分约占23%, 其无机成分主要以磷酸氢钙(CaHPO₄)晶体的形式存在. 该复合粒子的多孔结构有望在药物传输以及其他生物医用材料领域有广泛的应用.     

耗散粒子动力学方法在生物学领域的应用与研究进展:从蛋白质结构到细胞力学

耗散粒子动力学(dissipative particle dynamics, DPD)是近年发展起来的一种介观尺度的数值模拟方法,是研究软物质和复杂流体动力学行为的一种重要手段.这种新型介观模拟方法采用粗粒化粒子模型描述具有关联性的原子团或物质团,并通过简单的软排斥作用力描述粗粒化粒子间的相互作用,从而实现更大时间和空间尺度的复杂系统模拟计算,如油/水/表面活性剂体系、聚合物和胶体溶液的化学形态、微观形貌、相分离以及复杂流体流变特性的模拟等.本文首先介绍了DPD方法的理论框架,继而详细综述了DPD方法在生物系统中的应用.具体地,在分子尺度,我们重点介绍了该方法在蛋白质结构及其相互作用、两亲性脂质分子膜的结构与动力学、脂质膜与蛋白分子相互作用、纳米颗粒与脂质膜相互作用等方面的研究现状和研究热点.在细胞尺度,我们归纳了DPD方法在模拟血液微循环系统中血细胞的流动和血液流变学行为等方面的应用进展,包括红细胞的变形及流动,白细胞边聚及黏附行为,血小板边聚、黏附及聚集行为,健康与疾病状态下血液流变学特征,循环肿瘤细胞迁移、黏附及分选富集等.此外,我们总结了用于模拟血细胞变形及血液流动的其他数值模...     

光学纯机械面手性轮烷及面手性大环化合物合成研究进展

近年来,面手性逐渐引起了多个领域科学家的关注.面手性结构单元广泛存在于多种活性天然产物和药物分子中,如机械平面手性轮烷和平面手性大环化合物.这两类结构在分子机器、分子识别、不对称催化以及药物研发等多个领域展示出了重要的应用价值.然而,由于机械平面手性轮烷和平面手性大环化合物的结构复杂性,合成这两类化合物仍然面临着较大挑战,且合成方法相对较少.因此,研究高效制备上述两类面手性化合物的新策略是非常有价值的研究方向.目前,合成化学家已发展了手性色谱分离技术、手性源诱导、过渡金属或酶催化的不对称环化反应等制备面手性化合物的策略.本文综述了制备光学纯机械面手性轮烷和面手性大环两类结构的研究进展,旨在启发从事相关领域的合成化学家发展更多高效合成面手性结构的新策略,从而为高效构筑机械平面手性轮烷化合物和平面手性大环化合物提供借鉴.     

自组装低维无机/有机异质结纳米材料

一维有机-无机异质结纳米材料因自身具有突出的光学和电学的性能而备受关注.在这种异质结材料内部,有机和无机的组分相互作用形成多个功能界面.这种新材料不仅保留了原来单组分的本征特性,还会通过界面强的作用产生新的特性,真正实现"1+12"的协同性能.认识和解释分子自组装的控调规律;通过分子结构的裁剪和作用力的调控实现小尺度低维分子聚集态异质结构的大面积、高有序组装;理解分子聚集态尺度下分子间弱相互作用产生的协同驱动机制和通过杂化/异质自组装优化原有功能,获得新结构的分子低维聚集态结构并在分子自组装体水平上研究结构变化导向的特殊性质,对基础科学研究的发展具有重大的科学意义.在本文中,我们主要讨论了制备异质结纳米材料的方法以及这些材料在电子和光学领域的应用.     

纳米尺度金属超分子配合物对DNA的特殊识别与功能调控新进展

配体通过靶向特殊基因,进而调节该基因所参与的生物学功能一直是生物无机化学领域十分活跃的研究课题.当前,金属配合物对DNA的结构识别以及功能调控引起了人们的高度重视,越来越多的研究表明,金属配合物能够有效地识别DNA的二级结构并影响其生物学功能.最近研究发现,一些具有纳米尺度的金属超分子配合物能够特异性识别DNA并表现出特殊的生物学效应.本文总结了纳米尺度金属超分子配合物对不同DNA二级结构的选择性识别及调控等方面的研究进展.     

亚波长微纳光学的前沿研究(二)*

结合薄膜光学、导波光学和衍射光学制备的亚波长微纳结构器件,具备制作新型功能光学元件的潜力,是当今光学领域备受关注的研究热点。笔者介绍了亚波长导模共振结构应用于可调谐滤波器、彩色图像再现,及其周期性孔阵列结构制备的可调谐滤波器。这些研究展示了微纳米尺度的光学结构不同于宏观尺度的新特征,及其在新技术的广阔前景和科技创新中的重要作用。     

Y形碳纳米管内的水分子信号倍增器

分子尺度的信号变换和放大对很多物理和生物过程非常重要,如分子开关、纳米门、生物传感器和各种神经过程.然而,人们在分子水平对这些信号处理过程知之甚少,其中部分原因是由于     

自组装低维无机/有机异质结纳米材料简

一维有机-无机异质结纳米材料因自身具有突出的光学和电学的性能而备受关注. 在这种异质结材料内部,有机和无机的组分相互作用形成多个功能界面. 这种新材料不仅保留了原来单组分的本征特性,还会通过界面强的作用产生新的特性,真正实现“1+1>2”的协同性能. 认识和解释分子自组装的控调规律;通过分子结构的裁剪和作用力的调控实现小尺度低维分子聚集态异质结构的大面积、高有序组装;理解分子聚集态尺度下分子间弱相互作用产生的协同驱动机制和通过杂化/异质自组装优化原有功能,获得新结构的分子低维聚集态结构并在分子自组装体水平上研究结构变化导向的特殊性质,对基础科学研究的发展具有重大的科学意义. 在本文中,我们主要讨论了制备异质结纳米材料的方法以及这些材料在电子和光学领域的应用.     

基于谷氨酸树枝状两亲分子的超分子水凝胶的收缩及其功能化应用

超分子凝胶是基于低分子量凝胶剂分子在溶剂中通过分子间非共价相互作用自组装形成的具有网络骨架结构的半固态、半液态的软物质材料,其易于制备、组装结构多样并具有多重刺激响应性,有望在智能材料等领域得到应用.刺激响应性包括一些物理或化学刺激,如温度、pH、离子强度、磁场、电场、光照、氧化还原、化学及生物物质等,凝胶材料可以在这些刺激下发生诸如凝胶的形态(溶胶-凝胶)、体积(收缩-膨胀)和形状(形状记忆)等的可逆变化.其中,可以发生宏观上的体积相转变的刺激响应性水凝胶尤为引人注目,在药物释放、生物感应、可控微流阀门以及组织修复愈合等方面具有广阔的应用前景.本文介绍了一种基于谷氨酸树枝状两亲分子的具有体积收缩功能的超分子水凝胶,阐述了该凝胶体系对金属离子、pH、温度和光等刺激信号的响应及其可逆收缩-膨胀机理,并介绍了利用超分子凝胶的收缩特性在混合染料分离、可视化手性识别与检测、手性光学开关和药物释放等领域的应用.     

多组分手性超分子的构筑及其应用

手性与生命现象密切相关,如氨基酸、蛋白质和核酸的手性结构,以及宏观的海螺等.分子模块的不对称性堆积称为超分子手性.对超分子手性的出现、放大、转移以及反转的调控是超分子手性中几个重要的研究方向.超分子手性组装体通常由多种非共价相互作用协同驱动形成,是一类具有独特手性微环境的软物质.其中,含两种或两种以上组分的超分子组装体既可能经过协同组装作用也可能发生自分类.其存在多种组装路径,相对于单组分体系复杂得多.因此,与发展更为成熟的单组分体系相比,多组分超分子手性组装体在基础和应用方面的研究都受到了限制.然而,研究多组分中的超分子手性既可以模拟复杂的手性生物体系,也可以加深对自然界中手性起源的理解,从而进一步应用于仿生学和手性材料,具有重要的意义.因此本文主要对多组分手性超分子共组装体系的构建以及可能的应用进行了综述和总结.     

人体生物矿化与病态结晶研究进展

生物体通过矿化结晶可制备出具有多层级结构有序的功能材料以实现特定生物功能,但是有害(或病态)的结晶过程则会诱发诸如肾结石、动脉粥样硬化、疟疾、痛风等疾病.迄今为止,科学家对哺乳动物体内无机或有机盐病态矿化结晶的分子机制认识仍不清楚,但随着结晶科学推动病态矿化领域的发展,生物病态结晶研究近年来已取得了众多突破性成果和重要进展.本文从结晶过程机理认识和抑制药物分子开发需求出发,首先介绍了病态矿化结晶过程诱发的几种常见人类疾病,综述了这些疾病相关的无机或有机盐晶体结晶过程机制的研究进展,重点阐述了诱发肾结石形成的晶体成核、生长、聚结和黏附不同阶段、不同尺度的分子机制研究进展以及结晶抑制药物分子的设计开发策略.最后,梳理了今后生物病态结晶领域研究的重点方向,为病态矿化引发的人类疾病的预防、治疗和药物研究开发提供指导.     

等离子激元纳米颗粒组装及其生物应用

近年来,通过自组装技术能够可控地将单个纳米颗粒组装成一维、二维或三维空间构象的新型复合材料.相对于单独的纳米颗粒,纳米颗粒组装材料可表现出许多新颖或优异的物理性质,具有巨大的应用前景,因此在纳米材料领域越来越受到关注并快速发展.尤其是贵金属纳米颗粒组装体具有独特的等离子激元光学性质,在生物传感、成像和治疗等方面具有广阔的应用前景.本文回顾了近年来通过分子介导方法对纳米颗粒进行组装及其生物应用的最新研究进展,重点介绍了几种分子介导的纳米颗粒组装技术,以及纳米颗粒组装体的生物医学应用,并展望了其发展前景.     

新型聚苯胺团簇的飞秒非线性吸收

发展新型的光子开关在光计算和光通讯领域里具有重要的意义.团簇——作为空间尺度,是零点几到几十纳米的原子或分子的微观和亚微观聚集体显示出与通常固体材料不同的电子和光学性质.目前,无机纳米材料大的三阶非线性光学效应已引起了国内外的重视,深入的研究可望将团簇开发成一类具有特殊性能的非线性光学材料.本文报道一种嵌埋于有机玻璃(PMMA)中的聚苯胺(PAn)团簇的飞秒非线性光学特性.采用飞秒瞬态吸收激光光谱技术分别测量了近共振和非共振条件下的PAn团簇的光激发和弛豫过程,测量结果显示出PAn团簇的量子尺寸效应导致了其具有比纯聚苯胺固体薄膜更快的光学响应过程.     

X射线发光光学断层成像的研究进展

X射线发光光学断层成像(XLOT)是一种利用X射线照射生物体内的纳米发光材料进行成像的新型光学分子成像技术.对比现有光学分子成像技术,XLOT能够同时进行功能和结构成像,并且具有更高的成像深度和成像分辨率,具有广泛的应用前景.本文对XLOT成像技术的研究现状进行综述,回顾了不同XLOT系统的成像原理、系统组成以及各自的优缺点,概述了现有XLOT重建方法及其最新进展,总结了目前XLOT中常用的成像探针,在此基础上,介绍了XLOT技术在预临床诊断上的应用现状,最后对XLOT未来的研究方向进行了展望.